高柔性拉伸成形工艺及其数值模拟研究
发布时间：2017-08-03 16:13
本文关键词：高柔性拉伸成形工艺及其数值模拟研究
更多相关文章： 板料成形 数值模拟 柔性拉伸成形 多点模具 过渡区 起皱 回弹
【摘要】：蒙皮是飞机的外形零件，其表面光顺度和形状准确度直接影响飞机的飞行性能，因此引起了对蒙皮制造质量的关注。拉形机是飞机蒙皮成形的关键设备，目前国内使用的拉形机多从国外进口，设备陈旧且造价较高，导致一般中小企业无法接受，并且在成形过程中存在板料贴模效果不理想、材料利用率低等缺陷；在成形大曲率或复杂曲率零件时，需要在成形过程中增设一步或多步热处理工艺，导致成形效率较低且效果不理想。因此，开发自主知识产权、保证成形质量的拉伸成形装置具有重要的工业应用价值及国防意义。 高柔性拉伸成形是现代钣金零件制造工艺的一种技术革新，致力于降低设备开发费用、提高工件成形质量和节省制造成本。高柔性拉伸成形机变传统拉伸成形设备的刚性位移加载为柔性力加载，使用通用液压缸代替特制的液压缸，实现板料变形与加载机构运动的自协调，能够在更均匀的应力、应变下实现曲面件的拉伸成形；在拉伸成形过程中使板料更容易与模具贴合，减小拉伸成形件的工艺余量、降低制造成本，同时提高成形质量。 近年来，随着数值模拟技术的不断完善和计算机硬件的飞速发展，数值模拟已成为一些企业和研发机构开发新产品的重要手段。采用有限元分析软件对高柔性拉伸成形过程进行数值模拟分析，可以全面地了解板材在成形过程中的应力应变变化，预测成形缺陷，然后进行工艺参数优化。本文采用数值模拟分析了高柔性拉伸成形中过渡区长度、拉力加载路径对成形结果的影响；研究了使用多点模具高柔性拉伸成形时弹性垫硬度、层数及摩擦系数对成形结果的影响；针对高柔性拉伸成形中存在的起皱缺陷提出了渐变型面拉伸成形工艺，并通过数值模拟对其进行了相关研究。 本文的主要研究内容和结论如下： 1．高柔性拉伸成形原理、成形过程力学及自适应调节过程研究 分析传统拉伸成形原理及工艺特点，指出板料贴模度差和材料利用率低是影响传统拉伸成形应用范围的两大局限因素；详细探讨高柔性拉伸成形原理、设备构成及特点、应用范围及前景；探讨高柔性拉伸成形力学过程，分析成形过程中板料厚度截面的应力应变演化过程；分析高柔性拉伸成形过程的自适应调节过程，指出使用弹性连接元件不仅能够有效改善板料在夹料机构钳口前端的流动状态、降低板料撕裂的可能性，还能够驱使各离散夹料机构实现随动横向摆动制约、促使板料边缘部位与模具贴合。 2．高柔性拉伸成形有限元模型建立 介绍有限元软件ABAQUS中动力显式算法和静力隐式算法的实现过程，探讨回弹模型建立方式及所需施加的边界条件；建立高柔性拉伸成形有限元模型，探讨模型中材料模型、单元类型及尺寸、接触及边界条件的选择；使用万能摩擦磨损试验机测量聚氨酯橡胶板—聚氨酯橡胶板、聚氨酯橡胶板—45#钢、45#钢—45#钢三对摩擦副在有无润滑条件下的摩擦系数，为后续有限元分析提供数据支撑。 3．高柔性拉伸成形过程分析及过渡区长度研究 通过数值模拟对比分析传统拉伸成形与高柔性拉伸成形过程，结果表明：与传统拉伸成形相比，高柔性拉伸成形可以显著提高板料的贴模度。研究过渡区长度对成形力、应力应变、板厚及成形精度的影响，结果表明：过渡区长度越短，板料成形时所需要的拉力越小，成形件内的应力应变及厚度分布越均匀；同时得知，应变均布程度是影响成形精度的一个重要因素。最后在自主开发的设备上进行了相关实验，证实了数值模拟结果的正确性。 4．高柔性拉伸成形中拉力加载路径及摩擦系数的研究 研究水平—垂直（HV）和水平—倾斜—垂直（HTV）拉力加载路径对成形结果的影响，分析两种拉力加载路径中摩擦系数对成形结果的影响。分析HV加载路径中水平预拉力对拉应变和成形精度的影响，结果表明：当水平拉力在一定范围变化时，板料与模具完全贴合时所需要的垂直拉力大小相当；预拉力越大，，模拟件成形区内的最大拉应变越大；使板料进入初始屈服点的预拉力可以获得较高的成形精度。分析HTV加载路径中倾斜拉力对拉应变及成形精度的影响，结果显示：模拟件成形区内的最大拉应变随着倾斜拉力的增加而减小；倾斜拉力对成形精度的影响较为显著。分析两种拉力加载路径中摩擦系数对模拟件拉应变、板厚及成形精度的影响，结果显示：模拟件成形区内的最大拉应变随着摩擦系数的增加而减小、拉应变的均布程度随着摩擦系数的增加而增加；与HV加载路径相比，HTV加载路径中摩擦系数对成形精度的影响相对较弱。最后对模拟结果进行相关实验验证，证明了数值模拟结果的正确性。 5．拉伸成形起皱机理及皱纹抑制方法研究 分析拉伸成形起皱机理，介绍常用起皱抑制方法；提出渐变型面拉伸成形，分析该工艺的成形过程及皱纹抑制机理，探讨渐变型面拉伸成形工艺中多点模具目标型面构造方式；以双曲抛物面曲面件为研究对象，使用数值模拟对渐变型面拉伸成形进行数值模拟研究，结果表明：该工艺可以有效地抑制起皱缺陷的产生；针对渐变型面拉伸成形中存在的回弹现象，研究基于位移调整方法的模具型面修正方法对成形精度的影响，分析回弹补偿系数对成形结果的影响，结果表明：通过基于位移调整的模具修正方法进行一次模具型面补偿即可显著提高成形精度，当补偿因数为1.1时，模拟件的成形精度较为理想。 6．弹性垫对基于多点模具高柔性拉伸成形结果影响的研究 探讨基于软件自带剖面操作命令和数值计算评估两种板料与模具贴合度评价方法，并指出两种评价方法的优缺点。以球形曲面件为研究对象，研究弹性垫硬度对成形结果的影响，结果表明：弹性垫硬度过小会导致成形件产生较大的形状畸变、弹性垫硬度过大会导致成形件产生较大的拉应变；在弹性垫总厚度相等的条件下，分析弹性垫层数对成形结果的影响，结果表明：弹性垫层数越多（单层厚度较小），位于模具边缘的弹性垫越容易失稳进而导致较大的局部成形误差，而使用一层弹性垫又会导致位于模具边缘的弹性垫与模具的贴合困难；建立板料—弹性垫、弹性垫—弹性垫和弹性垫—多点模具之间摩擦系数对成形结果影响的三因素三水平正交试验，模拟结果表明：弹性垫—多点模具之间的摩擦系数对成形精度的影响最为显著，板料—弹性垫、弹性垫—弹性垫之间摩擦系数对成形精度影响的显著程度依次次之。
【关键词】：板料成形 数值模拟 柔性拉伸成形 多点模具 过渡区 起皱 回弹
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG306;V261
【目录】：
- 摘要4-7
- Abstract7-15
- 第1章 绪论15-31
- 1.1 引言15
- 1.2 研究背景15-16
- 1.3 传统拉伸成形研究现状16-18
- 1.4 离散化思想在板料成形中的应用18-27
- 1.4.1 引言18
- 1.4.2 多点成形18-19
- 1.4.3 柔性卷板成形19-21
- 1.4.4 柔性轧制成形21-22
- 1.4.5 柔性拉伸成形22-27
- 1.5 选题意义及主要研究内容27-29
- 1.5.1 选题意义27-28
- 1.5.2 主要研究内容28-29
- 1.6 小结29-31
- 第2章 高柔性拉伸成形原理及装置31-43
- 2.1 引言31
- 2.2 传统拉伸成形原理及特点31-32
- 2.3 高柔性拉伸成形原理及技术效果32-39
- 2.3.1 成形原理32-33
- 2.3.2 成形过程力学分析33-38
- 2.3.3 自适应成形过程分析38-39
- 2.4 高柔性拉伸成形装置及特点39-40
- 2.4.1 成形装置39
- 2.4.2 设备特点39-40
- 2.5 应用范围及前景40-42
- 2.6 小结42-43
- 第3章 高柔性拉伸成形有限元模型43-57
- 3.1 引言43
- 3.2 动力显式算法43-45
- 3.2.1 数值算法实现43-44
- 3.2.2 节点质量及转动惯量44
- 3.2.3 稳态时间增量的稳定性44-45
- 3.3 静力隐式算法45-47
- 3.4 有限元模型建立47-53
- 3.4.1 材料模型47-48
- 3.4.2 单元选择48-50
- 3.4.3 接触及摩擦定义50-51
- 3.4.4 摩擦系数确定51-52
- 3.4.5 载荷及约束定义52-53
- 3.5 回弹模型建立53-55
- 3.6 小结55-57
- 第4章 高柔性拉伸成形时过渡区长度的研究57-73
- 4.1 引言57
- 4.2 传统拉伸成形工艺下料方案57-58
- 4.3 传统和高柔性拉伸成形工艺成形能力对比58-61
- 4.4 高柔性拉伸成形时过渡区长度对成形结果的影响61-71
- 4.4.1 成形拉力61-63
- 4.4.2 应力分布63-65
- 4.4.3 应变分布65-67
- 4.4.4 成形件厚度67-69
- 4.4.5 成形精度分析69-70
- 4.4.6 成形装置及验证70-71
- 4.5 小结71-73
- 第5章 拉力加载路径和摩擦系数对成形结果的影响73-93
- 5.1 引言73
- 5.2 典型拉力加载路径73-74
- 5.3 HV 加载路径对成形结果的影响74-79
- 5.3.1 应变分布75-77
- 5.3.2 成形件厚度77
- 5.3.3 成形精度分析77-79
- 5.4 HTV 加载路径对成形结果的影响79-84
- 5.4.1 成形拉力研究79-80
- 5.4.2 应变分布80-81
- 5.4.3 成形件厚度81-82
- 5.4.4 成形精度研究82-84
- 5.5 HV 加载路径中摩擦系数对成形结果的影响84-87
- 5.5.1 应变分布84-86
- 5.5.2 成形件厚度86
- 5.5.3 成形精度分析86-87
- 5.6 HTV 加载路径中摩擦系数对成形结果的影响87-90
- 5.6.1 应变分布87-88
- 5.6.2 成形件厚度88-89
- 5.6.3 成形精度研究89-90
- 5.7 成形装置及试验验证90-91
- 5.8 小结91-93
- 第6章 高柔性拉伸成形起皱机理与抑制方法研究93-107
- 6.1 引言93
- 6.2 拉伸成形起皱机理93-94
- 6.3 拉伸成形起皱抑制方法94-95
- 6.4 渐变型面拉伸成形原理95-97
- 6.4.1 成形过程分析95-96
- 6.4.2 横向型面构造方式96
- 6.4.3 横向型面过渡方式96-97
- 6.5 基于上顶式横向型面构造的渐变型面成形97-105
- 6.5.1 有限元模型97-98
- 6.5.2 渐变型面拉伸成形过程分析98-100
- 6.5.3 横向型面过渡方式对成形结果的影响100-101
- 6.5.4 回弹补偿分析101-105
- 6.6 基于下落式横向型面构造的渐变型面拉伸成形105-106
- 6.7 小结106-107
- 第7章 使用多点模具柔性拉伸成形时弹性垫的影响107-123
- 7.1 引言107
- 7.2 板料贴模度评价方法107-108
- 7.3 有限元模型108-109
- 7.4 弹性垫硬度对成形结果的影响109-114
- 7.4.1 应变分布109-111
- 7.4.2 成形精度111-114
- 7.5 弹性垫层数对成形结果的影响114-117
- 7.6 摩擦系数对成形精度的影响117-121
- 7.6.1 直接观察法119
- 7.6.2 一般计算分析119-120
- 7.6.3 分析水平趋势，寻求可能更优化方案120-121
- 7.7 小结121-123
- 第8章 结论与展望123-127
- 参考文献127-139
- 攻读博士学位期间发表的学术论文139-140
- 致谢140
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张彦敏;周贤宾;;飞机蒙皮拉伸成形加载轨迹设计及优化[J];北京航空航天大学学报;2007年07期
2 王丽丽;李东升;李小强;罗红宇;;可重构柔性多点模具蒙皮拉形模面补偿算法[J];北京航空航天大学学报;2011年08期
3 龚学鹏;李明哲;胡志清;;三维曲面柔性卷板成形技术及其数值模拟[J];北京科技大学学报;2008年11期
4 龚学鹏;李明哲;胡志清;;连续多点成形过程中应力应变场数值分析[J];北京理工大学学报;2008年12期
5 王丽丽;李东升;曹s
本文编号：615203
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