基于流动速度场控制的挤压成形弯曲管件过程研究

论文摘要

随着交通工具轻量化的推进和航空航天技术的迅猛发展,弯曲管材以其高比强度和高比刚度而应用领域日益广泛,汽车、大型飞机等产业的发展也对铝合金薄璧弯管质量提出了更高需求,开发管材弯曲新工艺的研究成为成形技术发展的一个重要方向。本课题组根据金属流动的不平衡性原理提出了偏心挤压成型管材弯曲件的方法。采用偏心结构设计,并在模具结构、坯料、工艺参数等方面采取措施,加大金属流动的不平衡性,利用材料在管材挤压过程中流动的不对称性,直接通过挤压得到管材弯曲件,实现管材的挤压、弯曲一次性成形。本文首先采用有限元法,通过有限元商用软件DEFORM对成形过程进行数值模拟分析,基于材料流动控制的方法研究了偏心挤压成型管材弯曲件。得出其材料流动模式、应力分布情况、载荷变化以及制件弯曲变形情况,分析表明采用该方法得到的管材弯曲件应力分布均匀,壁厚均匀,弯曲曲率半径一致;随后在此基础上对模型进行优化,设计出试验所需模具,首先通过软质材料橡皮泥、Pb进行试验验证分析,并对变形后制件的壁厚以及曲率半径进行分析,验证了此方法的可行性。其次对差速挤压成型管材弯曲件的过程进行了有限元数值模拟分析,采用双凸模作用,通过挤压弯曲复合成形的方法在模具内将一块或多块坯料挤出弯曲复合成形管材弯曲件,通过控制挤出速度梯度可以在挤出的过程中实现不同角度的弯曲,控制管材曲率半径和璧厚精度。通过双凸模作用下的成形过程的有限元分析得到其速度场分布情况、材料流动模式、应力分布情况、壁厚分布情况、载荷变化情况以及制件弯曲变形情况。结果表明应力分布均匀,壁厚均匀,通过控制速度梯度可以实现对弯曲曲率半径的控制。数值模拟研究以及验证试验表明该方法成形过程中金属流动均匀,管材曲率半径和璧厚精度可控,并有效地改进了弯曲成形管材质量。同时,为在此基础上实现在多凸模的作用下,多个方向的弯曲成形奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 选题依据及研究内容
• 1.3.1 选题依据
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 本论文研究意义
• 第二章 有限元数值模拟技术
• 2.1 引言
• 2.2 金属塑性成形理论基础
• 2.3 有限元数值模拟基础
• 2.3.1 有限元基础
• 2.3.2 有限元法的计算思路
• 2.3.3 有限单元法的解题步骤
• 2.3.4 金属塑性变形有限元与变分法原理
• 2.4 DEFORM 数值模拟基础
• 2.4.1 DEFORM 数值模拟前处理器
• 2.4.2 DEFORM 数值模拟求解器
• 2.4.3 DEFORM 数值模拟后处理器
• 2.5 本章小结
• 第三章 偏心挤压成型制备管材弯曲件数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 构造数值模型
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.2 模拟参数的设定
• 3.3 定义毛坯和模具
• 3.3.1 模型的导入
• 3.3.2 有限元网格划分与步长设定
• 3.3.3 毛坯和模具间关系的定义
• 3.3.4 设置模具的运动
• 3.4 输出控制设置
• 3.5 模拟结果的后处理
• 3.5.1 挤压过程中各处材料流动速度分布分析
• 3.5.2 行程-载荷曲线
• 3.5.3 等效应力场
• 3.6 本章小结
• 第四章 偏心挤压弯曲模具设计及实验分析
• 4.1 挤压技术简介
• 4.1.1 挤压方法分类
• 4.1.2 挤压的基本方法
• 4.2 挤压工艺分析
• 4.2.1 工件工艺性
• 4.2.2 毛坯工艺性
• 4.2.3 挤压方法与挤压设备选取
• 4.3 偏心挤压模具设计
• 4.3.1 模具设计要点
• 4.3.2 模具工作过程
• 4.4 偏心挤压实验
• 4.4.1 木模挤压橡皮泥
• 4.4.2 金属模具试验
• 4.5 本章小结
• 第五章 差速挤压成型制备圆形管材弯曲件数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 构造差速挤压成型制备管材弯曲件数值模拟数值模型
• 5.2.1 几何模型的建立
• 5.2.2 模拟参数的设定
• 5.3 定义毛坯和模具
• 5.3.1 模型的导入
• 5.3.2 有限元网格划分与步长设定
• 5.3.3 毛坯和模具间关系的定义
• 5.3.4 设置模具的运动
• 5.4 输出控制设置
• 5.5 模拟结果的后处理
• 5.5.1 挤压过程中各处材料流动速度分布的分析
• 5.5.2 金属的流动
• 5.5.3 行程-载荷曲线
• 5.5.4 等效应力场
• 5.5.5 挤压管件壁厚分析
• 5.5.6 速度差控制与弯曲变形关系
• 5.6 本章小结
• 第六章 差速挤压成型制备方形管材弯曲件数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 有限元模型的建立
• 6.2.1 几何模型的建立
• 6.2.2 模拟参数的设定
• 6.2.3 有限元网格划分与步长设定
• 6.3 挤压过程及模拟结果与分析
• 6.3.1 挤压过程中各处材料流动速度分布分析
• 6.3.2 金属的流动
• 6.3.3 行程-载荷曲线
• 6.3.4 等效应力场
• 6.3.5 挤压管件壁厚分析
• 6.4 速度差控制与弯曲变形关系
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢