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高柔性压边多点成形过程的数值模拟研究

徐建丽  
【摘要】:多点成形(Multi-point forming,简称 MPF)是金属板材三维曲面成形的一种 柔性加工方法,其基本思想是将传统的整体模具离散化为规则排列、高度可调 的基本体群,由基本体球头的包络面(或称基本体群成形曲面)来完成板材成 形。多点成形采用计算机控制基本体的位移和速度,实现基本体群包络面的变 化,从而实现板材柔性成形。它在航空航天、造船、车辆覆盖件、城市雕塑等 诸多领域有广泛的应用前景。 由于板类件多点成形是一个材料非线性、几何非线性的过程,分析成形件 卸载后的回弹量,预测成形过程中可能产生的缺陷就变得十分复杂。而数值分 析方法是金属成形中优化模具设计、预测成形缺陷及分析成形质量必不可少的 工具,有限元技术则是各种数值方法中最为有效的方法。近几十年来,有限元 分析在板材成形工艺分析中的应用越来越广泛。它不仅用于典型成形工艺分析 及成形过程模拟,而且用于起皱、压痕等成形缺陷预测、成形件回弹计算以及 用于原始坯料设计等问题。对于薄板类件多点成形过程,由于基本体和板材之 间接触状态不断发生变化,加载条件复杂,应用动态显式有限元算法求解具有 明显的优势。因此,本文采用动态显式有限元算法对薄板类件多点成形过程进 行数值模拟。 在薄板类件多点成形中,需要使用压边装置以提高成形质量。多点压机的 压边装置是由上下各数十个压边缸组成,每一个压边缸都由独立的液压装置驱 动,再配以合适厚度的压边圈,可以实现高柔性压边。由于使用刚性压边装置 的多点成形易产生起皱、拉裂和压痕等成形缺陷,尤其是薄板类件的成形。这 些缺陷严重影响工件的成形质量,制约多点成形技术的推广应用。本文借助于 有限元数值模拟软件,对采用高柔性压边的多点成形过程进行了详细的数值模 58 WP=63 吉林大学硕士研究生学位论文 拟研究,并与采用刚性压边的多点成形过程进行比较,分析了成形缺陷产生的 原因,探讨合适的工艺参数,从而消除或减轻缺陷,提高成形质量。 本文的所做的主要工作如下: 1) 多点成形有限元模型的建立及数值模拟关键算法和参数的研究 根据动力松弛法的概念,利用中心差分法使动力方程求解显式化,并对接 触和摩擦模型进行了研究;探讨了采用刚性及高柔性压边的多点成形有限元模 型建立过程中的若干问题,如有限单元的选择、边界条件、虚拟成形速度对模 拟结果的影响、材料模型的选择等,建立了合适的采用刚性及高柔性压边的多 点成形有限元模型。 2) 针对多点成形过程,对采用刚性压边和高柔性压边的多点成形过程进 行了数值模拟对比研究 对采用刚性压边成形时的成形缺陷如起皱、压痕和拉裂等进行了数值模 拟。起皱是由面内压应力引起的,通常通过增加压边力来解决,但压边力增加 容易导致直壁传力区的破裂以及压痕的出现。通过对分别采用刚性压边和高柔 性压边的多点成形过程的模拟研究证明,采用高柔性压边装置能够有效地抑制 各种成形缺陷,板材的拉裂力以及成形力都要比采用刚性压边成形时小。 3) 根据多点压机柔性压边特点,对采用高柔性压边的多点成形工艺过程 进行了数值模拟研究 系统研究了采用高柔性压边装置的多点成形过程,对成形过程中影响压边 圈柔性的各种工艺因素进行了模拟研究,重点探讨了压边圈厚度、板料厚度、 不同材料参数和不同压边力等对成形质量的影响,并对不同参数时压边圈的柔 性对板材成形质量的影响进行分析,总结出了不同工艺因素对压边圈柔性的影 响规律,以及不同柔性程度的压边圈对板材成形质量的影响规律。


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