四点渐进成形关键理论研究与仿真实验分析

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金属板材渐进成形是一种新兴的无模快速成形技术,由于成形时无需专用模具而逐渐被应用于航天航空、汽车、医疗器件以及一些单件、小批量、多品种的板壳类零件的生产上。针对单点渐进成形过程中,由于受力不均衡导致板材的失稳、壁厚不均匀、应力集中、成形效率低等问题,结合多点成形的高效率优点,本文提出了一种新的金属板材局部成形方法,即金属板材多点复合渐进成形。该成形方法既减少了单点渐进成形过程中出现的成形缺陷,同时又避免了多点成形时大量基体难于精准控制等问题。采用有限元仿真分析和成形实验相结合的方法,对板材多点复合渐进成形质量进行了相关的实验研究。本文主要研究成果如下:(1)采用板壳单元法建立四点渐进成形的有限元模型,利用MATLAB完成了板材四点成形受力状态的有限元求解,主要包括:通过单元体受力分析推导了壳单元体平衡方程、根据四边固支给出板材塑性成形的边界条件、根据板材成形特点列出板材塑性成形的屈服条件、选择Prantle-Ruess增量本构方程、推导了矩形四节点12自由度板壳有限元单元等,完成了有限元模型的外力加载以及板材变形与单元力的解算。(2)设计研制了成形实验机,对四点复合渐进成形方盒工件进行有限元仿真实验,对比分析两种成形路径下的制件壁厚、尺寸精度、残余应力、等效应变、成形力等影响趋势,实验结果表明,板材按其中一种路径进行成形时,能获得较好的制件精度,较均匀的壁厚,较小的残余应力、等效应变及成形力;但同时也发现制件的成形效率有所降低。(3)通过设计四点渐进成形模拟实验方案,借助MARC软件模拟四棱锥体工件的渐进成形过程,分析进给量、进给速度、成形角等对成形过程中等效应变的影响趋势,发现进给量的增大使得等效应变随之增大,离工具头越近的点影响越显著;进给速度增大使得等效应变随之增大,但增大到一定的数值以后,对等效应变的影响显著降低;成形角度对于等效应变的影响不大。本研究结合方盒工件及四棱锥体工件为典型零件结构开展四点复合渐进成形过程中的基础理论研究,以及工艺参数、成形方法对成形质量的影响的实验研究与仿真分析,所取得的初步结果将为推动板材多点复合渐进成形基础理论的完善和工艺技术的进步起到一定的促进作用。
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