多点成形曲面件端部效应的数值模拟及试验研究

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随着社会的不断发展,人们对于出行的便利化程度更加关注,汽车、轮船、航天技术的发展不断走向大众的视野,产品制造业不断更新技术,提高产品质量、提升产能以此来获得更大的行业竞争力。金属板料应用广泛,板料的成形一直是工业生产的重中之重。传统的板料成形使用整体模具冲压成形,其模具生产和调试相对困难,只适用于大批量生产,对于小批次、个性化需求的板料其整体模具成形无法满足快速成形、节约成本的要求。柔性多点成形是相对于传统板料成形方式的重大突破,其使用离散化的思想,将传统模具型面离散成单独的单元体,通过单元体的组合形成包络面来代替整体模具,减小了整体模具的生产和调试周期,极大提高了生产效率。板料在成形时往往会出现各种成形缺陷,对于板料的成形缺陷一直是无数工程技术人员想要解决的重大问题。本文主要对板料弯曲成形过程中出现的端部异常变形进行研究,针对此现象,提出了端部效应的概念。利用多点成形技术对此现象的出现进行了原因分析和试验验证,并对一些板料成形的影响因素设计有限元数值模拟试验,研究各个因素对端部效应的影响,为以后的研究分析提供一定的基础。主要研究内容和结论如下:(1)探讨多点成形原理和板料数值模拟概况,阐述板料成形有限元理论和多点成形数值模拟理论,以成形柱面件为例建立多点成形有限元模型,探讨各参数的具体设置。(2)通过多点模具成形和整体模具成形两种方式来对板料进行柱面件弯曲成形,由数值模拟结果可知:两种成形方式下的板料在加载和卸载后,提取的轴向(即长度方向)的中轴线都表现端部效应。通过分析形成此现象的原因为:板料在弯曲变形中周向(即宽度方向)各处变形程度不同,由于板料在成形过程中会伴随着板厚的减薄、长度方向材料的伸长和中性层的内移,周向的端部小变形区域伸长量较少就会限制中部大变形区材料的伸长,且板料内外表面受到的拉压应力不同也会导致内外表面的材料伸长量不同,在这些因素的共同作用下成形件就表现出了两端部异常拱起的端部效应。(3)对板料弯曲成形中出现的端部效应进行多点成形试验验证,其结论为:提取的试验件曲线表现出宏观的端部异常拱起现象,且试验件曲线数值与数值模拟所提取曲线的数值相吻合,误差在规定范围之内,端部效应得到试验验证。(4)通过对成形不同曲率半径的成形件进行分析可得,随着曲率半径的增大,成形件在下压时全部表现出端部效应,最大值的数值变化与曲率半径的数值成反比关系,且端部效应在长度方向上的影响范围占整体成形件长度(1500mm)的2/3,对板料的成形有较大影响;成形件回弹后,在一定的曲率半径范围内,其表现的端部效应最大值仍然是与曲率半径成反比关系,且其长度影响范围同样占据成形件长度(1500mm)的2/3,但是随着曲率半径增大到一定的程度,成形件的整体变形较小,成形件不再出现端部效应表现出了弯曲变形的翘曲现象。(5)通过对不同厚度的成形件进行成形分析可得,保持曲率半径等其他条件不变,随着厚度的增加,相对弯曲半径减小,板料弯曲变形程度不断增大,成形后提取其中轴线处的曲线,均表现出端部效应,且其高度最大值随着板厚的增加不断增大,端部效应在长度方向影响区域也不断增加直至达到各距边缘500mm左右位置,其影响区域同样占整块板料长度(1500mm)的2/3左右。(6)通过对不同长度的成形件进行成形分析可得:当板长小于端部效应的影响长度时,成形件完全表现成翘曲现象;当板长增大到与端部效应相同的长度时,其完全表现出端部效应,中部区域无平直部分;当板长继续增加,其表现出端部拱起中部平直的端部效应;当板长增加到一定的范围后,成形件中部表现出翘曲现象,端部同样出现拱起的端部效应。整体分析可知随着板长达到端部效应的影响区域,板料越长端部效应高度值越大,长度到达一定程度板料不仅在端部表现出端部效应同时在板料中部表现出翘曲变形,且翘曲程度同样随着板长不断增加。
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