连续柔性成形的端部效应数值模拟研究

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板料的卷板成形,又称为辊弯成形,是一种连续局部塑性成形技术,主要用于单曲率曲面成形。连续柔性成形是在卷板成形基础上发展起来的一种简单、高效而又具有柔性化特点的新型板材三维曲面成形技术。它是多点成形技术与传统卷板成形技术的有机结合,具有成本低、装置结构简单、生产效率高、容易实现自动化等优点,具有良好的应用前景。本文在理论上对卷板成形过程进行定量分析,并将数学和力学计算结合起来对直辊卷板过程进行描述。建立有限元模型,将数值模拟结果与推导出的描述直辊卷板成形过程的公式进行对比,验证计算公式的正确性。并通过模拟结果对比分析,分析连续柔性成形中端部直边效应的变化情况。主要研究内容与结果归纳如下:1.直辊卷板过程的理论分析通过对卷板成形过程的力学分析推导出直辊卷板成形过程中稳定成形区、初始端部成形区域、结束端部成形区域的曲率方程和挠曲线方程。并使用MATLAB计算出了各项参数。稳定成形区域的弹性加载阶段曲率增长呈线性,弹塑性加载阶段曲率增长很快且呈非线性增长,卸载阶段曲率呈线性减小。在初始端部成形区域和结束端部成形区域,曲率在卸载阶段呈非线性快速减小到零结束,在弹性卸载回弹阶段曲率始终为零。2.通过对卷板过程的数值模拟,检验了理论分析结果在ABAQUS中建立三维曲面连续柔性成形过程和直辊卷板的有限元模型。详细介绍了有限元模型的建立程序,设置了材料模型单元、材料属性、模型分析步、接触属性、边界条件、算法选择、单元辊局部坐标系等,并充分考虑了直辊卷板模型与连续柔性成形模型的特点进行各项参数设置。将卷板过程模拟结果与理论分析结果进行对比验证,验证了直辊卷板稳定成形区域、初始端部成形区域、结束端部成形区域中理论计算公式的正确性。3.连续柔性成形的端部效应分析通过球面件连续柔性成形端部效应的分析表明:其端部区域的纵向曲率变化趋势与直辊卷板成形相似,但曲率变化情况与直辊卷板不同,连续柔性成形件的端部区域从中间到边缘,曲率达到峰值的范围不断缩小,纵向曲率变化呈加快趋势,且曲率最大值也呈增大趋势。而连续柔性成形在离开端部区域后,中间区域的曲率分布不如直辊成形规律,有一定幅度的起伏,从成形件的纵向对称轴到边缘,曲率波动幅度呈逐渐增大的趋势。实验件的成形误差对比分析表明,模拟结果与实验件成形结果一致,验证了模拟结果端部效应分析的可行性。4.连续柔性成形端部区域横向曲率分析通过连续柔性成形件不同参数条件下的模拟结果,对端部区域的横向曲率进行了分析对比。结果表明:在连续柔性成形件中,端部的横向曲率误差较大,远离端部的区域,横向曲率误差较小;较厚板料端部区域的横向曲率更贴近于目标曲率;上辊下压量越大,横向曲率更接近目标横向曲率;在鞍形件成形过程中,尽管下压量有明显差异,但其端部区域的横向曲率相差不大。
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