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      開發了一種利用有限元模擬彎曲鋼管的新方法

      開發了一種利用有限元模擬彎曲鋼管的新方法

      S. Baudin a, P. Ray b, B.J. Mac Donald b,?, M.S.J. Hashmi b

      摘要

      提出了一種用內壓和剛性模具將直管彎曲成彎管的新方法。在沖頭的推動下,用剛性模具引導管子進入彎管,利用內壓防止起皺和屈曲。本文給出了有限元仿真過程的結果,驗證了概念和設計。通過液體使用內部液壓壓力和使用聚氨酯棒提供內部壓力進行了比較,并在這里給出了結果。

      關鍵詞:管彎曲;聚氨酯;有限元方法

      1. 介紹

      日益激烈的全球競爭要求工業通過提高生產率和可靠性來降低零部件成本,并通過提供改進的機械特性來提高零部件的性能。這些要求導致需要開發新的創新制造技術,可以提供一個顯著優勢的競爭過程。在過去的五十年中,相當多的努力已經投入到使用柔性工具在金屬成型[1]。聚氨酯是柔性模具最常用的材料,因為它的優點是可以生產多種硬度的模具,因此它的性能可以根據具體應用量身定制。聚氨酯工具可以承受高達150攝氏度的溫度,在需要更換之前,可以使用多達50000次循環。許多成形操作包括彎曲,拉伸,壓花,落料,穿孔和脹形都是使用這些工具來完成的。靈活的工具提供了在創造性想象的幫助下發展新的成型過程的機會。

      本調查的目的是研究一種新的彎管工藝的可行性。雖然已經存在將直管轉換為彎管部分的一些工藝,但這些方法有幾個缺點。在這里提出的過程是相對簡單的,并使用一個氨基甲酸酯棒內的管。管子是然后放置在模具內,位于管和桿邊緣端的柱塞對兩者施加軸向加載壓力。反沖頭用于控制另一端的管和桿的運動。這導致在管和桿被推入模具,同時產生內部壓力在管。

      為了了解鋼管內部的變形機理,確定鋼管結構內部的應力應變分布,進而進一步發展該過程,開發了有限元模擬來研究該過程。采用非線性顯式有限元分析軟件LSDYNA進行分析。近年來,利用FEA來發展金屬成形工藝已經得到了很好的證明。與這項工作相關的報告包括Yang等人,他們描述了用于生產汽車部件的彎管和液壓成形的有限元模擬。Thiruvarudchelvan和Travis描述了一個實驗的膨脹成型過程,它使用一個聚氨酯棒作為膨脹介質。詳細研究了聚氨酯脹形介質與液壓脹形介質的區別。Mac Donald和Hashmi描述了使用固體脹形介質對直管脹形十字接頭進行的有限元模擬,并將模擬結果與類似液壓成形過程的結果進行了比較(圖1)。

      2. 有限元模型的發展

      采用顯式非線性有限元程序ANSYS/ LSDYNA進行仿真。顯式LSDYNA 3D采用的求解方法為大變形動力學和復雜接觸/沖擊問題提供了快速的解決方案。利用該集成產品在ANSYS中對問題進行預處理,利用LSDYNA 3D得到顯式動態解,并使用標準的ANSYS后處理工具對結果進行處理。

      通過利用對稱性,問題的一半被建模使用三維實心磚元素。傳統上,殼單元被用于模擬鼓形成形和管道彎曲操作[6],但在這種情況下,需要使用固體單元來得到正確的氨基甲酸酯桿的變形表示。為了避免混合不同類型元件的復雜性,特別是在產生接觸對方面,決定也使用固體元件來建模管和模具。

      由于管材在加工過程中發生了塑性變形,需要建立非線性的彈塑性材料模型來準確描述管材的特性。在這種情況下,成形過程的總持續時間相對較長,因此可以采用不依賴于應變率的材料模型。在LSDYNA中,有兩種與應變速率無關的塑性模型:經典雙線性運動硬化模型和經典雙線性各向同性硬化模型。這兩種模型都使用兩種斜率,即彈性模量和切線模量來表示材料的應力-應變行為,可以令人滿意地用于大多數工程金屬。兩種模型之間的唯一區別是硬化假設,其中運動硬化模型假設二次屈服發生在2××,而各向同性硬化發生在2××最大值。

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      圖1提出的彎管工藝

      聚氨酯在非線性彈性桿的行為方式和LSDYNA軟件建模非線性彈性材料提供了三個選擇:Blatz-Ko橡膠模型用于可壓縮泡沫型材料,如聚氨酯橡膠、Mooney-Rivlin模型是用來模擬不可壓縮橡膠材料和粘彈性材料模型是用來模擬玻璃和玻璃狀的材料的行為。在這種情況下,布拉茨- ko模型被選擇為最合適的材料模型。使用該模型時,泊松比自動設置為0.463,材料響應通過應變能密度函數定義

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      其中,i2和i3為應變不變量。該棒材的剪切模量是由對氨基甲酸酯棒材樣品的實驗測試確定的。

      利用ANSYS的預處理工具,可以很容易地建立模型的幾何形狀。在這種情況下進行模擬,以生產一個90?管直管內徑37.6毫米,外徑40毫米和長度140毫米。模具的內半徑為40mm,模具彎曲半徑為70mm。聚氨酯棒的外徑為37.6 mm,長度為140 mm。嚙合模,管和棒的幾何的是顯示在圖2。

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      圖2初始網格用于模具,管和桿模型。

      在模具與管的界面以及管與聚氨酯的界面采用了一種自動的表面-表面接觸算法。假設彈性庫侖摩擦定律,使模具與管之間的摩擦系數為0.1,管與桿之間的摩擦系數為0.15。這些數值被作為其他研究中詳細描述的數值的代表。

      在這種情況下,模具被建模為剛體,并在管和聚氨酯棒的對稱平面上的節點被約束在適當的方向。位移與時間的加載曲線應用于節點的自由端管和桿,以模擬沖孔力。

      3. 仿真結果

      3.1.網格設計

      模型的早期測試表明,管和桿的網格需要重新設計的區域最近的模具彎曲。該地區是第一個發生明顯變形的地方,該地區存在明顯的接觸問題。為了克服這些問題,并正確地表示該區域的高變形,網格密度偏置,使其在靠近模具彎曲處增加,即使重新設計了網格,接觸算法也遇到了重大問題。圖3顯示了一個典型的結果,其中聚氨酯棒已穿過管和模具。

      3.2. 模擬減少了聚氨酯棒的長度

      研究認為,桿、管、模端面節點的重合對接觸算法產生了一定的影響。這是因為LSDYNA中的接觸算法在[7]中工作。當試圖建立聯系時,算法搜索可能的聯系圖3。用氨基甲酸酯棒穿透管子。被檢查節點附近區域的節點。在管和棒的末端,認為可能沒有足夠的節點存在以適當建立接觸。為了研究這種可能性,減小了桿模型的長度,從而使桿和管的末端節點不在相同的z位置。然而,減小了桿長度后的模擬結果沒有顯示出比之前的模擬有任何改善。

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      圖3用氨基甲酸酯棒穿透管子

      3.3. 使用Mooney-Rivlin材料模型進行模擬

      為了研究不同的材料模型是否能更準確地預測桿的行為,決定采用兩參數的Mooney-Rivlin材料模型來模擬聚氨酯材料。對聚氨酯材料進行了多次試驗,并根據試驗應力-應變曲線確定了其莫尼-里夫林常數。使用的常數是C01 = 0.152655E?03和C10 = 0.133499E?02。

      經過一些初步的試驗模擬,發現Mooney-Rivlin材料模型給出了更好的結果,但在聚氨酯棒模型中發現了一個新的沙漏行為問題??梢酝ㄟ^改變LSDYNA用戶文檔[7]中建議的解決方案控制參數來消除沙漏行為并改進接觸算法行為。然而,在氨基甲酸乙酯桿網格中仍然有重大的問題——似乎模型在準確描述氨基甲酸乙酯桿的壓縮方面有很大的困難。為了嘗試和克服這個問題,一個孔被引入到聚氨酯棒。這個洞的想法是為了讓桿中心的元素有空間壓縮和變形。在這個最初的變形之后,桿正常地變形,并在之后如預期的那樣。應該指出的是,在實際的成形過程中,這個孔不會出現,而只是為了允許問題的有限元求解而采用的一種方法。圖4為該模型在成形過程結束時的結果。

      3.3.1.截面A-A

      該截面位于管的前緣,如圖5所示。在這部分形成的管厚度從1.24到1.22毫米,而應力在形成的管從0.04到0.16 GPa變化。成型管和模具壁之間的間隙在這個區域是相當小的,大約0.1毫米。

      3.3.2.截面B-B

      在這一橫截面中,形成的管的薄度最大。管在壓縮區已經變薄到1.05 mm,而在管的另一側在拉伸區厚度為1.51 mm。壓力從0.06到0.19 GPa不等。在這種情況下,壓縮區接觸模具壁,而在拉伸區存在一個小的間隙(圖6)。

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      圖4預測了彎曲操作后的管材幾何形狀

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      圖5管前端的截面:米塞斯應力上的V


      表1各管柱截面變形匯總表

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      圖6在管的中間區域的橫截面

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      圖7在成形管的沖頭端截面

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      圖9V在米塞斯菌株上的分布

      3.3.3.截面C-C

      這個截面位于管,桿和柱塞接觸的地方。管的厚度在受拉和壓縮區域都增加了。管的上部厚度為1.34 mm,下部厚度為1.63 mm。應力變化在0.14和0.21 GPa之間,發現了一個小的缺口之間的管和模具在管的上部(圖7,表1)。

      3.3.4預測的應力和應變分布

      圖8和圖9顯示了V在成型管內米塞斯應力和應變上的分布。從圖8中可以看出,應力的分布是非均勻的,并且在管的后部比前部要大得多。

      4. 結論

      當試圖模擬新的成形過程時,遇到了重大的問題。最大的障礙是確保接觸算法在模擬過程中不會崩潰。為了實現這一目標,必須對原始模型進行一些假設和更改。顯然,為了使模型能夠代表實驗過程,需要盡可能地限制這些假設。本文所報道的模擬被視為這一新型彎曲管工藝發展的第一步。

      這個過程的分析是高度復雜的,因為在這個問題中存在大的重合接觸面,并且因為聚氨酯材料的高度非線性行為。為了克服這些問題,需要進一步使用改進的接觸算法和改進的聚氨酯材料??梢栽O想,一旦克服了這些問題,模擬將更能代表問題,并將允許對最終過程進行更好的設計。未來的工作將集中于改進模型和生成實驗測試數據來驗證結果。


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