用有限元分析和实验设计综合的方法来分析双层管坯液压成形的几何因数翻译.docx
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用有限元分析和实验设计综合的方法来分析双层管坯液压成形的几何因数翻译
题目:
用有限元分析和实验设计综合的方法来分析双层管坯液压成形的几何因数
摘要
管坯的液压成形过程是一个非传统的金属成形过程,很高的液体压力和轴向载荷能把管坯做成需要的形状。
双层管坯的液压成形合理的用来生产双接头模块,这个用在一些专门的部门,比如航空、石油开采和核电。
这篇文章,根据X形状的双层管坯液压成形的几何因子,用有限元分析方法和效应面优化法做实验设计,构建模型,需回答解决三个问题:
膨胀高度、壁厚减少和褶皱高度。
建立一个有限元模型,在实验上得到验证。
用有限元分析方法和效应面优化法做模型也是经过发展培训的。
因子的影响和三个问题之间的联系也是经过讨论决定的。
综合以上,预测液压成形部件的几何参数会比较成功。
关键词:
管坯液压成形响应面有限元
1.引言
管坯液压成形是一个非传统的金属成形过程,它广泛应用于成形于各种复杂的形状。
用液体内压来获得各种想要的形状,液体内压可以通过液压技术,粘性介质,弹性体和聚氨酯等等来获得。
同时轴向压力能够促使管坯贴模。
与传统金属成形过程相比,管坯液压成形能够减少工作量,工具耗费和产品重量。
还有,它能够提高材料的结构稳定性,也能够增强成形后部件的强度和刚度。
管坯液压成形也还有很多优点,包括有很好的壁厚分布,需要很少的不必要的操作,适合成形复杂形状。
这个方法主要用来生产反光面料,家用电器,卫士方面的部件,航空,汽车和飞机制造业等等。
举例液压成形在汽车方面的一些应用,包括生产排气件,凸轮轴,散热器框架,前后轴,发动机架,座位框架,部分主体构建和空间框架等。
当面临复杂的工作环境,铜合金不能够提供热传导的解决方案,我们可能就要用双向金属导管了。
连接管能用铜合金,铝,钛,碳或者不锈钢制品生产。
实际上,双金属的导管能够提供连接件的热传导性能,较好强度和耐腐蚀性能,而单金属管件是不能够提供的。
工业运用于压缩空气的补给线,造船业和航空航天制造业。
双层系统也可以合理的运用于化学方面的专业环境,比如海底管道。
另一个重要的应用就是耐腐蚀的合金双金属线性管道,外层管坯是用低价钢材制成。
耐腐蚀合金线性管坯运用于石油开采、核电和渐渐的改善了工业。
然而,双金属也广泛应用于汽车行业,比如制造散热器,邮箱,轴承,垫圈,发动机前段等。
最近数十年,也发现液压成形过程的设计与传统的用反复试验的方法的液压成形过程一样比较昂贵和耗时。
液压成形过程数字模拟的运用,有效地帮助设计人员提高了开发过程,避免了收集零件数据带来的不必要麻烦和浪费。
有限元分析比较便宜,能够研究输入参数的匹配组合,包括输入参数和过程状态。
显式有限元代码比隐式在处理各种非线性的金属成形过程中有比较好的性能,而且也能够更好的理解塑性变形机构。
另一方面,实验的设计在计划、指导、分析和阐释实验数据方面起着重要作用。
知道有些因素对结果影响很大,有些影响很小,有些根本没有影响也是相当重要的。
所以,比较好的设计实验目的是那些因素在成形过程中起到影响,然后找出最好的影响因素来达到最好的设计标准。
效应面优化法是最好的实验设计方法。
它是基于数学和统计的技术,在建模和预测输入变量之间的关系是很有用的,以达到优化设计过程的目的。
效应面优化法也能够阐释一个或者更多测量结果和一些输入的可控数据。
用有限元和实验设计方法,根据T字形单层液压成形管坯的几何因子,来设计一个膨胀模型。
这个综合方法能够产生很多在金属成形过程中的未知信息,获得直觉的但比较准确的有关几何参数的主要相互作用影响。
各因素之间的相互影响也能够比较清晰的呈现。
这篇文章,根据X形状的双层管坯液压成形的几何因子,用有限元分析方法和效应面优化法做实验设计,构建模型。
建立模型是用来分析几何参数的:
管坯长度、管坯直径、拐角半径和里层与外层之间的厚度,和了解它们对液压成形部件的影响。
几何因子之间的相互作用和影响也得到分析和探讨。
2.实验设备
实验用图1所示的液压成形机器,用铜和黄铜来形成一个X形状的双层液压成形部件。
液压系统的能量来源,是一个被7.5千瓦的马达驱动的可变位移的活塞泵。
设备是由一个比较硬的,分上模和下模的有X形状的腔的模具制成,下模固定在机器底部。
实验用长度120毫米,外径22毫米,内径20.3.毫米的铜管坯插入长度120毫米,外径24毫米,内径22毫米。
然后管坯被放置在下腔。
合上模后,轴向活塞由水平泵推动,最后密封管坯尾端。
随着密封管坯的产生,内部管坯充满液压油,还有移走了很多气泡。
内部压力和轴向进给的运用在外层和内层之间产生一个密封的层,也成形了一个与模具一样的形状。
3.有限元建模
双层液压管坯液压成形的有限元模型与早期的用ANSYSLS-DYNA软件分析预处理过程和LS-DYNA解决方案有一样的管坯尺寸。
在不同的加载路径和3毫米的圆角下,两层都用X形状的液压成形模具。
3.1.1有限元模型
有限元模型用ANSYS∕LS-DYNA软件分析处理,由四部分组成:
外层管坯,内层管坯,刚性模具和锥形的刚性活塞。
利用对称性,我们可以用八分之一的模型,见图2.对称边界的节点是受约束的,连接到管坯末端的节点各个方向都是自由的。
用薄的壳单元模拟两层。
网格收敛性的研究是使网格精细,优化结果。
外层和内层管坯用1140和1020四边形映射单元,能够给出收敛的解决办法,所以这个网格在整个研究当中得到运用。
在外层和内层的接触面上,外层和模具,层和模具之间的接触面都用一个面对面的接触对连接,遵循弹性的库伦摩擦定律。
两层之间采用0.57的摩擦系数,Hutchinso和Ray在外层和模具之间用0.15的值。
还有,0.5的指数衰减的摩擦系数,被计算出的0.067的粘性阻尼摩擦系数和20的粘性摩擦系数都被运用于整个实验研究中的表面。
实验中的材料属性(工程应力和应变数据),通过两层之间的轴向拉伸实验来获得。
真实应力和应变数据的模拟,来自工程应力和应变的估算。
为两层建立的双层随动硬化模型,参数呈现在表一。
刚性模具和活塞并非完全被模拟,仅仅是与层接触的表面采用3D薄的壳单元进行模拟。
模具和活塞材料用EN21的薄板。
尽管模具和活塞假设是刚体,真实的材料属性被定义主要是因为这些值LS-DYNA用来估算接触摩擦和接触刚度。
模具限制了各个方向的自由度,锥形活塞限制了除了Z方向的各个方向的自由度,允许它沿着管坯的轴向长度移动。
3.2有限元实验模型的验证
图1呈现了管坯液压成形的三个实验,以达到形成X形状的双层部件。
实验结果将和模拟结果进行对比,最终来检查数字模型的有效性。
模拟的加载路径与真实的动力学加载路径比较匹配,见图3-5。
用CMM设备测量管坯样品剖面图见图6,还与模拟结果进行了对比。
发现数值结果与实验结果相当吻合。
表2给出了最终的剖面高度结果,与实验结果有一定百分比的差距。
发现从模拟当中获得的剖面高度与实验值对比,最大误差在正负百分之五之间,从而证明了数字模型的有效性。
4.实验设计
实验设计依靠带有全反馈的三标准箱线图。
管坯长度L范围为80-160毫米,管坯外径20-28毫米,模具圆角1-5毫米,内层厚度0.6-1.2毫米,外层厚度0.6-1.2毫米,他们都被当作输入的独立变量。
表3给出了几何参数变量和实验设计的标准。
膨胀高度H,厚度减少量Tr,褶皱高度Wr,他们被作为输出变量。
统计软件和实验设计专家V7都用到效应面优化法当中来,用依靠有限元模型获得的数字资料来描述早期的加载路径,见图3,也证明了它的有效性,见图8和表2.
二阶多项式应用到实验数据中来,因此来获得回归方程。
接下来的F测验,缺实性验定和其他适当的测量都被运用到实验中来选择最好的模型。
步进式的回归法应用到二阶多项式方程中,来确认相关模型的关系。
相同的统计软件用来产生统计和反应图。
5.结果和讨论
液压成形部件剖面图的结果被测量,见矩阵表4,测量出的响应见表5.用设计软件分析测得的响应。
输出表明,二次模型在响应上比较合适的。
5.1方差分析
用相同的程序包软件,回归方程的重要性实验,个人模型系数和缺适性验定的重要性都得到了展现。
通过选择步进式的回归方法,自动的消除了无关紧要的实验模型关系,为二次模型而得到的方差分析结果见表6-8。
这些表总结概括了每一个响应的方差分析,也呈现了模型地位的重要性。
同一个表也给出了R平方,调整的和预测的。
整个的测量数据接近表1,比较合理的吻合,也显示了模型的合理性。
预测的根号R和调整的根号R,在0.2之内。
足够的精度率,把实验设计点的预测值的范围,比作平均的预测误差。
在所有情况下,足够的精度值明显大于4.在4以上的足够的精度率,表明足够的模型判别。
方差分析表明下面的关系表是非常重要的关系表,这个表是与膨胀高度有关的。
1.管坯长度L,模具圆角r,管坯直径D,外层和内层管坯的厚度t1和t2的一阶效应。
2.管坯长度L平方,模具圆角r平方,管坯直径D平方,外层和内层管坯的厚度t1平方和t2平方的二阶效应。
3.管坯直径和外层厚度之间的关系,管坯直径和内层厚度之间的关系,外层和内层之间的关系。
其次,厚度减少量的模型,分析表明下面的关系最重要。
1.模具圆角半径r,管坯直径D,外层和内层管坯的厚度t1和t2的一阶效应。
2.管坯长度L平方,模具圆角r平方,管坯直径D平方,外层和内层管坯的厚度t1平方和t2平方的二阶效应。
3.管坯直径和外层厚度之间的关系,管坯直径和内层厚度之间的关系,外层和内层之间的关系。
最终,褶皱高度的模型表明下面的关系最重要。
1.管坯长度L,模具圆角r,管坯直径D,外层和内层管坯的厚度t1和t2的一阶效应。
2.管坯长度L平方的二阶效应
3.管坯长度和圆角半径之间的关系,管坯长度和管坯直径之间的关系,管坯长度和两层之间的关系,外层和内层厚度之间的关系。
最终的数学模型按照设计软件的设计是被决定了的,见下面:
下面最终的按照真实模型得来的经验模型数据:
5.2效应面优化法模型的验证
图11-13给出了管坯膨胀高度,壁厚减少量,褶皱高度的真实和预测值之间的关系。
这个表表明,开发出来的模型是比较合理的,因为在每一个响应中的剩余误差都是最小的,它趋向于对角线。
还有,为了检查发展模型的合理性,要做三个验证性实验,这些实验在早期被定义的范围之内,采用新的实验环境进行。
用先前发展的模型,采用点预测法,膨胀高度,壁厚变薄,褶皱高度都将得到预测。
表9概括了实验工况,真实的实验值,预测值,失误率。
很明显,通过表9表明,模型是有效的,因为失误率都在可接受的公差范围之内。
5.3液压成形部件的几何因子的相互影响
5.3.1膨胀高度
结果表明膨胀高度主要依赖于研究的几何因子。
从图14的扰动图中看出,在设计空间的一个专门点的所有因素的影响,比较是很可能的。
通过改变一个因素,维持其他因素不变,画出了如图14的膨胀高度图。
长管坯的液压成形导致低的膨胀,管坯越长产生越大的摩擦力,可以抵抗金属变形,更大的模具圆角半径意味着更容易成形,从而也导致更高的膨胀。
当用更大的管坯直径时,就意味着跟多的材料要挤压着穿过模具,更高的膨胀就会产生了。
然而太厚的管坯会出现小的膨胀。
Koc和Ray研究了单层管坯液压成形的膨胀高度的几何因子,结果与图14获得的扰动图是一致的。
从图15和图16知,单层管坯的液压成形,更大的管坯半径和更小的厚度可以产生管坯外层和内层的更高的膨胀,这符合哈金森实验分析方法。
5.3.2厚度减少
液压成形部件壁厚减少的产生,是因为液体内部压力对管坯的作用。
材料膨胀得越多,壁厚减少就越多。
扰动图18得知,壁厚减少量随着模具圆角和管坯直径的增加而增加;更大的管坯膨胀量,将导致一个更薄的分支端,更厚的外层和内层将导致很小的膨胀量。
双层管坯的液压成形,在我们的实验环境下,在研究范围之内的管坯长度对厚度减少量的影响几乎是可以忽略的。
Ray研究了在单层管坯的液压成形中,圆角半径对厚度减少量的影响,实验结果与得到的结果比较吻合。
在内层厚度和模具圆角半径的相互影响,相互作用图见图19,表明模具圆角半径对厚度减少量的影响依靠里层厚度值t2.当t2<1mm,更大的模具圆角半径导致更多的壁厚减少量,因为管坯有更大的膨胀量。
内层越厚(t2>1mm),可以产生更大的模具圆角半径,从而可以获得更好的材料分布状况。
从这个结果可以看出,用大的模具圆角半径和后的内层,壁厚减少量将会降低。
发现了两个相互影响的关系,圆管直径和外层与内层厚度之间的关系。
从相互影响图20和21知道,管坯直径变化对厚度减少量的影响依靠外层和内层的厚度值。
较小的t1和t2值,将导致液压成形部件产生比较大的管坯直径对厚度均匀性的影响。
然而,更大的外层和内层的厚度,使管坯直径产生的影响更不重要。
结果,可能得到较少的壁厚减少量,当用较大的管坯直径,而管坯又较厚时。
5.3.3褶皱高度
管坯液压成形中,当一大堆材料用无效率的内压推动,促使材料变成模具的形状,便形成了褶皱,如图22。
从图23看出,褶皱形成主要决定于管坯长度,长管坯有更大的摩擦力,使轴向进给不够,从而形成了较大的褶皱。
用更大的模具圆角或者更大管坯直径,使得材料更好的流动,这能够使大区域内的褶皱分布开,从而降低褶皱高度。
然而,模具圆角和管坯直径对褶皱高度的影响却不大。
发现,管坯厚度的增加,将导致更多材料要通过模具,使得褶皱容易形成。
内层厚度影响和外层相比,不是那么突出。
图24给出了管坯长度和模具圆角之间的相互作用。
从作用图中能够看出,圆角半径对管坯褶皱高度的影响取决于管坯长度值。
当L<128mm,更大的圆角半径使材料更容易成形,降低了褶皱高度的形成;当L>128mm时,小圆角比大的圆角半径,产生更小的褶皱变形,此时摩擦力较大。
另一个管坯长度和管坯直径之间相互影响的关系图见图25,表明管坯直径对褶皱的影响取决于管坯长度L值。
如果,L<134mm,液压成形使用较大的管坯直径,这可以阻止较大褶皱的产生,使材料成形比较容易。
当L>134mm时,小直径管坯比大直径管坯产生较小的褶皱高度。
管坯长度和外层与内层厚度之间的相互关系看出,外层和内层厚度对褶皱高度的影响取决于管坯长度,见图26和图27。
当L<140mm,随着外层管坯厚度的变化,褶皱将变大,但是当管坯长度L>140mm时,厚外层管坯比薄里层管坯产生更少的褶皱。
内层厚度和管坯长度也有相似的关系,见图27,当管坯长度L<119mm,内层厚度增加褶皱则增加,相反,L>119mm时,将产生更小的褶皱。
从图24-图27看出,管坯长度对褶皱几何参数的影响起着非常重要的作用。
图28表明,当液压成形管坯直径D<24mm,厚内层将产生更大褶皱,当直径>24mm,后内层将产生较小的褶皱。
通过以上分析得知,用带有较厚里层的较大的管坯直径或者用带有较薄里层的较小的管坯直径,褶皱高度将减少。
图29表明另一种相互影响关系,里层厚度对褶皱的影响取决于外层厚度值,当t1<0.95mm,用较厚里层,褶皱高度最小,当t1>0.95mm,较厚里层导致更大褶皱。
这很明显,用带有较薄外层的厚里层管坯,产生更小的褶皱。
6.结论
已经得到证明,用有限元分析方法和效应面优化法做实验设计,来研究双层管坯液压成形的几何因子(膨胀高度、壁厚减少和褶皱高度),是一个成功有效的方法。
发现,管坯几何形状对管坯液压成形部件连接点的影响也非常重要。
管坯越短,获得的褶皱和膨胀就越高,增加管坯直径和降低材料厚度,都将增加膨胀高度和壁厚减少量,当然也能确保较少的褶皱高度。
还有,更大的模具圆角的运用,将导致更高的膨胀和更小的褶皱,但是也伴随着壁厚减少量。
如果两层都比较厚,管坯最大直径达到28毫米,关键的壁厚减少量就可以避免了。
如果管坯较短,L=80mm,应该用小管坯厚度来避免较大的褶皱。
鸣谢.
作者感谢Damascus大学为这个研究项目提供资金帮助,还感谢Mr.LiamDomican和Mr.MustafaSajjia提供实用性的帮助工作。
参考文献
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