分布式位移加载拉伸成形中的缺陷研究及加载轨迹优化

发布时间：2017-10-09 00:00

  本文关键词：分布式位移加载拉伸成形中的缺陷研究及加载轨迹优化

  更多相关文章： 拉伸成形 数值模拟 轨迹优化 起皱 拉裂 变形均匀性 成形精度

【摘要】：制造业作为国民经济的脊梁,其技术水平的高低是衡量一个国家综合国力的重要标志。在航空工业中,蒙皮件作为最常用的金属板类件,其主要加工方式是拉伸成形。近年来,随着消费者对产品性能和个性化的追求,对成形件的表面质量及精度要求不断提高,迫切需要拉伸成形技术向高效、柔性化趋势发展。而传统的拉伸成形工艺采用整体夹钳,在复杂形状曲面成形过程中容易出现起皱、拉裂等缺陷,并且获取成形件的变形均匀性较差,成形精度不高。分布式位移加载拉伸成形是一种新型的三维曲面件成形方法,将载荷施加于板料两端的一系列加载点上,通过合理设计离散加载点的轨迹,使被夹持端板料可随模具型面不断变化,在过渡区长度较小的情况下,获取比较理想的成形结果,减小工艺余料。本文采用数值模拟方法,分别从板料起皱、拉裂、变形均匀性及成形精度等方面,对传统拉伸成形以及分布式位移加载拉伸成形进行对比分析,并对拉伸成形曲面精度进行实验验证。本文的主要研究内容和结论如下:1.分析了传统拉伸成形和分布式位移加载拉伸成形的特点及板料的变形过程。采用ABAQUS软件建立有限元模型,成形板的材料模型,并介绍了模拟中各部件之间的接触设置,以及边界处理。探讨了传统拉形中,不同过渡区长度对应板料的贴模状态,表明增长过渡区可使板料更好的与模具贴合。采用有限元模拟的方法,对两种不同成形方法中,板料的起皱、拉裂缺陷进行分析。得出传统的拉伸成形中,由于刚性的夹持方式,板料容易出现应力集中,产生拉裂,并且板料贴模困难区域容易产生起皱缺陷。分布式位移加载拉形中,加载点轨迹可单独控制,当设计不合理时,会产生与传统拉形同样的缺陷,甚至获得更差的成形效果。另外,对分布式位移加载成形曲面过程进行分析,探讨板料宽度对纵向应变的影响,给出了加载轨迹设计的依据。对于任意目标曲面给出各离散点加载位移量的解析表达式。为对比传统拉伸成形方法与分布式位移加载拉伸成形方法及不同加载轨迹,对应的板料拉裂、起皱、变形均匀性以及II成形精度,分别设计了四种不同的加载模式。2.对拉伸板料分散性和集中性失稳理论进行探讨,并给出不同条件下,产生拉伸失稳时的应变。研究了板料厚向异性对拉伸变形稳定性的影响,并给出塑性应力应变关系以及产生失稳时的应变,最终得到理论计算的成形极限图。基于对板料成形性能的数值模拟研究,给出通过模拟获得的成形极限图。对板料变形中的破裂过程进行研究,确定成形件的破裂危险区域。提取不同成形方法获取曲面件,破裂危险区的应变,分析距离破裂的安全裕度。结果表明,采用分布式位移加载拉形中的最小伸长量以及变位移加载模式,可以有效的抑制拉裂缺陷的产生,体现出比传统加载模式和等伸长量加载模式更好的成形性能。另外,对比了采用同种加载模式成形不同曲率曲面时,板料的拉裂趋势,表明曲率越大板料拉裂的概率相对较大。因此,在实际生产中,需要选择合适的加载轨迹,有效的避免拉裂缺陷。3.对板料压缩失稳理论进行研究,给出产生起皱缺陷的判别条件。以正高斯曲率曲面和负高斯曲率曲面为例,对传统拉伸成形以及分布式位移加载拉伸成形中,板料的贴模过程进行对比分析。分别对不同的拉伸成形方法获取的球形及鞍形件的起皱过程及横向压应力分布进行研究,最终得出:分布式位移加载拉伸成形中,可通过合理设计加载轨迹,控制板料的变形过程,减小横向压应力,避免产生压缩失稳,从而达到抑制起皱缺陷产生的作用。4.基于对四种不同加载轨迹成形板料变形均匀性以及成形精度的数值模拟研究,发现传统加载模式成形曲面变形均匀性较差,成形误差大;采用变位移加载模式成形板料变形均匀性以及成形精度较好。对不同离散加载点数量成形的鞍形件以及球形件的变形均匀性进行探讨,表明离散加载点数量越多,板料的变形越均匀。以板料变形均匀性及成形精度为考察指标,采用正交试验的方法对加载轨迹进行优化设计,并验证了优化结果的正确性。5.具体介绍了三维曲面测量设备,给出了曲面测量的具体流程,并分析曲面测量过程中需注意的问题。采用变位移加载模式,成形了不同种类的曲面件,实验件表面均比较光滑,没有产生起皱缺陷。利用便携式三维测量仪对实验件形状进行扫描,并进行误差分析。结果表明,在分布式位移加载拉形中,当加载轨迹设计比较合理时,成形不同曲面时均可表现出较高的精度,验证了该成形方法的稳定性及可靠性。
【关键词】：拉伸成形 数值模拟 轨迹优化 起皱 拉裂 变形均匀性 成形精度
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V261
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 基于离散化方式成形三维曲面的研究现状14-18
• 1.2.1 多点成形14
• 1.2.2 基于成形工具离散化的曲面辊弯成形14-17
• 1.2.3 基于多点控制可弯辊的曲面连续辊压成形17-18
• 1.3 三维曲面拉伸成形技术研究现状18-26
• 1.3.1 传统拉伸成形18-20
• 1.3.2 拉伸成形工具离散化的研究20-25
• 1.3.3 分布式位移加载拉伸成形25-26
• 1.4 选题意义及主要的研究内容26-28
• 1.4.1 选题意义26-27
• 1.4.2 主要研究内容27-28
• 1.5 小结28-29
• 第二章 拉伸成形缺陷及加载轨迹设计29-51
• 2.1 引言29
• 2.2 传统拉形工艺29-30
• 2.3 分布式位移加载拉伸成形30-31
• 2.4 拉伸成形工艺有限元模型31-35
• 2.4.1 有限元模型建立31-32
• 2.4.2 板料的材料模型32-33
• 2.4.3 接触及边界处理33-35
• 2.5 拉伸成形中的主要问题35-42
• 2.5.1 成形误差35-37
• 2.5.2 拉伸成形中的起皱37-39
• 2.5.3 拉伸成形中的开裂39-42
• 2.6 加载轨迹设计42-45
• 2.7 四种典型的位移加载模式45-49
• 2.7.1 传统的加载模式(LT-1)46-47
• 2.7.2 等伸长量加载模式(LT-2)47
• 2.7.3 最小伸长量加载模式(LT-3)47-48
• 2.7.4 变位移加载模式(LT-4)48-49
• 2.8 小结49-51
• 第三章 拉伸成形中的开裂及加载模式的影响51-71
• 3.1 引言51
• 3.2 板料塑性变形失稳理论51-56
• 3.2.1 分散性失稳理论51-54
• 3.2.2 集中性失稳理论54-55
• 3.2.3 厚向异性对拉伸变形稳定性的影响55-56
• 3.3 板料成形性能的获取56-61
• 3.3.1 实验材料参数57
• 3.3.2 杯突试验仿真模型57-58
• 3.3.3 成形极限曲线获取方案58-59
• 3.3.4 成形极限图59-61
• 3.4 材料损伤及开裂失效模型61-63
• 3.5 不同加载轨迹拉伸成形中的开裂缺陷分析63-69
• 3.5.1 成形曲面破裂过程及位置63-66
• 3.5.2 不同加载模式下的拉伸成形性66-67
• 3.5.3 不同曲率曲面产生拉裂的趋势分析67-69
• 3.6 小结69-71
• 第四章 拉伸成形中的起皱及加载模式的影响71-87
• 4.1 引言71
• 4.2 失稳起皱的产生及临界判别条件71-72
• 4.3 传统拉形与分布式位移加载拉形中曲面贴模的对比分析72-75
• 4.3.1 传统拉伸成形贴模过程73-74
• 4.3.2 分布式位移加载拉伸成形贴模过程74-75
• 4.4 不同加载轨迹拉形中的起皱分析75-82
• 4.4.1 两种典型的曲面及有限元模型75-77
• 4.4.2 球形件起皱过程77-80
• 4.4.3 鞍形件起皱过程80-82
• 4.5 不同加载轨迹成形板料横向压应力分析82-85
• 4.5.1 球形件横向压应力分布82-84
• 4.5.2 鞍形件横向压应力分布84-85
• 4.6 小结85-87
• 第五章 分布式位移加载拉伸成形中的变形均匀性87-99
• 5.1 引言87
• 5.2 加载轨迹对变形均匀性的影响87-93
• 5.2.1 纵向应变分布88-90
• 5.2.2 纵向应力分布90-91
• 5.2.3 厚度分布91-93
• 5.3 加载轨迹对成形精度的影响93-94
• 5.4 离散加载点数量对变形均匀性的影响94-97
• 5.5 小结97-99
• 第六章 基于正交试验方法的加载轨迹优化设计99-111
• 6.1 引言99
• 6.2 正交试验设计99-100
• 6.3 决定加载轨迹的主要因素100
• 6.4 正交试验优化设计100-102
• 6.4.1 试验因素水平确定101
• 6.4.2 考察指标101
• 6.4.3 正交试验方案设计101-102
• 6.5 试验结果及优化分析102-109
• 6.5.1 应变变化趋势分析102-103
• 6.5.2 厚度减薄量对比分析103-104
• 6.5.3 成形误差分析104-106
• 6.5.4 最优结果验证106-109
• 6.6 小结109-111
• 第七章 拉伸成形实验件的曲面测量111-123
• 7.1 引言111
• 7.2 拉伸成形实验111-112
• 7.2.1 拉伸成形过程111
• 7.2.2 成形实验件111-112
• 7.3 曲面测量实验112-117
• 7.3.1 曲面测量设备112-113
• 7.3.2 动态自动校准过程113-115
• 7.3.3 曲面扫描过程115-117
• 7.4 实验件误差分析117-121
• 7.4.1 成形曲面误差分布117-119
• 7.4.2 实验件截面误差119-121
• 7.5 小结121-123
• 第八章 结论123-125
• 参考文献125-139
• 攻读博士学位期间发表学术论文及主要成果139-141
• 致谢141

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本文编号：996978