基于流—固耦合方法的汽车发动机横梁内高压成形实验与仿真分析

发布时间：2020-10-17 09:51

　　 内高压胀形技术具有成形产品刚度好、质量轻和生产效率高等特点,因此该技术在航天和汽车等领域具有广阔的市场前景。内高压成形的本质是典型的流-固耦合问题,在实际流场与管件进行耦合作用的过程中,其内部流场特性具有一定的复杂性。采用流-固耦合方法研究内高压成形过程较传统的通过向管件内壁施加等效均布载荷的分析方法更具优势。利用流-固耦合方法对汽车发动机横梁内高压成形进行分析,能够将管内流体流速的波动、压力的衰减等复杂的物理现象考虑在内,模拟真实流场载荷下的成形过程,为发动机横梁等汽车复杂异形管类零部件内高压成形技术的实际工程应用提供有力指导。本文采用实验与仿真相结合的方式对汽车发动机横梁内高压成形进行分析研究。首先自行设计并搭建典型充液结构实验测试系统,通过实验与仿真结果的对比验证流-固耦合数值计算方法和模拟液体流动程序的正确性。随后,分别开展了20#钢矩形截面管件无轴向进给的液压胀形实验以及对应工况下基于流-固耦合方法的数值模拟,通过实验与数值计算结果的对比验证了流-固耦合方法在管件内高压成形建模和数值计算的正确性,并分析了典型截面管件内高压成形过程中关键参数对成形质量的影响规律。以此为基础,建立汽车发动机横梁内高压成形流-固耦合有限元模型,拟定主要工艺参数并进行数值模拟,分析不同成形压力、液压加载时间和液压加载路径对成形质量的影响规律。结果表明,随着内压力升高,横梁减薄率增大,当成形压力值达到200 MPa时,横梁已完成贴模,壁厚基本不再发生变化;液压加载时间越久,减薄率会随之下降,当加载时间为2.5 s时,横截面A减薄率降为最低21.0%,成形质量最佳;先缓慢后快速的液压加载方式有助于管件前期材料的流动,从而提高横梁成形壁厚的均匀性,降低壁厚减薄率,改善成形质量。本文通过实验与仿真相结合的方法,完成了基于流-固耦合方法的汽车发动机横梁内高压成形研究,为发动机横梁内高压成形技术的工程应用提供了指导和参考。
【学位单位】：广西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U464
【部分图文】：

内高压成形技术及流-固耦合方法 内高压成形技术概况内高压成形（Internal High Pressure Forming, 简称 IHPF）是制造空心变截件和钣金件整体成形的主流工艺之一[11]。具有降低结构质量、节省材料、和零件数量、提高材料使用率、降低生产成本和提升产品刚度与强度等内高压成形过程技术原理如图 1-2 所示，为了能够将管件更好的放入预成，金属板卷管件经过弯管工艺加工成初步具备外形结构的弯管。对于技术形截面管件首先需进行第一步的预成形处理，其目的是有助于提高产品的量。将预成形后的管件放入具有产品结构的模具型腔中，持续向管内注入，同时在管件两端沿轴向施加推力进行轴向补料，在内压力和轴向推力的下，管件发生塑性变形并与模具内壁贴合，胀形为所要求截面尺寸的产品内高压成形后的零部件进行冲孔、裁边等加工处理，得到最终产品零部件

管坯在液体介质的作用下发生形变并与模具内壁贴合，从而成形出所件的加工工艺。作为能够从技术层面有效降低汽车金属结构件质量的途管件内高压胀形技术在汽车、机械和航空领域得到了广泛的应用[14]。如图 1-3 汽车排气系统在传统冲压焊接工艺和内高压成形工艺下的对比图可以看出，与传统的冲压焊接排气系统相比，采用内高压成形技术的排气件不仅可以减少焊接和裁边带来的自身重量的增加和材料的浪费；由于一可降低零部件的应力集中，因此还能够有效提高刚度和强度，尤其是产品度；在产品质量上，内高压成形技术能够提高汽车零部件的成形精度，同续进行零件装配过程中的误差；在汽车排气系统的内高压成形过程中，所部件被整体成形件取代，因而成形模具数量更少，生产成本得到降低。通成形技术可以制备各式各样的结构尺寸灵活的排气系统零部件，如图 1-4不同车型下的汽车排气系统结构件，采用内高压技术使得复杂异形中空结排气系统的生产成为可能，为汽车产业的创新和发展提供了空间，光滑的不仅提升了产品的美观性，其内部流体的流动特性也将得到改善[15]。

部件被整体成形件取代，因而成形模具数量更少，生产成本得到降低。通成形技术可以制备各式各样的结构尺寸灵活的排气系统零部件，如图 1-4不同车型下的汽车排气系统结构件，采用内高压技术使得复杂异形中空结排气系统的生产成为可能，为汽车产业的创新和发展提供了空间，光滑的不仅提升了产品的美观性，其内部流体的流动特性也将得到改善[15]。(a) 冲压焊接工艺 (b) 内高压成形工艺(a) Stamping process (b) Tube hydroforming process图 1-3 排气系统在不同工艺下对比Figure 1-3 Comparation of the exhaust system under different processes
【参考文献】

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本文编号：2844624