基于Workbench的管材液壓沖擊成形數(shù)值模擬

佘雨來，廖宏誼，劉建偉，孔陳梅，李玉寒，袁　震

(桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林　541004)

基于Workbench的管材液壓沖擊成形數(shù)值模擬

佘雨來，廖宏誼，劉建偉，孔陳梅，李玉寒，袁震

(桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林541004)

摘要：針對液壓力未知并不能預設時,Dynaform無法實現(xiàn)管材液壓成形過程數(shù)值模擬，提出應用ANSYS Workbench軟件對管材液壓沖擊成形進行瞬態(tài)動力學分析，以得到管材內部壓力隨時間變化的關系曲線的思路，為實現(xiàn)Dynaform分析奠定基礎。同時證明提出的管材液壓沖擊成形工藝可行并具實用價值。

關鍵詞：瞬態(tài)動力學仿真；液壓沖擊成形；Workbench

在汽車、軌道交通和航空、航天等領域，結構輕量化是人們長期追求的目標，也是先進制造技術的發(fā)展趨勢之一。以空心結構代替實心結構、以一體件代替組合件是結構輕量化的有效途徑[1]。因此，基于輕量化和一體化特征開發(fā)的管材液壓成形(tube hydroforming，簡稱THF)技術正獲得快速發(fā)展。管材液壓成形具有成本低、成形零件質量好、節(jié)約材料等優(yōu)點，成為國內外眾多學者研究的熱點[2-4]。

通常，管材液壓成形需通過外部液壓系統(tǒng)對封閉管材內部施加壓力，液壓系統(tǒng)增加成本且結構復雜。為此，提出無液壓系統(tǒng)的管材液壓沖擊成形，其工藝特點是：在管材成形過程中，通過壓力機施加于模具的沖壓力，使密封在管材內部的液體受到壓縮而自適應地形成必要而充分的壓力，在外部合模力和內部液壓力的耦合作用下實現(xiàn)管材的成形。以此可甩掉復雜的液壓系統(tǒng)，從而大幅降低管材成形的成本和周期。

管材液壓成形過程數(shù)值模擬，通常采用Dynaform分析其時間-形變關系，以觀測成形過程中管材結構與尺寸的變化，評價成形效果，但必須事先設定管材內部的壓力值。而液壓沖擊成形工藝的內部液壓力是隨管材形變、液體壓縮而自適應建立的，是一種隨成形過程形成的非預知、非線性變化的壓力。顯然在液壓力未知并不能預設的情況下，Dynaform無法實現(xiàn)管材沖擊成形過程數(shù)值模擬分析，因而獲取管材內部液壓力是解決問題的關鍵。

1分析思路

為解決上述問題，提出一個分析思路：先通過ANSYS Workbench平臺的Transient Structural模塊聯(lián)合外掛的ACT靜壓插件，完成管材液壓沖擊成形過程的瞬態(tài)動力學分析，以得到管材成形中內部壓力隨時間變化的關系。再將其時間-壓力曲線給出的對應時間點的液壓力導入Dynaform，進而完成管材液壓沖擊成形過程的數(shù)值模擬分析。

2瞬態(tài)動力學分析

2.1模型的建立

管材液壓沖擊成形系統(tǒng)的幾何參數(shù)：圓形管材長度為150 mm，直徑為38 mm，壁厚為0.7 mm，兩頭封堵，將長90 mm中段成形為截面邊長為33 mm的正方形。

根據(jù)上述幾何參數(shù)，先用UG創(chuàng)建管材液壓沖擊成形系統(tǒng)的三維模型，包括管材和上、下模，然后將模型文件格式轉換為IGS，再導入Workbench得到瞬態(tài)動力學分析模型，如圖1所示。

2.2材料參數(shù)設置

圖1　管材液壓沖擊成形瞬態(tài)動力學分析模型Fig.1　Transient dynamic analysis model of tube hydraulic shock forming

圖2　304不銹鋼的本構關系曲線Fig.2　Constitutive relation curve of 304 stainless steel

密度/(kg·m3)泊松比彈性模量/GPa屈服強度σs/MPa抗拉強度σb/MPa強度系數(shù)K硬化指數(shù)n79300.2820741065413400.34

2.3連接設置

上、下模選擇Body to ground (general)連接[6]，在Z方向向管材中心運動(見圖3)，管材與上、下模選擇Frictional連接，通過Contact-tool檢測邊界條件設置的正確性。

圖3　連接設置示意圖Fig.3　Schematic diagram of connection setting

2.4ACT插件設置

通過ACT定義管材內為靜態(tài)的液體，符合管材液壓沖擊成形分析的初始條件，設置液體邊界為對稱，且液體區(qū)域壓力中心為管材的對稱中心。圖4為管材加載靜壓圖，設置液體屬性：液體為46#液壓油，溫度為22 ℃，體積模量為700 MPa，加載初始壓力為1 MPa。

圖4　管材加載靜壓圖Fig.4　Static pressure diagram of tube

2.5瞬態(tài)動力學分析

啟動Workbench分析，獲得管材內部在5、10、25、50 mm/s不同成形速度下的時間-壓力曲線如圖5所示。從圖5可看出，合模速度越大，曲線越陡，達到最大管材內部壓力的時間越短。不同成形速度，管材內部壓力最大值基本相同，約為52 MPa。表明管材內部體積改變量一定，最大壓值與合模速度大小無關系。

圖5　管材內部在不同成形速度下的時間-壓力關系Fig.5　Relation between tube pressure and time at different forming velocities

3成形過程數(shù)值模擬分析

將Workbench得到的時間-壓力數(shù)據(jù)導入Dynaform，設置與Workbench一致的邊界條件，運行Dynaform，得到管材液壓沖擊成形數(shù)值模擬結果(見圖6)。從圖6可看出，成形區(qū)表面光滑，均在安全范圍內，沒有出現(xiàn)破裂和起皺，該工藝滿足成形要求。

圖6　管材液壓沖擊成形過程數(shù)值模擬Fig.6　Numerical simulation of tube hydraulic shock forming process

1)在合模方向上的圓角半徑R2可以體現(xiàn)管材的填充性能，R2越小說明管材填充性能越好。圖7為不同成形速度沖擊下的圓角半徑，隨著速度的增加，合模方向上的圓角半徑R2逐漸變小，表明成形速度越快，管材的填充性能越好。

圖7　不同成形速度下的圓角半徑Fig.7　Fillet radius at different forming velocities

2)最小壁厚反映的是在液壓沖擊成形過程中管材發(fā)生破裂的可能，最小壁厚越小，說明減薄越大，發(fā)生破裂的可能性越大。圖8為不同成形速度下最小壁厚和壁厚差。從圖8可看出，成形速度越快，管材獲得的沖擊力越大，管壁減薄量越大，壁厚越不均勻。

圖8　不同成形速度下的最小壁厚和壁厚差Fig.8　The minimum wall thickness and wall thickness difference at different forming velocities

3)圖9為不同成形速度下的管材壁厚分布情況(原始壁厚0.7 mm)。從圖9可看出，當成形速度從5 mm/s增加到50 mm/s，管材壁厚總體減薄量增大，同時壁厚差增大，壁厚分布越不均勻。

圖9　不同沖擊速度下的壁厚分布圖Fig.9　The distribution of wall thickness at different shock velocities

5結束語

針對管材液壓沖擊成形新工藝，通過Workbench的瞬態(tài)動力學分析，解決了Dynaform在成形過程數(shù)值模擬的管材內部液壓力設定問題。模擬結果證明解決問題的思路正確，應用行之有效。模擬結果表明：

1)液壓沖擊成形的管材表面平整，截面尺寸與模具型腔吻合，未出現(xiàn)破裂和起皺，是一種無需外部液壓系統(tǒng)的管材液壓沖擊成形新方法，具有實用價值。

2)不同的成形速度對管材內的最大液壓力無影響，但對管材的成形性能影響明顯。成形速度越快，合模方向的圓角半徑R2越小，表明填充性能越好。同時壁厚總體減薄量增大，壁厚差變大，壁厚分布越不均勻。速度越慢，管材填充性能變差，但管材壁厚分布越均勻。

3)管材液壓沖擊成形的內部液壓力是基于管材形變、液體壓縮而自適應建立的，能否達到所需成形壓力取決于管材形變的大小，也即液體的壓縮比，因此，該工藝的應用必須考慮成形零件變形量是否滿足對液壓力的要求，雖然液壓力在相當范圍內可通過調整液體壓縮比來控制。

參考文獻:

[1]張長財，李曉丹，王銀思，等.管材固體顆粒介質成新工藝實驗研究[D].秦皇島：燕山大學，2006:5-10.

[2]SHAMSI-SARBAND A,ZAHEDIS A,BAKHSHI-JOUYBARI M,et al.Optimization of the pressure path in sheet metal hydroforming[J].Proceedings of Romanian Academy Series A-Mathmatics Physics Technical Science Information Science,2012,13(4):351-359.

[4]李洪洋，苑世劍，王仲仁.液壓擠脹成形工藝在汽車行業(yè)當中的應用[J].模具技術，2001,32(4):7-9.

[5]鄧洋.管材徑壓脹形特點級成形性能研究[D].桂林：桂林電子科技大學，2006:23-24.

[6]李勉，趙玉成，頓文濤，等.基于Workbench的牛頭刨床機構剛柔耦合動力學仿真分析[J].河南大學學報，2014,48(5):623-625.

編輯：翁史振

Dynamics simulation of liquid impact forming based on Workbench

SHE Yulai, LIAO Hongyi, LIU Jianwei, KONG Chenmei, LI Yuhan, YUAN Zhen

(School of Mechatronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

Abstract：When liquid pressure is unknown and cannot be preset, the numerical simulation of the tube liquid impact forming cannot be realized in Dynaform. So the transient dynamic simulation of tube liquid impact forming is done by ANSYS Workbench, the relation between the pipe internal pressure and time is obtained. The basis of tubing analysis in the Dynaform is provided.At the same time, liquid impact forming technology is feasible and practical.

Key words：transient dynamics simulation; liquid impact forming; Workbench

收稿日期：2015-12-16

基金項目：廣西自然科學基金(2013GXNSFBA019245)；廣西教育廳科研項目(KY2015YB095)；廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室開放基金(2014KFMS05)；桂林電子科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃(YJCXS201504)

通信作者：廖宏誼(1954-)，男，廣西桂林人，教授，研究方向為模具技術及標準化。E-mail:635073832@qq.com

中圖分類號：TP305

文獻標志碼：A

文章編號：1673-808X(2016)02-0140-04

引文格式： 佘雨來，廖宏誼，劉建偉，等.基于Workbench的管材液壓沖擊成形數(shù)值模擬[J].桂林電子科技大學學報，2016,36(2):140-143.