基于PAM-STAMP的進(jìn)油管成形有限元分析

中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 蔣佳華 黃樂(lè) 李松 王帥

航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力總管的進(jìn)油管結(jié)構(gòu)較為特殊，發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管成形時(shí)由于受設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料等因素影響，常常產(chǎn)生難以成形、加工質(zhì)量較差等問(wèn)題。本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃油總管的進(jìn)油管為例，借助專業(yè)金屬板料成形的有限元模擬分析軟件PAMSTAMP，對(duì)其彎曲成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)軟件計(jì)算得到的成形結(jié)果進(jìn)行分析，為實(shí)際加工工藝的制定和模具的設(shè)計(jì)提供了重要的指導(dǎo)。

一、引言

導(dǎo)管彎曲成形是管子完成所需形狀尺寸的二次塑性加工，是一種典型的材料非線性、幾何非線性、邊界條件非線性的多重非線性耦合變形，其彎曲過(guò)程屬于三維非穩(wěn)定變形。彎曲時(shí)管子大部分形面為無(wú)約束自由表面，沿彎曲半徑方向材料中斷而失去相互約束和支撐，材料流動(dòng)變形易于形成壁厚減薄、波紋度超差及圓度超差等彎曲缺陷。加力總管的成形質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)裝配質(zhì)量以及使用性能。以某型加力總管的進(jìn)油管為例，利用專業(yè)金屬板料成形的有限元模擬分析軟件PAM-STAMP對(duì)其彎曲成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以得到工藝可行性、工裝可行性以及成形危險(xiǎn)區(qū)域等結(jié)果，為后續(xù)的工藝制定提供了重要的指導(dǎo)作用。

二、有限元仿真分析在導(dǎo)管彎曲中的應(yīng)用

采用傳統(tǒng)的導(dǎo)管彎曲成形工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，或根據(jù)簡(jiǎn)單的成形極限規(guī)則能夠預(yù)估彎管生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題如管子拉裂、褶皺、圓度超差和回彈等，但此類質(zhì)量問(wèn)題是否發(fā)生、何時(shí)發(fā)生或發(fā)生程度等都需要大量的重復(fù)實(shí)操實(shí)測(cè)得來(lái)。但這樣不僅導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，還導(dǎo)致大量廢品產(chǎn)生，造成不必要的成本浪費(fèi)。

目前，在導(dǎo)管成形工藝的評(píng)審編制階段引入有限元仿真分析技術(shù)，可以快速地模擬分析出成形過(guò)程中可能發(fā)生的缺陷，通過(guò)將分析結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，可以合理有效地調(diào)整工藝參數(shù)和成形條件以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，從而很大程度上減少模具調(diào)試和產(chǎn)品試制周期，不僅節(jié)約了大量的開發(fā)成本，也更符合現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)發(fā)展的需求，隨著導(dǎo)管彎曲理論研究的不斷深入，以及各種仿真軟件中彎管成形模塊的建立，導(dǎo)管彎曲成形的仿真精度也越來(lái)越高。有限元仿真技術(shù)已經(jīng)嵌入到彎管零件的前期開發(fā)和后期改進(jìn)中，對(duì)彎管類零件的生產(chǎn)制造工藝發(fā)揮著越來(lái)越重要的輔助分析和指導(dǎo)作用。

三、進(jìn)油管的成形特點(diǎn)分析

進(jìn)油管位于加力筒體內(nèi)，是連接加力泵與加力總管的重要零件。為了提高進(jìn)油的穩(wěn)定性以及后續(xù)的使用強(qiáng)度，進(jìn)油管必須具有良好的圓度以及力學(xué)強(qiáng)度。

進(jìn)油管的成形工藝特點(diǎn)：（1）兩個(gè)折彎半徑不一致，分別為40mm、60mm，如圖1所示。（2）兩個(gè)折彎連續(xù)相切，折彎之間無(wú)直線段。基于以上成形特點(diǎn)，傳統(tǒng)的彎曲手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此需要開發(fā)專用模具進(jìn)行制造。

四、工藝方案的制定

該進(jìn)油管導(dǎo)管外徑尺寸為Φ14mm，壁厚為1.1mm，材料牌號(hào)為GH536，使用伊頓公司的數(shù)控彎管機(jī)VB25進(jìn)行彎曲，工藝流程為首先對(duì)折彎半徑40mm，圓心角度61°28’的折彎進(jìn)行彎曲。再重新裝夾，對(duì)折彎半徑60mm，圓心角度為71°28’的折彎進(jìn)行彎曲。

圖1

根據(jù)成形順序及零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合彎曲順序以及半成品狀態(tài)，設(shè)計(jì)了兩套數(shù)控彎模，使用UG軟件對(duì)工裝進(jìn)行建模如圖2、圖3所示。

圖2

使用圖2所示結(jié)構(gòu)彎模對(duì)第一個(gè)折彎進(jìn)行彎曲，再使用圖3所示結(jié)構(gòu)彎模對(duì)第二個(gè)折彎進(jìn)行彎曲。

圖3

五、彎曲成形仿真模擬

1.模型的導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分

在完成了模具及直管料的創(chuàng)建后，將模型從UG中以IGS格式導(dǎo)出，導(dǎo)出時(shí)注意坐標(biāo)系的選定。

在PAM-STAMP中將模具模型及導(dǎo)管模型分開導(dǎo)入。網(wǎng)格劃分是有限元分析過(guò)程極其重要的環(huán)節(jié)，合理控制網(wǎng)格密度是合理劃分網(wǎng)格的關(guān)鍵，劃分的網(wǎng)格越密，計(jì)算結(jié)果的精度就越高，但也同時(shí)會(huì)增加計(jì)算時(shí)間。這本例中，網(wǎng)格劃分時(shí)模具網(wǎng)格比例系數(shù)設(shè)定為0.5，直管料的比例系數(shù)設(shè)定為0.1，管子網(wǎng)格最大自適應(yīng)劃分系數(shù)為2。如圖4、圖5所示。

圖4

圖5

2.精確成形模擬

彎曲過(guò)程采用回轉(zhuǎn)牽引彎曲方式。摩擦條件對(duì)導(dǎo)管彎曲工藝具有重要的影響，因此在仿真過(guò)程中有必要引入合理的摩擦模型，在導(dǎo)管成形過(guò)程中，各模具與導(dǎo)管管胚的接觸主要有以下幾種：導(dǎo)管-彎模、導(dǎo)管-鉗夾、導(dǎo)管-壓力模等。在本例中將導(dǎo)管與模具之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。

有限元仿真模型中的邊界條件主要為約束，約束模型保持固定不變即為零位移，或非零位移時(shí)僅能移動(dòng)規(guī)定量的位移，在導(dǎo)管彎曲成形里，管子實(shí)際完全處于自由狀態(tài)，約束均定義在模具上，有限元模型中各模具的運(yùn)動(dòng)方式要依據(jù)實(shí)際彎曲加工時(shí)進(jìn)行設(shè)置。其中，彎模只具有圍繞彎曲旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，具有一定的旋轉(zhuǎn)速度。鉗夾在加工時(shí)與彎模保持一致，即隨著彎模一起旋轉(zhuǎn)。壓力模在只進(jìn)行壓緊時(shí)，不具有任何自由度，但當(dāng)其具有助推作用時(shí)，應(yīng)具有助推一側(cè)的運(yùn)動(dòng)自由度，并具有一定的助推速度。需要特殊注意的是，不管彎模、鉗夾的旋轉(zhuǎn)角速度還是壓模的助推移動(dòng)速度，都應(yīng)盡量使用參數(shù)曲線進(jìn)行定義，以便保證在速度加載過(guò)程中不會(huì)發(fā)生慣性效應(yīng)。

在本例中我們參照伊頓公司的VB25型數(shù)控彎管機(jī)的實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)結(jié)合以往的彎曲成形過(guò)程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)PAMSTAMP內(nèi)相對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行賦值，將彎模、鉗夾的回轉(zhuǎn)速度設(shè)定為0.124rad/s，壓力模移動(dòng)速度設(shè)定為4mm/s。成形過(guò)程分為兩個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)折彎半徑40mm，圓心角度61°28’以及對(duì)折彎半徑60mm，圓心角度為71°28’的兩個(gè)成形過(guò)程，如圖6所示。

圖6

使用求解器對(duì)彎曲過(guò)程進(jìn)行求解，本例使用PAMAUTOSTAMP顯示算法求解器，能夠提供在實(shí)際工業(yè)環(huán)境下，如考慮重力影響、壓料過(guò)程、多步成形、各種拉延、切邊、翻邊和回彈等復(fù)雜情況下可視化的沖壓成形模擬。能夠提供非常精確的成形結(jié)果，幫助技術(shù)人員在公差范圍內(nèi)對(duì)模具進(jìn)行全面質(zhì)量控制，有效地解決了昂貴而又耗時(shí)的修模調(diào)試時(shí)間。

而在成形分析中我們一般選用罰函數(shù)接觸算法，該方法在成形模擬中是最為有效、最為穩(wěn)定的接觸問(wèn)題處理方法，具有允許初始穿透、能夠適應(yīng)模具網(wǎng)格質(zhì)量低等特點(diǎn)。

3.仿真結(jié)果分析

使用求解器對(duì)彎曲過(guò)程進(jìn)行求解，求解后分別得到兩個(gè)過(guò)程的仿真結(jié)果。通過(guò)軟件的后處理分析功能，我們可以很方便地得到導(dǎo)管形變后彎曲部位的圓度值、彎曲部位的壁厚減薄情況，以及應(yīng)力、應(yīng)變等物理量的變化情況。通過(guò)分析我們可得，在完成第一個(gè)折彎（折彎半徑40mm，圓心角度61°28’）后，導(dǎo)管的圓度值為0.45mm，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（不大于0.75）如圖7所示。

圖7

從壁厚變化分布云圖我們可以查知導(dǎo)管背側(cè)壁厚減薄量為0.08mm，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（不大于壁厚值的20%）如圖8所示。對(duì)管子截面進(jìn)行剖視后，未見可測(cè)量褶皺產(chǎn)生，彎曲內(nèi)側(cè)過(guò)渡光滑，未產(chǎn)生褶皺堆積，波紋度合格，如圖9所示。

圖8

圖9

依據(jù)以上分析結(jié)果，我們可得第一個(gè)折彎彎曲后，管子三項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均合格。

對(duì)第二個(gè)折彎進(jìn)行同樣的三項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析。第二處折彎圓度值為0.25mm，壁厚減薄量最大值為0.8mm如圖10所示，剖視圖未見可測(cè)量褶皺產(chǎn)生，彎曲內(nèi)側(cè)過(guò)渡光滑。

通過(guò)對(duì)成形極限圖進(jìn)行分析可知，整根導(dǎo)管均處在安全區(qū)域內(nèi)如圖11所示。

圖10

圖11

六、結(jié)語(yǔ)

從以上的仿真結(jié)果分析我們可得出結(jié)論，對(duì)于該型進(jìn)油管，采用特殊結(jié)構(gòu)的成套數(shù)控彎模進(jìn)行分步數(shù)控彎曲，能夠滿足彎曲要求，其各項(xiàng)質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容均符合相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)的模具設(shè)計(jì)可按仿真時(shí)的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造。相應(yīng)的工藝內(nèi)容參數(shù)亦可參照前處理設(shè)置的參數(shù)。

目前，我國(guó)的航空產(chǎn)品研制、批產(chǎn)周期不斷地縮短，這就需要相關(guān)的設(shè)計(jì)人員、工藝人員對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題做出快速的反應(yīng)，這也突顯了有限元分析技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)階段的重要作用。通過(guò)采用有限元分析法在對(duì)零件成形的工藝進(jìn)行評(píng)判，來(lái)提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)、工藝人員能夠快速準(zhǔn)確地敲定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及工藝制造方案，也能夠地縮短工裝調(diào)試、零件試制周期，進(jìn)而有效地提高工藝穩(wěn)定性、降低生產(chǎn)成本。

利用有限元分析法可以有效地解決導(dǎo)管彎曲變形中的各種復(fù)雜問(wèn)題，但其依托的導(dǎo)管彎曲理論仍發(fā)展緩慢，只有完善相應(yīng)的工程理論才能將有限元分析法在彎曲模擬中發(fā)揮到極致。