管材壁厚對(duì)雙直徑圓管吸能元件成形與自由翻轉(zhuǎn)的影響

王陶+雷君相+彭彥君+高文靜+郭豐偉

摘要： 利用ABAQUS 6.14軟件模擬了在不同壁厚下，材料為20鋼雙直徑圓管吸能元件的液壓脹形、折疊和自由翻轉(zhuǎn)的過(guò)程.并分析了不同壁厚下液壓脹形與折疊后的壁厚分布，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮翻轉(zhuǎn)變形模式以及準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)翻轉(zhuǎn)力與翻轉(zhuǎn)半徑與推導(dǎo)公式之間的關(guān)系.結(jié)果表明：壁厚減薄程度與管材初始壁厚大小有關(guān)；20鋼雙直徑圓管成形后發(fā)生軸向壓縮時(shí)其自由翻轉(zhuǎn)的模式多為內(nèi)管外翻；推導(dǎo)的翻轉(zhuǎn)力與翻轉(zhuǎn)半徑理論公式與實(shí)際測(cè)得翻轉(zhuǎn)力與翻轉(zhuǎn)半徑的結(jié)果比較吻合.

關(guān)鍵詞： 液壓脹形與折疊； 雙直徑圓管； 翻轉(zhuǎn)力； 翻轉(zhuǎn)半徑

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 386文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Influence of Tube Thickness on the Forming and Free

Inversion of Energy Absorption of Double Diameter Tube

WANG Tao，LEI Junxiang，PENG Yanjun，GAO Wenjing，GUO Fengwei

（School of Materials Science & Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Using ABAQUS 6.14 software to simulate the process of hydraulic forming and folding and free inversion of the original 20 steel double diameter tube with different thickness.The relationship between the thickness distribution of the hydraulic forming and folding，the mode of quasistatic compression deformation and the relationship between the inversion force and the inversion radius of the quasistatic compression and the formula are analyzed.The results show that the tube thickness reduction is related to the degree of initial tube thickness.The mode of selfreversal in the axial compression of 20pipe doublediameter pipe is mostly inner tube valgus.The theoretical formula of the reversal force and the turning radius is consistent with the actual measured turning force and the turning radius.

Keywords： hydraulic forming and folding； double diameter tube； inversion force； inversion radius

近年來(lái)，隨著公共安全的保護(hù)得到越來(lái)越多的關(guān)注，人們加強(qiáng)了關(guān)于結(jié)構(gòu)耐撞性和能量吸收裝置的研究[1-2].雙直徑圓管作為一種有效吸能元件，能夠?qū)崿F(xiàn)載荷最為穩(wěn)定的目的[3]，因而國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究也越來(lái)越多[4].

利用內(nèi)高壓成形技術(shù)[5]，制備出合格的雙直徑圓管吸能元件.雙直徑圓管自由翻卷能量吸收結(jié)構(gòu)載荷恒定平穩(wěn)，成為材料和結(jié)構(gòu)的能量吸收中最理想的能量吸收結(jié)構(gòu)[6-7].在對(duì)雙直徑圓管施加準(zhǔn)靜態(tài)載荷時(shí)，在圓角變形區(qū)自由翻轉(zhuǎn)時(shí)的3種主要有效變形模式：雙直徑圓管內(nèi)管外翻、雙直徑圓管外管內(nèi)翻和雙直徑圓管內(nèi)管外翻與外管內(nèi)翻復(fù)合[8-9].翻轉(zhuǎn)力隨著軸向位移的不斷增加而增大，逐漸趨向于穩(wěn)定[10].

本文通過(guò)對(duì)雙直徑圓管吸能元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模擬20鋼管材在不同壁厚下液壓脹形與折疊過(guò)程，分析影響管材壁厚減薄與初始壁厚的關(guān)系.不同壁厚下，模擬20鋼雙直徑圓管的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程.對(duì)比分析各自載荷位移曲線及其自由翻轉(zhuǎn)模式.最后對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)翻轉(zhuǎn)力、翻轉(zhuǎn)半徑與推導(dǎo)公式之間的關(guān)系進(jìn)行分析.

1有限元模擬

第3期王陶，等：管材壁厚對(duì)雙直徑圓管吸能元件成形與自由翻轉(zhuǎn)的影響有 色 金 屬 材 料 與 工 程2017年 第38卷1.1成形過(guò)程建模

在ABAQUS 6.14軟件上建立三維有限元，模擬模型見(jiàn)圖1，沖頭和模具型腔幾何形狀為三維殼體，類(lèi)型為剛體，管坯為三維變形體.管坯劃分采用六面體（Hex）單元，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù).為了觀察圓角處的變形，將管坯劃分為3層.沖頭和模具型腔為剛體，不需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格.管坯和模具型腔之間摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.1；管坯與沖頭之間為無(wú)摩擦接觸.利用ABAQUS 6.14軟件分別對(duì)壁厚t為1.2，1.4，1.6和1.8 mm的20無(wú)縫鋼管的雙直徑圓管進(jìn)行模擬液壓脹形與折疊過(guò)程.成形后的雙直徑圓管零件需要滿(mǎn)足壁厚減薄率小、變形區(qū)足長(zhǎng)以及成形區(qū)壁厚分布均勻的條件，方能稱(chēng)作合格的雙直徑圓管零件，見(jiàn)圖2.雙直徑圓管吸能元件液壓脹形與折疊在一副模具中完成且能一次成形出兩個(gè)管件.材料參數(shù)見(jiàn)表1.

1.2液壓脹形與折疊和自由翻轉(zhuǎn)過(guò)程模擬

根據(jù)圖3中液壓加載路徑以及成形區(qū)間圖對(duì)壁厚t為1.2，1.4，1.6和1.8 mm的20無(wú)縫鋼管的雙直徑圓管進(jìn)行模擬液壓脹形與折疊過(guò)程.對(duì)成形后合格的雙直徑圓管，分別模擬不同壁厚下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程.

2模擬結(jié)果分析

2.1成形零件壁厚分布比較

管材在液壓脹形與折疊過(guò)程中壁厚的減薄，對(duì)雙直徑圓管的自由翻轉(zhuǎn)過(guò)程影響較大.最大減薄率是判斷該零件成形是否合格的重要標(biāo)準(zhǔn)[11].最大減薄率：

ε=δ0-δδ0（1）

式中：δ0為管材初始壁厚；δ為成形后最小壁厚.

利用ABAQUS 6.14軟件的后處理模塊，模擬不同壁厚下管材液壓脹形與折疊成形后的零件壁厚分布，如圖4所示.從圖4中可以看出，最大壁厚減薄處均發(fā)生在外翻圓角“S”型過(guò)渡區(qū)處.4種不同壁厚下最大增厚處在管材兩端，出現(xiàn)的原因是沖頭在軸向進(jìn)給的時(shí)候，兩端受到擠壓造成鐓粗所致.初始壁厚為1.8 mm的雙直徑圓管最大減薄率為13.48%，初始壁厚為1.2 mm的雙直徑圓管最大減薄率為19.88%；初始壁厚為1.4 mm與1.6 mm的雙直徑圓管最大減薄率初始壁厚為1.2～1.8 mm.從整體來(lái)看，4種不同初始壁厚管材的壁厚減薄的變化相對(duì)比較均勻，滿(mǎn)足成形質(zhì)量要求.

影響壁厚減薄的因素有很多，除了與管材自身的材料力學(xué)性能有關(guān)，還與管材與模具之間的摩擦、模具圓角半徑以及液壓脹形與折疊過(guò)程中材料的補(bǔ)充速度有關(guān).本次試驗(yàn)中，模具的圓角半徑對(duì)壁厚的模擬過(guò)程的影響較大.模具圓角半徑的尺寸直接影響管材在液壓脹形與折疊過(guò)程中的材料的流動(dòng)性，進(jìn)而影響壁厚的減薄率以及壁厚的均勻度，同時(shí)合適的圓角半徑能夠減小加工硬化帶來(lái)的不利影響.此次模擬過(guò)程中，模具圓角半徑為3 mm，通過(guò)合理控制液壓力與軸向進(jìn)給量來(lái)控制材料的補(bǔ)充速度，可以控制雙直徑圓管在成形過(guò)程中避免變形區(qū)出現(xiàn)起皺、屈曲和破裂的失效現(xiàn)象，進(jìn)而控制壁厚減薄率，管壁厚更為均勻，提高成形合格率.

2.2自由翻轉(zhuǎn)模式與翻轉(zhuǎn)載荷模擬結(jié)果分析

液壓脹形與折疊后，對(duì)4種不同壁厚的雙直徑圓管進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形模擬，壓縮變形的翻轉(zhuǎn)載荷位移曲線如圖5所示.

從圖5中可以看出，4種不同初始壁厚的雙直徑圓管在發(fā)生壓縮變形時(shí)，4種雙直徑圓管均能達(dá)到載荷穩(wěn)定階段.初始壁厚為1.8 mm的雙直徑圓管自由翻轉(zhuǎn)載荷上升幅度較快，載荷相對(duì)平穩(wěn)，承受的翻轉(zhuǎn)載荷相對(duì)較大.初始壁厚為1.2 mm的雙直徑圓管自由翻轉(zhuǎn)載荷在趨于平穩(wěn)過(guò)程中存在一定的波動(dòng)，達(dá)到載荷穩(wěn)定時(shí)的行程相對(duì)較長(zhǎng).初始壁厚為1.4 mm與1.6 mm的雙直徑圓管自由翻轉(zhuǎn)載荷狀態(tài)介于初始壁厚1.2～1.8 mm.

影響翻轉(zhuǎn)載荷的穩(wěn)定因素有很多，除了材料的性能，還與成形后雙直徑圓管內(nèi)外管的壁厚有關(guān).由于內(nèi)外管壁厚直接影響雙直徑圓管軸向壓縮變形模式，進(jìn)而影響翻轉(zhuǎn)載荷的平穩(wěn).初始壁厚為1.8 mm的雙直徑圓管外管減薄相對(duì)較少，受材料加工硬化的影響較大，外管不容易變形，屈服應(yīng)力增大，內(nèi)管向外翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)比較大，故翻轉(zhuǎn)模式以?xún)?nèi)管外翻為主，載荷較為穩(wěn)定.初始壁厚為1.2 mm的雙直徑圓管外管壁厚相對(duì)較大，外管有向內(nèi)翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，但加工硬化的影響仍存在，故在到達(dá)載荷穩(wěn)定階段會(huì)出現(xiàn)一段波動(dòng)，翻轉(zhuǎn)模式會(huì)出現(xiàn)小段內(nèi)管外翻的階段，但仍然以?xún)?nèi)管外翻為主要翻轉(zhuǎn)模式.初始壁厚為1.4 mm與1.6 mm的雙直徑圓管自由翻轉(zhuǎn)的模式也以?xún)?nèi)管外翻為主，承受載荷穩(wěn)定.

由文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)的雙直徑圓管自由翻轉(zhuǎn)吸能元件發(fā)生內(nèi)管外翻時(shí)的翻轉(zhuǎn)力公式以及翻轉(zhuǎn)半徑公式[12]為：

P=πdtβS—ln1+2rdd+tt+2rdKd（2）

r=d2KdKdtd+34td2-t2d（3）

式中：β與材料的本構(gòu)關(guān)系有關(guān)，各向異性時(shí)，β=2（1+rd）1+2rd；S—為材料的冪指強(qiáng)化系數(shù)；d為內(nèi)管外徑；Kd為內(nèi)管外翻系數(shù)，Kd=ln1+4rdd.

結(jié)合雙直徑圓管的尺寸，得出4種壁厚雙直徑圓管準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的模擬結(jié)果和理論結(jié)果，如表2所示.

初始壁厚/mm翻轉(zhuǎn)形式穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)力/kN理論翻轉(zhuǎn)力/kN外翻圓角半徑/mm理論圓角半徑/mm1.2內(nèi)管外翻22.3421.151.281.341.4內(nèi)管外翻25.1424.901.361.451.6內(nèi)管外翻31.4729.221.491.581.8內(nèi)管外翻37.1236.871.621.66

同時(shí)將上述結(jié)果與Guist & Marble提出的翻轉(zhuǎn)力與翻轉(zhuǎn)半徑公式[13-14]和Reddy提出的翻轉(zhuǎn)力與翻轉(zhuǎn)半徑公式[15-16]所得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示.

從圖6中可以看出，文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)的雙直徑圓管自由翻轉(zhuǎn)吸能元件發(fā)生內(nèi)管外翻時(shí)的翻轉(zhuǎn)力公式及翻轉(zhuǎn)半徑公式得出的結(jié)果，較Guist & Marble和Reddy提出的翻轉(zhuǎn)力與翻轉(zhuǎn)半徑公式所得出的結(jié)果更接近模擬值.說(shuō)明該公式使用在雙直徑圓管發(fā)生內(nèi)管外翻時(shí)預(yù)測(cè)翻轉(zhuǎn)力與翻轉(zhuǎn)半徑較為準(zhǔn)確.

3試驗(yàn)分析

對(duì)成形后的雙直徑圓管在Zwick試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn).成形后的雙直徑圓管零件和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮后剖視的結(jié)果如圖7所示.

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮后載荷位移曲線如圖8所示.

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中測(cè)得的翻轉(zhuǎn)力和翻轉(zhuǎn)半徑的大小與理論計(jì)算的結(jié)果對(duì)比如圖9所示.

從圖7中可以看出，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，雙直徑圓管在發(fā)生自由翻轉(zhuǎn)時(shí)，4種不同壁厚的雙直徑圓管翻轉(zhuǎn)模式并非剛開(kāi)始就發(fā)生內(nèi)管外翻，而是開(kāi)始翻轉(zhuǎn)階段發(fā)生了小部分的外管內(nèi)翻，隨后發(fā)生內(nèi)管外翻，總體趨勢(shì)以?xún)?nèi)管外翻為主.出現(xiàn)此類(lèi)情況的原因，可能與管材液壓脹形成形后內(nèi)外壁的壁厚以及成形過(guò)程中加工硬化有關(guān)，導(dǎo)致不能以單一的翻轉(zhuǎn)模式進(jìn)行.

從圖8中的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果可以看出，載荷位移曲線的變化趨勢(shì)大致相同，試驗(yàn)中承受的載荷值比模擬結(jié)果略大.但整體來(lái)看，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.

從圖9中可明顯看出，實(shí)際測(cè)得的翻轉(zhuǎn)力比理論值大，實(shí)際測(cè)得的翻轉(zhuǎn)半徑比理論值小.但是較Guist & Marble提出的翻轉(zhuǎn)力和翻轉(zhuǎn)半徑公式與Reddy提出的翻轉(zhuǎn)力與翻轉(zhuǎn)半徑公式得出的結(jié)果更接近實(shí)際值.

4結(jié)論

（1） 4種不同壁厚的管材均在合適的加載路徑下成形出合格的雙直徑圓管吸能元件，不同壁厚的管材的減薄率各不相同，且與壁厚有關(guān).初始壁厚為1.8 mm的雙直徑圓管的最大減薄率為13.14%.

（2） 相同條件下，4種不同壁厚的20鋼雙直徑圓管在發(fā)生自由翻轉(zhuǎn)時(shí)均以?xún)?nèi)管外翻的翻轉(zhuǎn)模式為主，翻轉(zhuǎn)載荷穩(wěn)定可控，可以用作吸能元件和各種碰撞吸能場(chǎng)合.

（3） 從模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的角度來(lái)看，當(dāng)雙直徑圓管發(fā)生內(nèi)管外翻時(shí)，由文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)的雙直徑圓管吸能元件翻轉(zhuǎn)力公式以及翻轉(zhuǎn)半徑公式得出的結(jié)果更為精確可靠.

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