基于逆向工程板式熱交換器鈦板成形數值模擬研究

王彥龍，李效波，朱海舟，楊進納

（蘭州蘭石換熱設備有限責任公司，甘肅 蘭州 730314）

0 引言

采用鈦板作為熱交換器的板片，比普通材質熱交換器具有更優異的耐腐蝕性能，在核電、船舶、海水淡化等行業應用廣泛[1]。鈦板成形精度對板式熱交換器性能影響較大，鈦板在生產現場沖壓試模存在成本高[2]、沖壓試模周期長等問題。目前鈦板成形數值模擬面臨的問題[3]：①仿真模面數模來自理論設計數據，而現場生產中模具經過加工、鉗工研磨、沖壓磨損等，與理論數模存在較大差異，得到的分析結果誤差大；②數值模擬分析軟件自帶材料庫中缺少所需材料，而分析定制材料需要試驗，如材料FLD成形極限曲線測試需要專業的測試機構以及較高的成本，如分析材料力學性能不準確會得到誤差較大的分析結果[4]。

通過模擬杯突試驗進行材料分析，實現數值模擬數據和測試力學性能數據的吻合[5]；通過逆向工程獲取實物數模用于仿真，得到精確的數值模擬結果，縮短了試驗周期。因此研究焦點是以模擬杯突試驗進行鈦板CAE分析測試材料[6]，解決仿真材料力學性能不準確的問題，以企業正常生產的板式熱交換器板片（外形尺寸為745 mm×295 mm×0.6 mm）成形模進行逆向工程（見圖1）建模[7]，以獲得準確的CAE分析模面，減小仿真數模與實際成形模的誤差，以板片最大減薄率為目標進行沖壓試模并與CAE數值模擬分析進行對比驗證，為板式熱交換器在工程應用中精確模擬提供參考。

圖1 板式熱交換器板片

1 鈦板材料試驗

1.1 材料參數建立

試驗測得Gr.1鈦板樣品材料力學性能參數如表1所示，在AutoForm沖壓有限元分析軟件中，按表2所示參數進行定制鈦板材料初始分析。初始分析參數中硬化曲線選擇Swift模型后，屈服強度、抗拉強度和硬化指數三者參數關系由Swift模型給定，只需2個參數即可獲得另1個參數。因此初始參數以試驗獲得屈服強度和抗拉強度進行初始定義。

表1 試驗獲得Gr.1鈦板力學性能參數

表2 AutoForm定制鈦板分析參數

1.2 鈦板杯突試驗

杯突試驗是測定板料成形性能的重要試驗方法之一，尤其對于板式熱交換器板片脹形類成形結構，通過杯突值能更好地衡量板料的成形性能。定制鈦板材料分析參數需進行材料力學性能試驗，得到如彈性模量、延伸率、屈服強度和抗拉強度等參數，建立材料本構方程和FLD成形極限曲線等關鍵模擬參數[8]。

參照埃里克森杯突試驗建立數模[9]，導入Auto?Form中，根據試驗杯突數據杯突值為10.7 mm。調整球頭凸模工具體深度為13 mm，即對球頭凸模深度10～13 mm仿真計算中調整步進為0.1 mm，仿真計算結束后記錄后處理結果，得到球頭凸模深度在10～13 mm內每間隔距離0.1 mm的所有計算結果，確定成形破裂點出現時步進，即得到杯突值。

邊界條件設置中定義板料尺寸：90 mm×90 mm×0.6 mm；定義工序類型為Crashform；定義板料放置位置為下模壓邊圈，板料與模具零件的摩擦系數為0.12；定義下模壓邊圈初始預壓力為10 kN，如圖2所示。

圖2 杯突試驗裝置分析工具體

網格劃分中，設置拉伸網格類型為EPS-11，圓角穿透為0.1 mm，最大網格角度為5°，主網格尺寸為10 mm，設置工具體拉深到底時間控制子步為0.1 mm、控制子步數為30步、劃分大小選擇默認，啟動求解器進行計算。計算完成后統計網格結構數量共計50 000個。

通過查看成形分析云圖，確定成形破裂點出現時步進即杯突值。按初始分析參數定義鈦板材料成形破裂點杯突值為12.4 mm，而鈦板樣品的試驗杯突值為10.7 mm。對比模擬杯突值與試驗測試杯突值偏差，主要原因是模擬分析材料定義時選擇硬化曲線Swift模型與實際存在一定差異。通過多次對硬化指數n值調整和模擬分析[10]，得到模擬杯突值與試驗測試杯突值較接近的數值，如圖3所示。多次調整后最接近數值為模擬杯突值10.5 mm時板料開裂，得到優化后的鈦板材料力學性能參數如表3及圖4所示。

表3 鈦板材料分析參數

圖3 杯突試驗成形分析云圖

1.3 定制鈦板材料分析參數

用優化后的鈦板材料力學性能數據對比初始輸入參數更接近真實的鈦板成形性能[11]，AutoForm自定義材料數據如圖4所示。鈦板材料FLD成形極限曲線使用ARCELOR V9公式擬合，極限延伸率參考ASME SB-265標準取25%以確保材料分析安全。

圖4 AutoForm定義鈦板材料數據

2 逆向工程數字模面建立

2.1 逆向掃描數據處理

一般仿真模面數模來自理論設計數據，即模具加工前數模，而現場生產中模具零件經過加工、鉗工研磨、沖壓磨損等，與理論數模存在較大差異，因此得到分析結果誤差較大。運用逆向工程技術掃描板片成形模模面，采集掃描的數據與實物更接近，可以提高數值模擬分析準確性。逆向工程處理掃描數據流程為利用FARO 7軸關節臂非接觸式三維激光掃描儀準確獲取實物的點云數據，在Geog?magic Studio中對點云數據進行處理，形成高質量三角網格數據。

數據采集包括對板片成形上模模面和下模模面掃描數據，形成上模模面和下模模面點云數據。點云數據處理包括處理體外孤點、降噪、過濾和封裝環節，封裝后形成多邊形數據；多邊形數據處理包括刪除釘狀物、降噪、補孔、光順等環節，形成高質量三角網格數據[12]，如圖5所示。

圖5 逆向工程設備和掃描點云數據

2.2 逆向掃描模面建立

上模模面和下模模面按基準面進行基準對齊，同時上模模面和下模模面間隙按0.6 mm進行對齊，對齊模面進行基準坐標精確對正，完成模具虛擬合模，最終以STL格式文件輸出，用于成形數值模擬分析。通過逆向工程方法得到用于成形數值模擬的精確逆向模面，使數值模擬結果更接近于實際沖壓生產情況，如圖6所示。

圖6 對齊模面視圖

3 板片成形數值模擬分析

3.1 分析邊界條件

導入STL格式逆向模面用于成形仿真，分析材料選擇優化后鈦板，分析板厚與實際測量厚度一致，模面閉合后間隙與實際板厚調整一致。分析材料選擇優化后鈦板，板料尺寸：750 mm×300 mm×0.6 mm。定義工序類型為Crashform；在板料定義界面，定義板料尺寸與模面的外形大小相同，板料邊界條件設置為四條邊線自由狀態無約束，板料放置位置為下模模面；同時定義板料與模具零件的摩擦系數為0.12；在工具體定義中，選擇導入的逆向模面為上下模模面，如圖7所示。

圖7 板片成形分析工具體

3.2 網格及分析控制參數設置

網格劃分中，設置計算精度為FV級，設置拉伸網格類型為EPS-11，最大網格角度為22.5°，設置工具體拉深到底時間控制子步為0.5 mm、控制子步數為3、劃分大小選擇默認，啟動求解器進行計算。計算完成后統計網格結構數量共計123萬。網格在圓角位置細化良好，并且網格大小過渡均勻，說明網格劃分合理，滿足分析要求，如圖8所示。

圖8 板片分析網格

4 模擬結果分析及實物驗證

4.1 模擬結果分析

通過成形性分析云圖發現，大部分成形區域屬于安全區域，靠近板料邊線的平板區域為局部潛在增厚區域，整個板片區域成形性能良好，無破裂區域，如圖9所示。

圖9 板片成形性分析云圖

工程中判斷板片是否有破裂缺陷，一般考慮板片的最大減薄率，減薄率超過23%則認為有破裂傾向。通過對減薄率分析云圖發現，靠近板料邊線的平板區域無減薄，成形區域普遍存在減薄，減薄率最大位置在圓角尖點處，符合成形規律，圓角尖點處的最大減薄率均小于23%，如圖10所示。

圖10 板片減薄率分析云圖

4.2 實物驗證

以實際成形鈦板與數值模擬所得到的鈦板減薄率差值的一致程度評價數值模擬結果的準確性。使用板片成形模進行沖壓試模驗證，模具結構如圖11所示，兩側固定板7為凸模裝配基準，導柱2和導套3為模具導向系統。工作時，模具與液壓機連接，板料放置在凹模5上，上模在壓力機滑塊作用下緩慢下行閉合，板料被成形為板片。

圖11 板片成形模結構

圖12所示為成形鈦板實物，使用DAKOTA PX-7超聲波測厚儀從板片實物上選取21個位置，測量成形后的最小厚度；同時選取模擬分析后的鈦板對應位置的最大減薄率。經數據處理轉化后得到測點區域最大減薄率時的模擬結果與實物結果對比分析。其中數據轉換公式為：板料最大減薄率=（成形后最小厚度-成形前厚度）/成形前厚度×100%；誤差百分比=（實際結果-模擬結果）/實際結果×100%。

圖12 板片測點位置

圖13所示為各測點位置模擬結果和實物結果減薄率統計及各測點誤差百分比統計分析，各測點區域最大減薄率模擬結果與實物結果分布基本一致，有限元計算值與試驗測量值在各位置均較為接近，由圖13可知，測點1、2、3、10、11、13、16七個位置誤差在5%～7%，其余14個測點誤差≤5%，其整體測點最大誤差在7%以內，驗證了數值模擬的準確性，為板式熱交換器板片成形模擬分析提供參考。

圖13 測點誤差百分比統計

5 結束語

（1）通過鈦板力學試驗數據進行模擬分析鈦材料初始定義，并以模擬杯突試驗的方法進行了Auto?Form模擬分析材料測試，調整優化分析材料數據，得到可靠的鈦板材料模擬分析數據。

（2）通過Geogmagic Studio逆向工程進行板式熱交換器板片成形模上下模面采集點云數據，對采集的點云數據進行優化處理后將上下模面進行虛擬合模處理，得到用于成形數值模擬的精確逆向模面，使模擬結果更接近于實際沖壓生產情況。

（3）通過數值模擬分析與成形模沖壓試模的最大減薄率對比分析，驗證了整體測量點最大誤差在7%以內，驗證了數值模擬的準確性，為板式熱交換器板片成形模擬分析提供參考。