T型管液压成形过程的有限元分析

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2002.05.014 第24卷第5期 北京科技大学学报 VoL.24 No.5 2002年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2002 T型管液压成形过程的有限元分析 苏岚” 王先进)唐荻) 范光尧) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)台湾国立中兴大学金属成型研究室 摘要应用动态显式有限元法，建立了T型管液压成形分析模型，对不同加载条件下的模 拟结果进行对比，分析了轴向载荷的作用，探讨了最佳载荷曲线的确立原则. 关键词汽车工业；T型管；管件液压成形：动态显式有限元；有限元分析 分类号TG394 在人们日益重视环境保护的今天，生产质 采用弹塑性理论进行解析具有较大困难，必然 量轻，耗油少，污染小的汽车已经成为汽车行业 需引人一些假设，从而限制了求解的精度和适 的一种趋势.汽车零件的减重方法，除了选用新 用性.如果应用有限元法，建立T型管液压成形 型材料以外，改变传统的生产工艺也是一种选 分析模型，则可以较为真实的反映整个成形过 择.采用管件液压成形技术生产汽车用的排气 程.本文采用ANSYS/.LS-DYNA有限元软件作 系统零件及支架零件，可以用一个零件替代多 为模拟工具，建立了如图1所示的T型管液压成 个冲压零件的焊接组合件，从而大幅度减轻重 形分析模型.该模型由模具和管材两部分组成， 量，受到越来越多的汽车厂商的重视 管材外径为60.5mm,厚度为2.8mm,长度为235 用管件液压成形技术生产的零件往往具有 mm,模具圆角半径为15mm.由于模具刚度较 非轴对称的复杂外形，很难用理论分析法进行 大，所以将其设为刚性体，管件材料为SUS304, 研究.单纯用试错法得到需要的工艺参数，不仅 通过单向拉伸试验得到相应的材料数据 需要大量的经费，而且开发周期长，影响经济效 在模型中使用的单元为ANSYS/LS-DYNA 益.如果利用有限元这一工具，建立管件变形的 的SHELL163壳体单元，选择Hughes-Liu算法， 分析模型，通过多次计算机模拟试验，得到一定 在单元面内使用单点积分，而沿着单元的厚度 的经验，在此基础上再进行现场试验，就能够大 方向则有多个高斯积分点 量缩短开发周期，节省开发费用，从而能够以低 成本得到高品质的产品.管件液压成形过程的 主要影响因素包括：原料的尺寸与材质，模具的 设计，模具与工具间的摩擦等，国内外许多专家 学者针对这几个方面展开了多项研究工作4 管件 应台湾汽车与摩托车制造商的要求，北京 科技大学高效轧制中心与台湾国立中兴大学金 属成型研究室合作，应用动态显式有限元法，建 立了最常用的液压成形零件一T型管的液压 成形过程模型，并对轴向载荷的作用以及最佳 图1有限元模型 加载路径的形式进行了深入探讨，为实际生产 Fig.1 Finite element model 工艺的设定提供了合理的依据. 2结果分析 1模型的设定 2.1轴向载荷的作用 在液压成形过程中，管件主要承受两种载 由于T型管件的外形具有非轴对称的特点， 荷，一是内部的液体压力，一是管件两端的轴向 收稿日期200107-31苏岚女，28岁，博士生 载荷.轴向载荷一般有两种形式，一是以力的形 式施加（图2(a),一是以位移的形式施加（图2

4 第 卷 第2 期 5 0 0 0 年2 2 月 1 北 京 科 技 大 学 学 报 J O a u r n l o f U n v i e s r t i y o f s e i a e e e n n d T c e 卜 o n o l y g B e i j i n g 0 4 2 b N L V . 5 o e t . 00 2 2 型管液压成形过程 的有 限元分析 T 苏 岚 ” 王 先进 ” 唐 获 ” 范光尧 2 , 1)北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 1 00 0 83 2) 台湾国立中兴大学金属成型研究室 抓 要 应用 动态 显式有 限元法 , 建立 了 T 型管液 压成形 分析 模 型 , 对不 同加载 条件下 的模 拟 结果进 行对比 , 分析 了轴 向载荷 的作用 , 探讨了最 佳载荷 曲线 的确立 原则 . 关 键词 汽车 工业 ;T 型管 ; 管 件液压 成形 ; 动态显 式有 限元 ; 有 限元 分析 分 类号 T G 3 9 4 在人们 日益重视环境保护 的今 天 , 生 产质 量轻 , 耗油少 , 污 染小 的汽车已 经成为汽车行业 的一种趋势 . 汽车零件 的减重方法 , 除了选 用新 型 材料 以外 , 改变传统 的生产工艺也是一种选 择 . 采用管件液压成形技术 生产汽车用 的排气 系统零 件及支架零件 , 可 以 用一个零件替代多 个 冲压零件的焊接组合件 , 从而大幅度减轻重 量 , 受 到越来 越多的汽车厂商 的重视 ils[ .] 用管件液压成形技术生产的零件往往具有 非轴对称 的复杂外形 , 很难 用 理论分析法进行 研究 . 单纯用 试错法得到需要 的工艺参数 , 不仅 需要大量 的经费 , 而且 开发周期长 , 影 响经济效 益 . 如果利用有限元这一工具 , 建立管件变形的 分析模型 , 通过多次计算机模拟试 验 , 得到一定 的经验 , 在此基础上再进行现场试 验 , 就能够大 量缩短开发周期 , 节省开发费用 , 从而能够以低 成本得到高 品质 的 产品 . 管件液压成形过程 的 主要影 响因素包括 : 原料 的尺寸与材质 , 模具 的 设计 , 模具与工具 间的摩擦等 , 国 内外许多专家 学者针对这几个方面展开 了 多项研 究工作-14 .5] 应 台湾 汽车与摩托车制造商 的要求 , 北京 科技大学高效轧制中心 与台湾 国立 中兴大学金 属成型 研究室合作 , 应用动态显式有限元法 , 建 立 了最 常用 的液压成形零件— T 型 管的液压 成形过程模 型 , 并对轴 向载荷 的作 用 以及最佳 加载路径 的形式 进行 了深人探讨 , 为实际生产 工 艺 的设定提供 了 合理的依据 . 1 模型的设定 由于 T 型 管件 的外形具有非轴对称的特点 , 收稿 日期 2 001 刁-7 31 苏岚 女 , 28 岁 , 博士生 采用 弹塑 性理论进行解析具 有较大 困难 , 必然 需引人一些假设 , 从 而限 制 了求解 的精度 和适 用性 . 如果应用有 限元法 , 建立 T 型管液压成形 分析模 型 , 则可 以较 为真实的反映整个成形过 程 . 本 文采 用 A N S Y S几S 一 D Y N A 有限 元软件作 为模拟工具 , 建立了 如图 1所示 的 T 型管液压成 形分析模 型 . 该模型 由模具 和管材两部分组成 , 管材外径为 60 . 5 ~ , 厚度为 2 . 8 ~ , 长度为 2 35 ~ , 模具 圆角半 径为 15 r。 们住 . 由于模 具刚度较 大 , 所 以将其设 为刚性 体 , 管件材料 为 S U S 3 04 , 通 过单 向拉伸试验得 到相应的材料数据 . 在模型 中使用 的单元 为 A N S Y S几 S 一 D Y N A 的 S H E L L 163 壳 体单元 , 选 择 H u hg es 一 iL u 算法 , 在单元面 内使用单点积分 , 而沿着单元 的厚度 方向则有多个高斯积分点 . 图 1 有 限元模 型 F落 1 F in iet e l e m e n t m o d e l 2 结果分析 .2 1 轴 向载荷的作用 在 液压成形过程 中 , 管件主 要承受两种载 荷 , 一是 内部的液体压力 , 一是管件两端的轴 向 载荷 . 轴 向载荷一般有两种形式 , 一是 以力 的形 式施 加 (图 2 a( ) ) , 一 是以 位移的形式施加 (图 2 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 05. 014

538 北京科技大学学报 2002年第5期 (b).本文中轴向载荷采用位移的形式，其最大 移为0，液体压力逐渐增大.当使用曲线2加载 行程为54mm.为了探讨轴向位移在液压成形 时，两端冲头的轴向位移随液体压力的增大而 中的作用，设计了两种不同的载荷曲线，如图2 增大.采用这两种不同的载荷曲线加载，得到的 所示. 模拟结果如图3和图4所示，其中图3为管件 当使用曲线1加载时，两端冲头的轴向位 主应力等值线图，图4为管件壁厚分布图. 通过对比这两种不同的加载方式下的模拟 60 (a) 结果，可以发现两个显著的不同点： (1)成形所需的液体压力不同. 40 在T型管液压成形过程中，管件中部金属 20 曲线 逐渐突起，要使突起最高点与管件中心线距离 量曲线2 0 达38mm,采用曲线1加载，液体压力需达到58 0 0.51.01.52.02.53.03.5 Pa;而采用曲线2加载，液体压力只需达30 3.0b) MPa,两者相差近1倍.造成这一差异的原因是， 2.0 当管件单纯受液体压力作用时，变形主要集中 1.0 在中上部，管件中上部金属的第一主应力σ>0， 第二主应力c>0,如图3(a)和(b)所示，呈双向拉 0.0◆ 应力状态，端部金属的第一主应力，≈0，第二主 -1.0 一曲线1 应力σ2>0但是值也非常小；当在管件上同时施 ◆一曲线2 加轴向载荷和液体压力时，变形扩展至整个中 -2.0 0 0.5 1.01.52.02.53.03.5 部，管件中部金属的第一主应力σ>0，第二主应 t/ms 力o<0,如图3(c)和(d)所示，呈一向拉一向压的 图2载荷曲线对比图 应力状态.根据塑性力学原理，主应力绝对值相 Fig.2 Curves of loads and displacement with time (a)采用曲线1加载时的第一主应力分布图 (b)采用曲线1加载时的第二主应力分布图 A=90166;B=210541;C=330916;D=451291;E=571667 A=-12767;B=90355;C=193478;D=296600:E=399723 (©)采用曲线2加载时的第一主应力分布图 (d采用曲线2加载时的第二主应力分布图 A=37529:B=134052:C=232175:D=329498:E=426021A=-338738:B=-207858:C=-76978:D=53903:E=184783 图3管件主应力等值线图（单位为kP) Fig.3 Principal stress distribution of the tube 同的情况下，一向拉一向压的应力状态比双向 38mm时，采用曲线1加载的管件最小壁厚为 拉的应力状态得到的等效应力值大，材料更容 2.423mm,而采用曲线2加载的管件最小壁厚为 易屈服，因此即使在较小的液体压力下也可发 2.604mm,如图4所示.前者壁厚减薄现象比较 生较大的塑性变形. 明显，发生破裂的危险性增大. (2)管件中部的壁厚不同. 造成这一差异的原因是，只承受液体压力 管件中部突起最高点与管件中心线距离达 的管件，塑性变形集中在中上部，突起形成主要

一 5 3 8 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 02 年 第 5期 伪) ) . 本 文 中轴 向载荷采用位移 的形式 , 其最 大 行 程为 54 ~ . 为 了探讨轴 向位移在液压成形 中的作用 , 设 计 了两种不同的载荷 曲线 , 如图 2 所 示 . 当使用 曲线 1 加载时 , 两端冲头 的轴 向位 a 卜. l ot , nn ù `U 4 山芝月 曲线 曲线 3 . 0 3 . 5 ǔù 5 2 0 叫\ 00 : 凡`J, 、日曰口书 0 . 0 一 1 . 0 -2 . 0 … ( 止了丫一 , . 一 . 曲线 1 - 州卜- 曲线 2 1 1 1 1 1 1 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 r / 1】1 , 2 . 5 3 . 0 3 . 5 图 2 载 荷 曲线 对 比图 F i g · 2 C u vr e s o f l o a d s a n d d is Pla e e m e n t w i t h ti m e 移为 O , 液体 压力逐渐增大 . 当使用 曲线 2 加载 时 , 两端 冲头的轴 向位移 随液体 压力 的增大而 增大 . 采用这两种不同的载荷 曲线加载 , 得 到的 模拟结果如 图 3 和 图 4 所示 , 其 中图 3 为管件 主应力等值线 图 , 图 4 为管件 壁厚分布 图 . 通过对 比这两种不 同的加 载方式下 的模拟 结果 , 可 以发现两个 显著的不 同点 : ( l) 成 形所需 的液体压力 不 同 . 在 T 型 管液压成形过 程 中 , 管件 中部金属 逐渐突起 , 要使突起最 高点与管件 中心 线距离 达 38 ~ , 采用 曲线 1 加载 , 液体压力需 达到 58 M P;a 而采用 曲线 2 加载 , 液体压力 只 需达 30 M p a , 两者相差近 1倍 . 造成这一差异的原 因是 , 当管件单纯 受液体压力作用 时 , 变形 主要集 中 在 中上部 , 管件中上部金属 的第一 主应力 al > 0 , 第二主应力 氏>0 , 如 图 3 a( )和 (b) 所示 , 呈双 向拉 应力状 态 , 端部金属 的第一主应力 。 , 二 0 , 第二主 应力 氏> 0 但是值也 非常小 ; 当在管件上 同时施 加轴 向载荷 和 液体压力时 , 变形扩展至整个 中 部 , 管件 中部金属的第一主应力 al > 0 , 第二主应 力 氏 < 0 , 如图 3 c( )和 (d) 所示 , 呈一 向拉一 向压的 应力状态 . 根据塑性力学原理 , 主应力绝对值相 (a) 采用 曲线 1 加 载时 的第 一主应 力分 布图 A = 9 0 16 6 ; B = 2 1 0 5 4 1 ;C = 3 3 0 9 1 6 ; D = 4 5 1 2 9 1; E = 5 7 1 6 6 7 b( )采 用 曲线 1 加 载 时的第二主应 力分布 图 A = 一 1 2 7 6 7 ; B = 9 0 3 5 5 ; C “ 19 3 4 7 8 ; D = 2 9 6 6 0 0 ; E = 3 99 7 2 3 ù ǐ 甲 卜沐z 丫 · ō 茸一 少`ǐ分南 币卯,ó会ù z只小手ù弓屯, 叭ù ó 扭只斌州叫 井 卜: ó邝 了 八一 (c )采用 曲线 2 加 载时 的第一 主应力 分布图 A = 3 7 5 2 9 ; B = 1 3 4 0 5 2 ;C = 2 3 2 1 7 5 ; D = 3 2 9 4 9 8 ; E =4 2 6 0 2 1 (d )采用 曲线 2 加 载时 的第二 主应力 分布图 A = 一 3 3 8 7 3 8 ; B = 一2 0 7 8 5 8 ;C = 一 7 6 9 7 8 ; D = 5 3 9 0 3 ; E = 1 8 4 7 8 3 图 3 管件 主应力 等值线 图 (单位为 kl, a) Fi g · 3 P r in e iP a l s t er s s d is t r汤 u it o n o f th e t u b e 同的情 况 下 , 一 向拉 一向压 的应 力状 态 比双 向 拉 的应力状态 得到的等效应力值 大 , 材料更容 易屈 服 , 因 此 即使在较小 的液体 压力下也可 发 生较大 的塑性 变形 . (2 )管件 中部 的壁厚不 同 . 管件 中部突起最高点与管件 中心 线距离达 3 8 ~ 时 , 采用 曲线 l 加 载的管件最小壁厚 为 2 . 4 2 3 ~ , 而采用 曲线 2 加载的管件最小壁厚 为 2 . 6 0 4 m m , 如 图 4 所示 . 前者 壁厚减薄现象 比较 明显 , 发生破裂 的危险性增大 . 造成这一差异 的原 因是 , 只承受液体压力 的管件 , 塑性变形集 中在中上部 , 突起形成主要

VoL24 苏岚等：T型管液压成形过程的有限元分析 539 (a)采用曲线1加载时的厚度分布 (b)采用曲线2加载时的厚度分布 A=2.405:B=2.484:C=2.563:D=2.642:C=2.720 A=2.717:B=2.783:C=2.949:D=2.915:E=2.982 图4管件壁厚分布图（图中A,B,C,D单位为mm) Fig.4 Thickness distribution of tube 依靠管件壁厚减薄来实现，而施加轴向位移，促 使整个管件参与变形，端部金属向管件中部流 30 动，达到补充材料的目的 通过对比可知，采用轴向载荷有利于T型 管液压成形，一方面降低了成形所需的液体压 力，对配套的液压设备的相应降低，可以节省成 10 20 30 40 50 本，另一方面缓解了管壁减薄的趋势，降低了发 u/mm 生破裂的危险 图5载荷与位移的关系曲线 2.2最佳载荷曲线的确定 Fig.5 Curves of axial displacement vs.internal pressure 虽然施加轴向位移对液压成形过程有利， 但是如果轴向位移与液体压力配合不当，则会 产生液压管零件最常见的缺陷一起皱和破 裂，因此选择合适的加载曲线成为管件液压成 形技术的关键之一， 在管件液压成形过程中，如果液体压力小， 轴向位移过大，则会在管件中部形成皱褶；而如 果液体压力过大，则中部管件壁厚减薄加剧，易 发生破裂.这一规律与平板冲压过程中压边力 大小与冲压件边部起皱之间的关系非常相似， 图6管件的起皱缺陷 Fig.6 Wrinkles at the middle of the tube 亦即压边力越大，冲压件的边部越不容易起皱； 但是压边力过分增大，也会导致冲压件壁厚减 是轴向载荷过大，而施加的内部压力太小 薄，发生破裂.在平板冲压过程中，将不引起起 与曲线a相比，曲线b中内部压力与轴向载 皱缺陷的最小压边力定义为最佳压边力，也可 荷成直线关系，内压力水平比较高.如果以曲 通过类似的原则来定义液压成形过程的最佳载 线b加载，尽管在成形过程开始阶段管件中部 荷关系曲线.但是对于液压成形过程，液体内部 出现凹陷，但随着内部压力逐渐增大，凹陷被修 压力不是一个恒定值，而是随时间（或轴向位 复，但成品上仍有起皱的部分痕迹，支管管壁与 移)变化的量，如图5所示 模不贴合，形成轻微的缺陷，如图7所示 对比图5中的四条载荷关系曲线可以看出， 为消除曲线b加载引起的轻微缺陷，需继 曲线a是在成形过程开始阶段内部压力加载的 模具 不贴合处 速度较慢，在一定时间后，再以较大的速度加载 变形后的管件 至最大值.曲线b中，液体内部压力与轴向载荷 一直保持匀速加载.曲线c,d是在成型过程开 始阶段先快速加载液体内部压力，到达最大压 力后，保持压力稳定.在这4条曲线中，曲线d 就整个过程来说，管件承受的内压力水平最高， 曲线c,b次之，曲线a最小.如果以曲线a加载， 图7b曲线加载结果 将在管件中部产生起皱缺陷，如图6所示.原因 Fig.7 Deformed tube under b-curve loading

M 〕】 . 2 4 苏岚等 : T 型 管液 压成 形过 程的有 限元 分析 一 5 3 9 . 屯习 r气尸介 , , 产 1 一 匕 七 芍L , L , L 飞 飞 、 卜日J ~ 几 几 L一儿 目毛二 卜岛` 卜占 决曰卜` 卜日l一 、 几 、: 、 飞 几 、 1 气 、 、 L , J J l 尹 」 I 子 4 叫 队` 丰还巨干划卜卜注曰卜七 L一、 产 , ` 乍 、 f 1 1 尹 1 1 尹 、 1 、 、 、 、 召者毛基独汁 年奋尸 〔 卜、 、 、 ( J 、 l 、 、 、 、 ’ 1 1 尹 护 产 尹 尹 尹 卜匕二医b 仁权于卡拼称 址压二E「 } 、 产 护 I 尹 尹 产 l 子 l , ( l 、 、 、 、 、 、 、 1 1 1 ) 口习 } } 仁口阮斗毛叶丰卡 二上 ~ R r r 二亡〔 } 、 l 、 、 l 、 ! } 厂r 「 l l l l l } 、 1 } 、 I } 口L」目 l ) 口J 以三 蔓羹摹奎 ` 蒸璧奎璧奎 奎奎奎垄鬓 . 叫 .` . , , ~甲 , , , - , 尸~ , 叼 , . . r , 曰 ~ 二蕊二至二大 二孟二 J 诬J` 」二 J 二曰石 耳石`一~ ` ~~ ` ~户` . ~ J`~ ` 目异皿翔 民 陀彰蛾蒸呈早终毒攀津赓菊黔 ` 七比乙 甘 比 性r 、 、 、 、 色 1 飞 飞 含 I, 了 l 产 j 拜 产 l 产 矛 l 、 M 、 、 、 侧 J 、 、 飞 r { () 记月 {尸下下门爪只二l口川目卜目斗习斗拜习组比 习(睡 1 1 ( (县 ` ! 产 产 ! 1 1 甘甲 l厂丁 ] r 门 r l了 l「 于口曰匕 `飞 l 、 l ` 毛l 、 、 l 一 1 I J 人 1 1卜十州曰丈士门卜下二巳匕目「冰逮叶+ + 七牢!七上二卜 l { 畔 } 1 1 } 冬 } } l - 示七}寸月曰卜牛门卜卞〕口日日士毋廷封士卜 . 心匕L 卜 1 1 尹 l 卜1 1 矛 石 厂 !卜r 门门巴勺匕工习口曰 L l 】 l 甲 l 尹 l 产 盯 , - 了飞~ 瓦目 气 } l一丁 ~ 门 r , ` 刀 厂{ 不 (L l{ 匕} 百 l 二 ) l ) ) l 一 1产嘴 、 反 l 户 J 卜 ] 户 } i 护补 l 了 七寸 -忖 ;寸艺亡士二口口二! ! l ( 1 1 ( } 1 . 亡 亡 t 1 1l 护. 伟 刃 者 古 I 叼~ J 者 1 - 1 , 气下甲 一 , 、 、 r - T 」生~ 叶 … 月 月 . 1 】 . 一「- 卫 产 沪 ,; 寻 奋 户 尸 户 j 沁 于 奋 」 工 ~ 1 r j 压二r 二 r 二〔 二且. ~ 月 ` . ` 口 产 , 日、 曰 产 .己巴 , , r~ 甲- 卞气 卜, 一甲气卜 , 卜悦卜子~价 (a) 采 用 曲线 1 加 载 时的厚度 分布 (b) 采 用 曲线 2 加载 时的厚度 分布 A = 2 4 0 5 ; B = 2 . 4 8 4 ; C 二 2 . 5 6 3 ; D = 2 . 6 4 2 ; C = 2 . 7 2 () A “ 2 . 7 17 ; B = 2 . 7 8 3; C 二 2 . 9 4 9 ; D = 2 . 9 1 5 ; E = 2 . 9 8 2 图 4 管件壁厚分 布 图( 图中 A, ,B C, D 单 位为 m m ) Fi g . 4 T h i e k n e s s d i s tir b u it o n o f t u b e nU 00 ,ù l 芝、叭州d 依靠管件壁厚减薄来实现 , 而施加轴 向位移 , 促 使整个管 件参 与变形 , 端部金 属 向管件 中部 流 动 , 达到补充 材料的 目的 . 通过对 比可 知 , 采用 轴向载荷有利 于 T 型 管液压成形 , 一方面 降低 了 成形所需 的液 体压 力 , 对配套 的液压设备的相应 降低 , 可 以节省成 本 , 另一方 面缓解 了管壁减薄的趋势 , 降低 了发 生破裂 的危 险 . .2 2 最佳载荷曲线的确定 虽 然 施加轴 向位移 对液 压成形 过程有 利 , 但是 如果 轴 向位移与液体压力 配合不 当 , 则会 产 生液 压 管零 件最 常 见 的 缺 陷— 起 皱 和 破 裂 , 因此选择合适 的加载 曲线成为管件液 压成 形技 术的关键之一 在管件液压成形过程 中 , 如果液体压力小 , 轴 向位移过 大 , 则会在管件 中部形成皱褶 ;而如 果液体压力过大 , 则 中部管件壁厚减薄加剧 , 易 发生破裂 . 这一 规律与平板 冲压过程 中压边力 大小与冲压 件边部起皱之 间的关系非 常相似 , 亦即 压边力越 大 , 冲压件 的边部越不 容易起 皱; 但是 压边力过分增大 , 也会导致 冲压 件壁厚减 薄 , 发生 破裂 . 在平 板冲压过程 中 , 将 不引起起 皱缺陷的 最小压边力 定义为最佳压边 力 , 也可 通过类似 的原则来定义液压成形过程 的最佳载 荷关 系 曲线 . 但是对于液压成形过程 , 液体 内部 压力不 是一个恒定 值 , 而是 随时间 ( 或轴 向位 移 )变化 的量 , 如 图 5 所示 . 对比 图 5 中的 四条载荷关系曲线 可 以看 出 , 曲线 a 是 在成形过程开始 阶段 内部压力 加载 的 速度较慢 , 在一定时间后 , 再 以较大的 速度加 载 至最大值 . 曲线 b 中 , 液体 内部压力与轴 向载 荷 一直保持 匀 速加载 . 曲线 c , d 是在成型 过 程开 始 阶段先 快速加载液体 内部压力 , 到达最 大压 力后 , 保持压力 稳定 . 在这 4 条 曲线 中 , 曲线 d 就整个过程来说 , 管件承受的 内压力水平最高 , 曲线 c , b 次 之 , 曲线 a 最小 . 如果 以 曲线 a 加载 , 将在管件 中部 产生起皱缺 陷 , 如 图 6 所示 . 原 因 图 S 载荷 与位 移 的关 系曲线 F ig . 5 C u vr e s o f a x i a l d is P l a e e m e n t v s . i n t e r n a l P er s s u er 季t t 戮 ! 齐利 麟 图 6 管件 的起 皱缺陷 F ig · 6 W r i n kl e s a t t h e m id dl e o f t h e ut b e 是 轴 向载荷过大 , 而施加 的 内部压力太小 . 与曲线 a 相 比 , 曲线 b 中内部压 力 与轴 向载 荷 成直线关系 , 内压力水 平 比较高 . 如果 以 曲 线 b 加 载 , 尽 管在成形过程开 始阶 段管件 中部 出现凹 陷 , 但随着内部压力逐渐增大 , 凹 陷被修 复 , 但成 品 _ L 仍有起皱的部 分痕迹 , 支管管壁与 模不 贴合 , 形成轻微 的缺 陷 , 如 图 7 所示 . 为消除 曲线 b 加 载引起 的轻微缺 陷 , 需继 霎{鬓) 卜厂卜{ 自自壁程 图 7 b 曲线加 载 结果 F ig . 7 D e fo r m e d t u b e u n d e r b 一 e u vr e l o a d i n g

540 北京科技大学学报 2002年第5期 续增大液体内压力.采用曲线c加载，可获得无 的强度 缺陷的结果，如图8()所示.从管件变形后的厚 若采用的载荷曲线位于曲线3之上，如采 度分布图（图8(b)可以看出，由于补料及时，在 用曲线4，虽然也可以得到无缺陷的结果，但是 壁厚最薄的部位—一支管端部壁厚仍基本保持 由于内压力水平较高，壁厚减薄量较大.因此按 在2.79-3.30mm的范围内，相对于原料的壁厚 照以不引起起皱缺陷的最低内压力水平为原则， 2.8mm,几乎没有减薄的现象，从而保证了支管 确定曲线3为最佳的载荷关系曲线， (a)变形后的形状 b)厚度分布 A=3.214mm B=3.634mm C-4.055mm D-4.475mm E-4.096mm 图8曲线c的加载结果 Fig.8 Deformed tube under c-curve loading 3结论 2苑世剑，郎利辉，王仲仁，内高压成形技术研究与应 用进展).哈尔滨工业大学学报，2000,32(5)：60 (1)在管件上同时施加液体压力和轴向载3苏岚，王先进，唐获，等.汽车行业中管件液压成形技 荷，改变了管件的应力状态，可以降低成形过程 术的新进展[).金属成形工艺，2002,20(1)：1 所需的液体压力 4 Altan T,Koc M,Aue-u-lan,et al.Formability and design issues in tube hydroforming [A].International Conference (2)管件中部金属突起后逐渐形成支管.在 on Hydroforming [C].Fellbach/Stuttgart,1999.105 这一过程中，管件端部金属在轴向载荷的作用 5 Hartl Ch.Theoretical fundamentals of hydroforming [A]. 不断向中部流动，形成补充，基本消除了壁厚局 International Conference on Hydroforming [C].Fellbach/ 部减薄的现象 stuttgart,1999.23 (3)对比不同载荷曲线下管件变形结果，选 6 Hora P,Skrikerud M,Longchang T.Possibilities and limi- 定可以得到无缺陷结果的载荷范围，比拟平板 tations of FEM-Simulation in hydroforming operation [A].International Conference on Hydroforming [C].Fel- 冲压过程，提出选择最优化载荷曲线的原则，并 Ibach/Stuttgart,1999.407 按照这一原则确定了最佳载荷曲线. 7郎利辉，苑世剑，王仲仁，等.内高压液力成形缺陷产 参考文献 生及其失效分析塑性工程学报，2001,8(4少：30 8 Asnai N.Theoretical and experimental analysis of stroke- 】邱先拿.汽车零件生产用成形技术之新发展与应用 controlled tube hydroforming [J],Material Science and U.金属工业，1999,33(1)65 Engineering,2000,279:95 Analysis of T-shaped Tube Hydroforming by Finite Element Method SU Lan,WANG Xianjin",TANG Di,FAN Guangyao 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Lab of Metal Forming,National Chung Hsing University ABSTRACT Workpiece forming in the T-shaped tube hydroforming process takes place through internal pressure and axial load.If these loads are chosen poorly there will be failure in the workpiece involving wrinkle or bursting.A dynamic FEM model is built for the T-shaped tube hydroforming process.Through analyzing the different simulation results,the influence of axial load is discussed and the optimum loading pro- file is determined. KEY WOEDS automotive industry;T-shaped tube;tube hydroforming;dynamic explicit finite element method;finite element analysis

北 京 科 技 大 学 学 报 2 00 2年 第 s期 续增大液体 内压力 . 采用 曲线 c加载 , 可 获得无 缺陷的结果 , 如图 8( a) 所示 . 从管件变形后 的厚 度分布 图(图 8 b( ))可 以看 出 , 由于补料及时 , 在 壁厚最薄的部 位— 支管端部壁厚仍基本保持 在 .2 79 一3 . 30 ~ 的 范 围内 , 相对于原料 的壁厚 2 . 8 ~ , 几乎 没有减薄的现象 , 从 而保 证了 支管 的强度 . 若采 用的载荷 曲线位 于 曲线 3 之上 , 如采 用 曲线 4 , 虽然 也可 以得到无缺 陷的结果 , 但是 由于内压力水平较高 , 壁厚减薄量较 大 . 因此按 照 以不引起起皱缺 陷的最低 内压力水平为原则 , 确定 曲线 3 为最佳 的载荷关 系 曲线 . 娜 ) 形状 ;瓣豺 日 卜 , ) { { { i 舞 口 奏葬 伪) 厚度分布 爹幽奎 由 颤罐){Fl州 、 、 忆」十 1 A = 3 . 2 14 m m B = 3 . 6 3 4 m m C =4 . 0 5 5 m m D =4 . 4 7 5 r n m E = 4 . 0 9 6 m m 3 结论 图 8 曲线 c 的加载 结果 F i g . 8 D e fo r m e d t u b e u n d e r e 一c u vr e l o a d i o g 2 苑世剑 , 郎利 辉 , 王 仲仁 . 内高压 成形 技术研究 与应 用 进展 [J] . 哈尔滨工业 大学学报 , 2 0 0 ,犯 (5 :) 60 ( l) 在管件 上 同时施加 液体压力 和 轴 向载 荷 , 改变 了管件 的应力状态 , 可 以降低成形过程 所需 的液体压力 . ( 2 ) 管件 中部金属 突起后逐渐形成支管 . 在 这一过程 中 , 管 件端部金属在轴 向载荷 的作用 不断向中部流动 , 形成补充 , 基本消除了壁厚局 部减薄 的现象 . (3 ) 对 比不 同载荷 曲线下管件变形结果 , 选 定可 以得 到无缺 陷结果的 载荷范 围 , 比拟平板 冲压过程 , 提 出选择最优化载荷 曲线 的原则 , 并 按 照这一 原则 确定了 最佳载荷 曲线 . 参 考 文 献 1 邱先拿 . 汽车零件生 产用成形技术之新 发展 与应用 [J ] . 金属工 业 , 1 9 9 9 , 33 ( l ) : 6 5 苏 岚 , 王 先进 , 唐 荻 ,等 . 汽 车行 业 中管件液 压成形 技 术 的新进 展 [J] . 金属 成形 工艺 , 2 0 02 , 2 0( l) : 1 A l t a n T, K o e M , A u e 一 u 一 lan , e t a l . F o mr ab i li yt an d d e s ign i s s u e s i n ut b e h y d r o fo mr i n g A[ ] . nI t e m iat on al C o n fe er n c e on H y dr o fo mr i n g [C ] . F e llb ac h/ S t u tt g art , 1 99 9 . 1 0 5 H 叭I C h . T h e o er it e a l 允n d am e n t a l s o f hy d r o fo mr i n g [A ] . I n t e m iat o n al C on fe r en e e o n yH d r o fo mr i ng [C ] . F e l lb ac h/ s lu t g a rt , 19 9 9 . 2 3 H o r a P, S kr ik e ur d M , L o n gc h an g .T P o s s ib il it i e s an d l im i - at i o n s o f F EM 一 S im u l iat o n i n hy d r o fo mr in g oP e art i o n 眯1 . I n t e nr a ti o n al C o n fe r e n e e o n H y d or fo n ” in g 【C ] . Fe l - l bac h/ St u t g a rt , 19 99 . 4 07 郎利辉 , 苑世剑 , 王 仲仁 ,等 . 内高压 液力 成形 缺陷产 生及 其失效 分析 IJ] . 塑性 工程学 报 , 2 0 01 , 8( :4) 30 A s n a i N . hT e oer ti cal an d e xP e ir m e n t a】an a l y s i s o f s tr o ke - e o ntr o l l e d ut b e hy d r o fo mr i ng [J] , M aot r i a l S e i e n e e an d E n g i n e e ir n g , 2 0 0 0 , 2 7 9 : 9 5 A n a l y s i s o f T 一 s h ap e d T Ub e H y dr o fo mr i n g b y F i n it e E l e m e in M e ht o d S U L a n , ), 洲刀 G iX a ’nj in , ), AT N G D i , ), FA N G u a n g y a o Z, l ) M a t e ir a l S e i e n c e an d E n g in e ier n g S e h o o l , U S T B e ij in g , B e ij i n g 1 00 0 8 3 , C h in a Z ) L ab o f M aet l F o rm in g , N at i o n al C h l i n g H s吨 U n i v e rs ity A B S T R A C T 认O/ r冲i e c e of rm i n g in hte T 一 sh a P e d tub e 场dr o of rm in g P r o e e s s atk e s Pl a e e htr o u gh int e rn a l P r e s s ur e an d ax i a l l o a d . If t h e s e l o ad s are e h o s e n P o or ly ht er e w ill b e af il ure i n ht e w o r k Pl e e e ivn o l v i n g wr i喇 e or b ur st i n g . A dy n am i c F E M m o de l 1 5 b u i lt ofr hte T 一 s h ap e d ot b e hy dr o of n n ign Por e e s s . T h r o u gh an a l y z in g ht e d i fe re in s ha u l at i o n re s u lt s , ht e in fl u e n e e o f ax i a l l o ad 1 5 d i s e u s s e d an d th e op t im um l o a d i n g P r o - if l e 1 5 d e t e n l l in e d . K E Y WO E D S a u t o m ot i v e I n d u s ytr : T 一 s h ap e d t u b e : 加b e 勿dr o fo mr i n g: 勿n am i e e xP li e it if n it e e l e m e nt m e t h o d ; ifn it e e l e m e nt an ly s i s