为了探究拱形膜片的加工工艺对膜片成型精度(特别是拱高)的影响,本文采用有限元模拟法研究了一种正拱带槽形膜片(泄放口径100 mm,厚度0.5 mm,刻槽0.2 mm)的液压胀形过程,分析了加载压力、加载速度、加载路径、夹具圆角等因素对拱高的影响规律。结果表明:随加载压力上升,拱高呈线性增加;随着加载速度减小,拱高略有降低,并趋于稳定;胀形过程加载变速会导致拱高成型时偏离设计尺寸,因此需要全程匀速加载;随夹具圆角半径增加,拱高增加,夹持部位边缘等效应力减小,膜片夹持部位变形范围增大。该结果可应用于拱形膜片的加工工艺优化。

以管材液压胀形工艺为研究对象,对常见的应变路径进行分类,采用"分段逼近"的数学简化方法,将复杂应变路径简化为分段应变路径。基于Swift分散性失稳准则建立了单一应变路径的管材液压胀形成形极限图;利用Hill集中性失稳准则建立了复杂应变路径下的成形极限图。通过对比不同应变路径下的管材液压胀形成形极限图,揭示了应变路径的改变对液压胀形的影响规律。通过管材液压胀形成形极限试验,验证了理论分析结果的正确性。理论分析和试验结果表明,不同应变路径下的管材液压胀形成形极限图的几何形状不同,极大地限制了由简单线性加载获得的成形极限图在分析复杂应变路径下的成形过程时的准确性。

针对薄壁圆管的液压胀形过程,需要建立一种快速准确的仿真方法,从而节约设计初期的时间和成本,提出一种基于一步成形法的薄壁圆管液压胀形方法。该方法将管坯作为初始构形,将凹模型腔作为最终的构形型面,把胀形过程视为一个近似比例加载的过程,仅研究从初始构形出发到最终构形的变形情况,推导出初始构形和最终构形的几何关系,确定了管材液压胀形的本构关系,针对管材成形特点选择了DKT12单元模型,最终建立了有限元平衡方程,并使用牛顿-拉普森迭代法进行计算。基于上述理论,开发了相关程序,通过对比Abaqus及试验值的结果,验证了所提出的方法具有较高的计算精度和计算效率。

液压成形法生产的双金属复合管具有良好的力学性能和耐腐蚀性能,合理设置工艺参数对获得高质量复合管具有重要意义。基于满足工程实际的有限元模型,采用不同的胀形压力、初始间隙和衬管壁厚进行了双金属复合管液压成形过程的模拟试验。通过正交试验设计和综合优化分析得到:影响残余接触应力的主次顺序依次为胀形压力、衬管壁厚、初始间隙;影响回弹的主次顺序依次是胀形压力、初始间隙、衬管壁厚。综合考虑残余接触应力和回弹两个评价指标,确定胀形压力170 MPa、初始间隙2 mm、衬管壁厚3 mm为最优工艺参数组合。

建立了带壁厚偏差管坯液压胀形的力学模型,揭示了不同轴向应力状态下壁厚偏差对管坯成形的影响规律,给出了带壁厚偏差管坯液压胀形加载路径设计的标准。针对某重型卡车桥壳预成形管坯的液压胀形工艺,进行了3种不同壁厚偏差管坯在不同典型加载路径下的有限元模拟,结果表明:内压升高至最大保持恒定,管坯薄壁侧均在合模前发生开裂且薄壁侧与厚壁侧变形差异较大;内压先升高后降低,管坯厚壁侧均失稳形成褶皱且薄壁侧与厚壁侧变形差异较小;内压先升高后降低再升高时,管坯均成形且符合工艺要求,确定了适用于带壁厚偏差管坯液压胀形的加载路径。在专用液压机上进行了液压胀形试验,试验结果与数值模拟所得规律一致。

首次通过理论设计建立了在无补料液压胀形波纹管时,TRB管参数与S、V、U型波纹管参数的关系,并建立了TRB管液压胀形S型、V型、U型波纹管的有限元模型,验证了无补料液压胀形技术的可行性。有限元模拟结果显示,S型波纹管的最大壁厚差为设计壁厚的8%,壁厚差大部分为设计壁厚的0%~2.25%;V型波纹管的最大壁厚差为设计壁厚的9.33%,壁厚差大部分为设计壁厚的0%~4.17%,壁厚分布均匀。成形极限图显示,S型和V型波纹管的成形应力状态均在安全区内,而U型波纹管在成形过程中发生破裂。因此,TRB管能成形为壁厚均匀的S型和V型波纹管,但不能成形为壁厚均匀的U型波纹管,模拟与理论设计基本吻合。

针对波纹管液压成形后回弹易导致波高偏离设计尺寸的问题,运用ABAQUS有限元软件对波纹管液压成形及回弹过程进行了数值模拟,基于Box-Behnken试验设计,建立了成形参数与波高之间的二次多项式预测方程。建立了波高控制模型,在成形参数可控性分析的基础上,给出了改变模片厚度和内压力的波高控制方法。在以上分析的基础上,通过数值迭代求解得到了控制波高的参数组合并进行了试验验证。结果表明,试验样件的波高与设计值的误差为0.31%,由此验证了控制方案的可行性,成功实现了对波纹管波高的精确控制,为此类零件的精确液压成形提供了参考。

用有限元方法对液压胀形的汽车桥壳进行了数值模拟得出轴向压缩量与液体胀形压力间的合理加载路径。通过试验和模拟对比分析了第一次胀形时液体压力相对管坯轴向压缩量恒定不变、液体压力按轴向压缩量线性变化、极限失稳及胀裂的情况揭示出起皱的主要原因是液体压力过低起皱后不利于后续胀形而胀裂的主要原因是液体压力过高;第二次胀形时试件退火是最终成形成功的重要影响因素。模拟结果与相同条件下的试验结果对比最大误差5.9%。