北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：金屬圓管在內(nèi)壓及軸向壓力作用下自由脹形的有限元法模擬
2023-05-29【作 者】楊雨甡;孫政元;黃乃強(qiáng);朱永豪
【概 要】
以金屬圓管為原材，用液壓脹形的方法可以得到重量輕、強(qiáng)度高、表面質(zhì)量好的變截面薄壁管類零件，而且材料及能源消耗低。所以，金屬園管的脹形在生產(chǎn)中，尤其在軍工、汽車、化工設(shè)備制造中發(fā)揮著重要的作用，是一種很有前途的工藝方法。
金屬園管的脹形過程的研究，不僅對(duì)工藝、模具、設(shè)備的改進(jìn)與設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義，還涉及到許多有關(guān)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的問題。因此，也引起了人們的注意和興趣。
有關(guān)內(nèi)壓及軸向壓力作用的金屬園管在彈塑性區(qū)內(nèi)的變形研究，已有許多論文發(fā)表[1][2]。Woo[8]分析了在內(nèi)壓反軸向壓力作用下，沿殼體子午線方向的內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力金屬園管脹形問題，Sauer等人[4]就此問題的一般情況做了研究，井通過計(jì)算，分析了脹形殼體發(fā)壓塑性失穩(wěn)的情況。
為了得到自由脹形的園管在塑性變形過程中的信息，本文用彈塑性有限元法，模擬了四條不同直線加載路徑下的自由脹形園管的變形過程。所謂直線加載路徑是指:在每次模擬計(jì)算中，軸向壓力與內(nèi)壓的此值為某一常數(shù)。這一常數(shù)在文中用K來表示。
文中有限元分析所采用的是兩結(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)殼單元，脹形殼體的子午線用三次樣條函數(shù)近似?？紤]了幾何和物理的雙重非線性問題，求解采用的是增量法。電算程序是自行編制的。
進(jìn)行了與計(jì)算同樣條件下的實(shí)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)比較吻合。
通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析及實(shí)驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)，在金屬園管自由脹形過程中，沿殼體子午線有運(yùn)動(dòng)著的波紋發(fā)生。這些波紋的運(yùn)動(dòng)不僅與脹形的結(jié)果有著密切的聯(lián)系，而且直接受到K值大小的影響。
【結(jié) 論】
在內(nèi)壓及軸向壓力共同作用下，園管自由脹形過程的有限元模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)都表明：加載路徑對(duì)脹形結(jié)果具有重要的意義。存在著一條優(yōu)化的加載路徑，在這樣的加載路徑下，K值的影響可能會(huì)使脹形殼體端部發(fā)生皺起的凸環(huán)(不是起皺)，但可在脹形過程中被鄰近波紋的脹大所淹沒，使脹形不致因起皺而失敗。同時(shí)，這時(shí)的K值又可以使殼體壁厚的減薄得到盡可能多的補(bǔ)償，從而得到較大的脹形比。
在內(nèi)壓及軸向壓力共同作用下的園管自由脹形過程中，存在著與脹形結(jié)果有密切關(guān)系的波紋的發(fā)生與波紋的運(yùn)動(dòng)，而K值對(duì)之具有規(guī)律性的影響。
計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用彈塑性有限元的方法，模擬計(jì)算內(nèi)壓及軸向壓力共同作用下的園管脹形這一大變形的問題是可行的。
以下是正文：
