機(jī)械設(shè)計(jì)與研究：反轉(zhuǎn)螺旋薄壁管件液壓脹形的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)
2022-12-31【作 者】孔呈海;趙希祿
目前，汽車和飛機(jī)等行業(yè)的發(fā)展日益加快，在保證強(qiáng)度和產(chǎn)品性能的前提下，最大限度地減輕結(jié)構(gòu)重量，以達(dá)到節(jié)省材料、降低成本和減少污染等目的等研究課題已經(jīng)越來越受到產(chǎn)業(yè)界和相關(guān)研究人員的關(guān)注。減質(zhì)的重要途徑之一便是以空心結(jié)構(gòu)代替實(shí)心件，既能減輕質(zhì)量、節(jié)省材料，又能通過加工強(qiáng)化提高材料強(qiáng)度和剛度。在此背景下，一種基于輕量化和一體化特征開發(fā)出來的空心變截面輕體結(jié)構(gòu)件的管材內(nèi)高壓成形技術(shù)得到了迅速地發(fā)展[1]。此技術(shù)適用于加工沿構(gòu)件軸線方向變化的圓形、矩形或異形截面的空心零件[2]。
汽車前縱梁作為車身結(jié)構(gòu)中的一類關(guān)鍵部件，對于提高車輛的碰撞安全性能起著重要的作用[3,4]。前縱梁位于發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)細(xì)長的空間內(nèi)，當(dāng)受到碰撞載荷時(shí)，由于Euler失穩(wěn)的影響，細(xì)長薄壁結(jié)構(gòu)的前縱梁會(huì)發(fā)生側(cè)向倒伏，使得前縱梁無法繼續(xù)吸能。因此，如何有效避免前縱梁因Euler失穩(wěn)而側(cè)向倒伏的現(xiàn)象，是汽車前縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的研究課題。
反轉(zhuǎn)螺旋薄壁結(jié)構(gòu)是為了滿足前縱梁吸能特性的需要提出的一種異形截面結(jié)構(gòu)。由于反轉(zhuǎn)螺旋薄壁結(jié)構(gòu)的形狀不規(guī)則，如果按照傳統(tǒng)工藝通過焊接加工，不僅工序繁多，焊縫質(zhì)量很難得到保證，而且結(jié)構(gòu)的整體性差，在碰撞時(shí)容易產(chǎn)生潰裂，不能滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求[5,6]。通過液壓脹形，可以一次實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工，但是由于形狀特殊，工藝參數(shù)難以控制，特別是反轉(zhuǎn)螺旋薄壁管件的壁厚分布不均勻的問題至今尚未得到很好的解決。
本文以反轉(zhuǎn)螺旋薄壁管件的液壓脹形加工問題為研究對象，利用LS一DYNA軟件模擬液壓脹形的成形過程，利用響應(yīng)曲面法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，求解液壓脹形加工反轉(zhuǎn)螺旋薄壁管件的最佳工藝參數(shù)組合，保證了反轉(zhuǎn)螺旋薄壁管件的加工質(zhì)量。
【結(jié) 論】
利用LS一DYNA軟件對液壓脹形加工過程進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)合響應(yīng)曲面法對液壓脹形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到符合要求的反轉(zhuǎn)螺旋薄壁管件的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。
（1）液壓脹形能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工工藝來實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)螺旋薄壁管件的一次成形，實(shí)現(xiàn)了降低成本、提高加工效率的目的，本文的研究結(jié)果驗(yàn)證了利用液壓脹形加工反轉(zhuǎn)螺旋薄壁管件數(shù)值仿真的可行性。
（2）通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，成形薄壁管件的最大減薄率由49.430%降低到39. 172%，有效地避免了管件的局部過度減薄，實(shí)現(xiàn)了提高成形質(zhì)量的目的。
（3）軸向力和液壓力的配合、摩擦系數(shù)以及脹形時(shí)間的分配是影響成形質(zhì)量的重要因素，可以通過調(diào)整這些因素來改善液壓成形的加工質(zhì)量。在保證管件不破裂的前提下適當(dāng)?shù)卦龃筝S向力和液壓力有益于管件成形，軸向力和液壓力的配合是調(diào)整液壓脹形工藝參數(shù)的關(guān)鍵，適當(dāng)?shù)亟档湍Σ料禂?shù)有益于材料流向材料過度減薄的區(qū)域。
（4）本文的研究結(jié)果以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對于同類薄壁管件液壓成形參數(shù)的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。
以下是正文：
