基于MSC.MARC的TP2銅管材液壓脹形數(shù)值模擬

李凡國(guó)，趙劍波，閆思江

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，山東 青島 266404）

0 引言

管材液壓脹形[1]是以液體為傳送動(dòng)力的介質(zhì)，利用管材內(nèi)部液體產(chǎn)生的高壓使金屬管坯變形，從而成為零件的塑性加工技術(shù)。管材液壓脹形的原理是通過(guò)在管材內(nèi)部施加液體壓力，同時(shí)在管坯軸向施加載荷，使其在給定的型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形，管壁與模具內(nèi)表面接觸并貼合，從而得到所需形狀的零件。液壓脹形的工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖如圖1所示，其基本工藝過(guò)程是：首先將管坯放入下模腔中，然后閉合模具并鎖緊，管坯兩端分別用軸向沖頭進(jìn)行密封，通過(guò)液壓管路向管坯內(nèi)部通入低壓液體，使管坯內(nèi)部完全充滿液體，然后再增大其壓力。在增壓過(guò)程中，兩端沖頭同時(shí)向內(nèi)推進(jìn)，管坯在內(nèi)壓力和軸向壓力的共同作用下完成成形。

管材液壓脹形能夠克服常規(guī)塑性工藝的不足，具有模具簡(jiǎn)單、成本低、周期短、產(chǎn)品質(zhì)量好、形狀和尺寸精度高等特點(diǎn)，尤其適合在一道工序內(nèi)成形具有復(fù)雜形狀的中空零件。但由于管材液壓脹形中工件的變形不是均勻的，如果內(nèi)壓增加過(guò)快而沒(méi)有相應(yīng)的軸向進(jìn)給補(bǔ)料，就會(huì)因變形過(guò)快導(dǎo)致局部減薄嚴(yán)重產(chǎn)生破裂現(xiàn)象[2]，因此合理設(shè)置工藝參數(shù)是消除破裂的關(guān)鍵。本文擬通過(guò)有限元軟件MSC.MARC對(duì)TP2變徑銅管材的液壓脹形進(jìn)行模擬，對(duì)成形過(guò)程中出現(xiàn)的應(yīng)變和管壁變薄情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并揭示一些生產(chǎn)中難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，從而有利于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。

圖1 液壓脹形示意圖

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

TP2銅管管坯外徑尺寸20mm，壁厚1mm，總長(zhǎng)度300mm，液壓脹形后管材如圖2所示。

圖2 液壓成形后管材圖

首先需要建立模具模型和管坯，然后對(duì)管坯模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文中對(duì)管坯共劃分了6732個(gè)四邊形單元，沿管材圓周方向劃分為36份，母線方向劃分為187份。同時(shí)還需要建立左、右沖頭，整體的模型如圖3所示。本文中由于管材的厚度遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度，故可以使用殼單元定義管材的單元類(lèi)型。

1.2 材料特性的定義

TP2銅管的材料參數(shù)如表1所示。

表1 TP2材料參數(shù)

在MSC.MARC有限元軟件中，通過(guò)FORMULA命令輸入公式（1）生成應(yīng)力應(yīng)變曲線，橫軸定義為等效塑性應(yīng)變，縱軸為真實(shí)應(yīng)力。

式中：σ——真實(shí)應(yīng)力；

ε——等效塑性應(yīng)變。

通過(guò)FORMULA命令輸入公式（2）生成管壁上的內(nèi)壓曲線，橫軸定義為時(shí)間，縱軸為內(nèi)壓。

式中：F——內(nèi)壓；

T——時(shí)間（0≤t≤20）。

1.3 接觸條件定義

本文中共有三對(duì)接觸對(duì)。第一個(gè)接觸體是管坯，定義為變形體；第二、三、四個(gè)接觸體分別是模具、右沖頭和左沖頭，定義為剛體，采用解析表面，摩擦系數(shù)取0.1。左、右沖頭采用速度控制，速度為0.5mm/s。

1.4 邊界條件定義

邊界條件定義包括邊界條件內(nèi)容及邊界條件施加兩部分[3]，在邊界條件中可以約束位移、添加點(diǎn)載荷、施加面壓力等，本文中沒(méi)有位移的約束，只要定義管坯的內(nèi)壓，即通過(guò)施加面壓力定義管坯內(nèi)壓[4]。

1.5 定義載荷工況及提交作業(yè)

整個(gè)分析設(shè)定200個(gè)固定步長(zhǎng)，總分析時(shí)間20s。本文采用殼單元定義材料模型，單元類(lèi)型選擇4節(jié)點(diǎn)四邊形雙線性薄殼的139號(hào)單元[5]，它是直接基于離散克?；舴蚶碚摰摹?/p>

2 成形模擬結(jié)果分析

變徑管內(nèi)高壓成形的變形特征：①變形分為兩個(gè)比較明顯的階段，即低壓初步成形階段和高壓貼模階段；②壓力使坯料屈服后，隨著壓力的增大，坯料初步成形階段的變形非常迅速。本文從壁厚和應(yīng)變分布分析內(nèi)壓和軸向進(jìn)給的匹配關(guān)系是否合理。

2.1 壁厚分析

通過(guò)選取Thickness of Element參數(shù)，顯示液壓脹形后的管壁壁厚分析，如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，壁厚減薄最大的區(qū)域出現(xiàn)在管材兩端倒角和脹形最大區(qū)域的連接處，最大減薄率達(dá)到24.88%；由于此處為由未變形區(qū)到已變形區(qū)的過(guò)渡區(qū)域，過(guò)大變形容易使此處發(fā)生壁厚減薄。越靠近管材兩端，變形量越小。

圖4 成形后壁厚分析

2.2 應(yīng)變分布

在SCALAR欄中選取Equivalent of Plastic Strain參數(shù)，可以觀察到管材最終成形后的等效塑性應(yīng)變分布，如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，最大等效塑性應(yīng)變發(fā)生在管材兩端倒角和脹形最大區(qū)域的連接處，其最大塑性應(yīng)變?yōu)?.3729。

圖5 成形后等效塑性應(yīng)變分布

3 總結(jié)

本文針對(duì)TP2變徑銅管建立了液壓脹形的管材模型，進(jìn)行了脹形模擬分析，對(duì)成形后的管材進(jìn)行了壁厚和應(yīng)變分析。得出了軸向進(jìn)給和管內(nèi)高壓的較合理的匹配關(guān)系，可以用于指導(dǎo)試驗(yàn)生產(chǎn)。得出了壁厚減薄率和等效塑性應(yīng)變的最大區(qū)域都是在管材兩端倒角和脹形最大區(qū)域的連接處，越靠近兩端，變形量越小，整個(gè)變形區(qū)變形量分布不均。

[1]F.Dohmann，Ch.Hartl.Hydroforming-a method to manufacture lightweight parts.Journal of Materials Processing Technology，1996，60：669-676.

[2]劉勁松，張士宏，肖 寒，等.MSC.MARC在材料加工工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[3]閆思江，李凡國(guó).超聲疲勞試驗(yàn)諧響應(yīng)分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（6）：87-89.

[4]翟江波，余心宏，翟妮芝.三通管復(fù)合脹形與軸向壓縮脹形工藝研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，42（2）：82-86.

[5]陳火紅.Marc有限元實(shí)例分析教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.