不同夾持方式下高速動(dòng)車組蒙皮件拉形過程數(shù)值模擬

譚富星，張鎮(zhèn)川，宗超勇

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130062）

不同夾持方式下高速動(dòng)車組蒙皮件拉形過程數(shù)值模擬

譚富星，張鎮(zhèn)川，宗超勇

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130062）

采用動(dòng)態(tài)顯式有限元軟件，對(duì)6082-T6鋁合金板材在傳統(tǒng)夾持方式和柔性夾持方式時(shí)成形球面件的過程進(jìn)行了仿真，對(duì)比分析拉形過程中板材的應(yīng)力和應(yīng)變變化。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)夾持方式相比，在柔性夾持方式下得到的多點(diǎn)拉形件應(yīng)力應(yīng)變分布均勻，成形效果較好，而且可以提高材料的利用率。完成了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明柔性夾持方式適用于高速動(dòng)車組車頭蒙皮拉形過程，驗(yàn)證了柔性夾持裝置的可行性與實(shí)用性。

拉形；蒙皮；數(shù)值模擬；夾持方式；柔性夾持

在國(guó)家拉動(dòng)內(nèi)需、加快鐵路發(fā)展的大背景下，國(guó)內(nèi)高速動(dòng)車組技術(shù)得到了快速發(fā)展。蒙皮件是構(gòu)成高速動(dòng)車組頭車氣動(dòng)外形的關(guān)鍵部件，其成形質(zhì)量的好壞直接影響頭車的外觀和氣動(dòng)性能。拉形的成形方式應(yīng)用于高速動(dòng)車組蒙皮件生產(chǎn)，得到的蒙皮件具有變形均勻、內(nèi)應(yīng)力小、回彈量小且成形精度高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，所以拉形成為高速動(dòng)車組蒙皮件的主要成形方式。近年來國(guó)外的麻省理工學(xué)院（MIT）、美國(guó)Cyril Bath機(jī)床公司、國(guó)內(nèi)的吉林大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和成飛集團(tuán)等單位對(duì)拉形過程的數(shù)值模擬分析以及蒙皮件的質(zhì)量控制等方面作了一些研究工作，也取得了相應(yīng)的研究成果[3-4]。實(shí)際上板材的夾持方式對(duì)蒙皮拉形過程也具有非常重要的影響，而且國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了相關(guān)的研究[5]。作者根據(jù)現(xiàn)有條件針對(duì)簡(jiǎn)單的球形蒙皮拉形的傳統(tǒng)夾持方式和柔性夾持方式進(jìn)行了數(shù)值模擬及比較分析，考查該種成形方式應(yīng)用于高速動(dòng)車組車頭蒙皮件生產(chǎn)的可行性，并且完成了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 拉形過程板材的夾持方式

1.1 傳統(tǒng)夾持方式

蒙皮拉形前，先將板材邊緣放入拉形模兩側(cè)的鉗口，然后通過液壓裝置控制鉗口夾緊，夾緊后方可完成拉形過程。傳統(tǒng)的夾持裝置是一個(gè)整體，與鉗口接觸的板材被夾緊，夾緊部分和鉗口之間沒有相對(duì)位移。拉形過程中與鉗口接觸的板材邊緣始終呈直線狀，無論拉形模在順著鉗口的方向上有多大的弧度，得到的蒙皮拉形件與鉗口接觸的部分始終呈直線狀。這種板材夾持方式在國(guó)內(nèi)的拉形機(jī)上的應(yīng)用非常廣泛。

1.2 柔性夾持方式

當(dāng)拉形模端面曲度與鉗口曲度相一致時(shí)，采用上述的傳統(tǒng)夾持方式可以很好地完成蒙皮拉形過程。當(dāng)模端面曲度與鉗口曲度有較大偏差，也就是說拉形模順著鉗口的方向也有一定弧度，采用這種傳統(tǒng)的夾持方式時(shí)，板材貼模比較困難，而且整張板材的受力狀況不是很均勻，尤其在拉形模雙向曲率比較大的情況下，板材受力不均勻的部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生拉裂的缺陷。柔性夾持方式是一種靈活的板材夾持方式，在板材拉形過程中被夾持的板材邊緣可以順著拉形模模面曲率變化的方向，改變傳統(tǒng)夾持方式中與鉗口接觸的板材邊緣始終呈直線狀的狀況，使夾持裝置在夾緊板材的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)夾持邊緣與拉形模端面曲率變化更加接近，這樣必將使板材在拉形過程中更容易貼模，同時(shí)將改善板材受力不均勻的狀態(tài)。

2 材料模型

2.1 6082-T6鋁合金

6082-T6屬熱處理可強(qiáng)化合金。這種材料具有良好的可成形性、可焊接性和可機(jī)加工性。其一般物理性能參數(shù)見表1所示。從表中可以看出，該合金與其他合金相比屈服強(qiáng)度較一般鋁合金偏高，同時(shí)彈性模量也不低，說明板材具有較高的機(jī)械性能，這種材料廣泛用于機(jī)械零部件、商務(wù)車輛、鐵路和造船等。該鋁合金板材的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

表1 6082-T6的一般物理性能

圖1 6082-T6應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 有限元模型

蒙皮拉形涉及幾何非線性、材料非線性及邊界條件非線性的三重非線性過程，通過采用大變形彈塑性有限元法進(jìn)行分析，其有限元數(shù)學(xué)模型包括大變形彈塑性本構(gòu)方程、板殼理論模型以及有限元單元模型[6]。由于蒙皮零件的外形一般為曲面，為保證有限元計(jì)算的精度，并提高計(jì)算效率，本文在研究過程中選擇八節(jié)點(diǎn)曲邊四邊形等參數(shù)單元作為有限元單元模型。

圖2建立的蒙皮拉形過程有限元模型，本例中拉形件為球面件，由于球形面具有對(duì)稱性，因此只對(duì)模型的1/4進(jìn)行建模。圖2a為板材1/4模型平面示意圖，從圖中可以看出板材分為成形區(qū)和過渡區(qū)。過渡區(qū)是板材拉形過程中比較特殊的部分，當(dāng)拉形模端面曲度過大時(shí)，沒有過渡區(qū)的話板材不易貼模，變形不均勻。設(shè)置合適的過渡區(qū)，可以使板材成形區(qū)變形更加均勻，獲得合格的蒙皮件。圖2b為板材拉形有限元模型，圖中基本體定義為剛體。劃分完網(wǎng)格之后再對(duì)其引入適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件、定義不同的屬性等。對(duì)于板材兩側(cè)的夾持情況，可以通過限制板材邊緣上節(jié)點(diǎn)的位移來實(shí)現(xiàn)。

圖2 板材多點(diǎn)拉形過程有限元模型

3 板材拉形過程

3.1 拉形過程模擬

本文采用動(dòng)態(tài)顯式非線性有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)4mm厚6082-T6鋁合金板材在傳統(tǒng)夾持方式和柔性夾持方式下成形球面件的過程進(jìn)行了仿真，預(yù)測(cè)成形過程中可能產(chǎn)生的缺陷，對(duì)比分析拉形過程中板材的應(yīng)力應(yīng)變變化，分析柔性夾持方式是否適合板材的拉形過程。文中使用的 6082-T6鋁合金板材有效成形區(qū)域400mm×300mm，使用傳統(tǒng)夾持方式時(shí)設(shè)置40mm和100mm兩種過渡區(qū)，可以考察過渡區(qū)的設(shè)置對(duì)板材拉形件成形質(zhì)量的影響，使用柔性夾持方式時(shí)設(shè)置40mm的過渡區(qū)。另外板材被夾持的寬度為20mm。拉形模速度定義為0.1m/s。在模擬過程中，通過限制板材邊緣的節(jié)點(diǎn)位移來定義兩種夾持方式的邊界條件。

圖3就是模擬得到的1mm厚6082-T6鋁合金板材在傳統(tǒng)夾持方式和柔性夾持方式時(shí)不同的過渡區(qū)寬度條件下成形球面件時(shí)的模擬結(jié)果。圖3a為在傳統(tǒng)夾持方式下過渡區(qū)為40mm時(shí)成形件的X方向應(yīng)變圖，圖3b為在傳統(tǒng)夾持方式下過渡區(qū)為120mm時(shí)成形件的X方向應(yīng)變圖，圖3c為在柔性夾持方式下過渡區(qū)為40mm時(shí)成形件的X方向應(yīng)變圖，從這三幅圖中可以看出，在傳統(tǒng)夾持方式下，板材被夾持的邊緣呈直線狀；過渡區(qū)為120mm的拉形件應(yīng)變分布較過渡區(qū)為40mm的拉形件應(yīng)變分布均勻。在柔性夾持方式下過渡區(qū)為40mm時(shí)，板材被夾持的邊緣呈曲線狀。而且拉形件應(yīng)變分布比在傳統(tǒng)夾持方式下的拉形件的應(yīng)變分布均勻得多。

圖3 不同夾持方式下x方向應(yīng)變圖

為了更加直觀地比較不同夾持方式不同過渡區(qū)時(shí)拉形過程中板材的應(yīng)力應(yīng)變分布，將上述三種方式下板材沿對(duì)稱軸的等效提取出來，繪制出三種方式下板材對(duì)稱軸線上等效應(yīng)力分布比較圖，如圖4所示。從圖中可以看出，在傳統(tǒng)夾持方式下，過渡區(qū)為40mm時(shí)，等效應(yīng)力變化相對(duì)比較劇烈。當(dāng)過渡區(qū)變?yōu)?20mm時(shí)，等效應(yīng)力變化不是非常劇烈。在柔性夾持方式下，過渡區(qū)為40mm時(shí)，板材等效應(yīng)力變化比較平緩。從圖4可以看出在柔性夾持方式下，拉形件的等效應(yīng)力變化最平緩，等效應(yīng)力分布最均勻。

圖4 不同夾持方式下OA線上等效應(yīng)力對(duì)比圖

變形是否均勻是衡量拉形件質(zhì)量的重要指標(biāo)，同時(shí)回彈大小也是考察拉形件是否合格的重要內(nèi)容。作者對(duì)上述三種情況下的拉形件進(jìn)行了回彈計(jì)算。然后提取對(duì)稱軸上的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，繪制出不同情況下板材回彈后對(duì)稱軸輪廓線對(duì)比圖。如圖5所示，圖中三種情況下拉形件回彈后與目標(biāo)形狀的最大誤差均小于1mm，說明回彈較小，符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

圖5 不同夾持方式下對(duì)稱軸OA回彈后輪廓線對(duì)比

通過上述的數(shù)值模擬分析可知，與傳統(tǒng)夾持方式相比，柔性夾持方式下得到的成形件不僅應(yīng)力應(yīng)變分布均勻，而且回彈量也不大，成形效果較好。同時(shí)在柔性夾持方式下，過渡區(qū)的設(shè)置不必像傳統(tǒng)夾持方式時(shí)過渡區(qū)設(shè)置的那么寬，從而可節(jié)省大量原材料，提高材料利用率，大大節(jié)約生產(chǎn)成本。

3.2 拉形實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證柔性夾持方式的可行性，作者將傳統(tǒng)的板材夾持裝置離散為若干個(gè)夾頭，每個(gè)夾頭都是一個(gè)獨(dú)立的夾持裝置，在夾緊板材的同時(shí)，夾頭可以實(shí)現(xiàn)上下的擺動(dòng)和左右轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，將簡(jiǎn)易柔性夾持裝置工裝安裝到拉形試驗(yàn)機(jī)上。每個(gè)夾頭可以繞裝置工裝上下擺動(dòng)。圖6是實(shí)驗(yàn)工裝照片，圖7是使用柔性夾持裝置時(shí)實(shí)驗(yàn)得到的球形拉形件。從圖7可以看出，工件被夾持的邊緣呈曲線狀，也就是說工件邊緣與拉形模模面相一致。實(shí)現(xiàn)了靈活、柔性夾持的目標(biāo)，且工件成形質(zhì)量較好。

圖6 實(shí)驗(yàn)工裝照片

為了比較實(shí)驗(yàn)拉形件的精確性，利用非接觸測(cè)量設(shè)備對(duì)回彈后的球形件進(jìn)行了測(cè)量，提取工件形面的數(shù)據(jù)信息，與數(shù)值模擬結(jié)果的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到了誤差對(duì)比圖。圖8顯示，實(shí)驗(yàn)拉形件與模擬結(jié)果之間的誤差大部分在0.5mm之間，自由邊緣部分接近1mm，誤差較小。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果照片

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果誤差對(duì)比圖

4 結(jié)論

（1）對(duì)比分析4mm厚6082-T6鋁合金板材在三種不同的拉形條件下成形球面件時(shí)的模擬結(jié)果可以看出，與傳統(tǒng)夾持方式相比，在柔性夾持方式下得到的多點(diǎn)拉形件應(yīng)力應(yīng)變分布均勻，成形效果較好，同時(shí)所需過渡區(qū)小，材料利用率高。

（2）完成了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并進(jìn)行了誤差分析，結(jié)果表明柔性夾持方式適用于蒙皮件拉形過程，拉形件精度較高且成形效果較好。

（3）通過拉形得到的蒙皮件成形效果較好，可以應(yīng)用于高速動(dòng)車組車頭蒙皮件的生產(chǎn)。

[1]李文橋.高速列車頭部流線型外形及結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)[J].鐵道機(jī)車車輛，2002，6：22-24.

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Numerical simulation of high speed train skin parts stretch-forming process based on flexible clamping method

TAN Fuxing,ZHANG Zhenchuan,ZONG Chaoyong
（CRRC Changchun Railway Vehicle Co.,Ltd.,Railway vehicle laboratory, Changchun 130062,Jili China）

simulation of spherical surface parts stretch-forming process by traditional clamping method or flexible clamping method on 6082-T6 aluminum alloy plate is performed based on dynamic explicit finite element software,and the board stress and strain change in stretch-forming process is compared.The results shows that,compared with traditional clamping method,flexible clamping method lead to more homogeneous stress and strain change on multi-point stretch-forming parts,and have better forming performance and use efficiency.According to relevant tests,it is proved that flexible clamping method is more suitable for high speed train headstock skin parts stretch-forming process,whose feasibility and practicability is verified.

Skin parts;Stretch-forming;Traditional clamping method;Flexible clamping method;Simulation

TG386

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.024

1672-0121（2016）06-0095-04

2016-09-15；

2016-10-29

譚富星（1978-），男，高級(jí)工程師，從事試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)研究