四通管內(nèi)高壓成形的工藝優(yōu)化和分析

劉曉晶 陳龍 陳曉曉 王雅為 馮章超

摘要：基于Dynaform軟件，建立四通管內(nèi)高壓成形的有限元模型。選取初始進(jìn)給量、初始內(nèi)壓力、中間內(nèi)壓力作為設(shè)計(jì)變量，成形后管件的最小壁厚和最大壁厚為設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于BoxBehnken Design實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面法，分別建立以管件的最小壁厚和最大壁厚為目標(biāo)的響應(yīng)面模型。通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了各個(gè)參數(shù)對(duì)成形管件的影響，并通過(guò)方差和回歸分析，確定了模型的最優(yōu)參數(shù)。將模型預(yù)測(cè)的因素值進(jìn)行有限元數(shù)值模擬后得到的結(jié)果與模型得出的結(jié)果值的誤差率小于1%，驗(yàn)證了模型的可靠性。結(jié)果表明，通過(guò)響應(yīng)面法和數(shù)值模擬可以快速獲得質(zhì)量較好的四通管類零件成形工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：

四通管;響應(yīng)面法;數(shù)值模擬;回歸分析

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.025

中圖分類號(hào)： TG394

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）05-0143-04

Optimization and Analysis of Hydroforming Process for Fourway Pipe

LIU Xiaojing，CHEN Long，CHEN Xiaoxiao，WANG Yawei，F(xiàn)ENG Zhangchao

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040， China）

Abstract：Based on Dynaform， a finite element model of hydroforming for fourway pipe was built Through the initial feed rate， initial internal pressure， and the intermediate pressure were selected as the design variables， taking the minimum and maximum wall thickness of the postforming for tube as design aimBased on BoxBehnken Design and response surface method， the response surface model was established for the goals of minimum and maximum wall thickness of tube ，the effects of various parameters on the forming tube by numerical simulation was studied， and the optimal parameters of the model was determined through variance and regression analysis The result of models predicted factor through finite element simulation， compared with the result of the model， the error rate was less than 1 percent， therefore the reliability of the model was verified The results showed that highquality forming process parameters fourtube part could be quickly got through response surface method and numerical simulation

Keywords：Fourway pipe; response surface method;numerical simulation; regression analysis

0引言

近年來(lái)，為了滿足輕量化的要求，管件內(nèi)高壓成形技術(shù)[1]開始發(fā)展起來(lái)，尤其在汽車領(lǐng)域與航天領(lǐng)域[2]，伴隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展[3]，內(nèi)高壓成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[4]為其發(fā)展提供了廣闊前景。在當(dāng)代，越來(lái)越多的研究人員將有限元法[5]與內(nèi)高壓成形技術(shù)工藝相結(jié)合[6]。已有部分汽車零部件被成功的應(yīng)用在工廠生產(chǎn)中[7-8]。主要在生產(chǎn)底盤、排氣系統(tǒng)異型管件[9]、轉(zhuǎn)向桿和發(fā)動(dòng)機(jī)托架等[10-11]方面。在日常生活中，冰箱、空調(diào)等已被人們廣泛使用，作為配件的管接頭被大量需求[12]，這些多通管的形狀復(fù)雜[13]，采用傳統(tǒng)的焊接方法[14]經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)焊縫、裂紋等不良現(xiàn)象[15]，難以保證其質(zhì)量，而采用內(nèi)高壓成形就能克服上述缺陷[16]。文章通過(guò)對(duì)四通管內(nèi)高壓成形的有限元模擬[17]和響應(yīng)面法[18]，找出獲得質(zhì)量較好的管件的成形工藝參數(shù)[19]，為管的內(nèi)高壓成形結(jié)果的預(yù)測(cè)提供了一種方法[20]。

1四通管的有限元模型

建立四通管內(nèi)高壓成形有限元分析模型如圖1所示。由模具、管坯、左右主沖頭、上下平衡沖頭組成。管坯采用外徑為50mm，長(zhǎng)度為238mm，壁厚為2mm的SS304不銹鋼。管坯采用BelytschkoTsay薄殼單元，離散化后的單元總數(shù)是3950個(gè)。摩擦模型符合庫(kù)侖摩擦[21]，選取成形單面接觸（From One Way S to S）的接觸類型。

2響應(yīng)面法

本文以四通管內(nèi)高壓成形中的左右沖頭第一階段軸向進(jìn)給、內(nèi)壓力的初始?jí)毫?、中間壓力為因素，管的最大和最小壁厚為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面法試驗(yàn)。

21試驗(yàn)方案及模擬結(jié)果

內(nèi)壓力和平衡沖頭采用三線性加載方式，時(shí)間拐點(diǎn)為0002s和0005s，整個(gè)模擬時(shí)間為001s，平衡沖頭后退量為40mm，拐點(diǎn)后退量分別為30mm和40mm;整形壓力是120MPa;軸向進(jìn)給采用雙線性加載，時(shí)間拐點(diǎn)為0005s，整個(gè)模擬時(shí)間為001s，第二階段軸向進(jìn)給量為55mm。響應(yīng)變量的取值范圍如表1。

由表3可知信噪比為49814>4，表示響應(yīng)模型可以用于被用來(lái)執(zhí)行設(shè)計(jì)。失擬項(xiàng)為05788>005，不顯著，模型成立。模型中x1、x2、x3、x2 x3、x21、x22是關(guān)于最小厚度響應(yīng)模型的顯著項(xiàng)。由表3知影響四通管最小壁厚因素依次為 x2>x3>x1，即初始內(nèi)壓力>中間內(nèi)壓力>初始進(jìn)給量。R2=09882表示9882%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用用該模型解釋。所以此模型可以分析和預(yù)測(cè)四通管件最小壁厚的工藝優(yōu)化。

同理，通過(guò)對(duì)響應(yīng)模型的最大壁厚分析結(jié)果可以得出，影響最大壁厚因素主次順序與影響最小壁厚的一樣。

3優(yōu)化與模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型管件的最大、最小壁厚預(yù)測(cè)方程的準(zhǔn)確性，以成形后管件的最小和最大壁厚值為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用DesignExpert軟件進(jìn)行優(yōu)化。最終得到優(yōu)化條件：初始軸向進(jìn)給量x1為51mm、初始內(nèi)壓力x2為82MPa、中間內(nèi)壓力x3為103MPa。將這三個(gè)值帶入到回歸方程中，得到預(yù)測(cè)結(jié)果;將預(yù)測(cè)的3個(gè)優(yōu)化條件值提交到Dynaform軟件進(jìn)行運(yùn)算，得到實(shí)際結(jié)果。預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際結(jié)果如表4所示，實(shí)際測(cè)得的成形結(jié)果圖如圖1所示。

4結(jié)論

1）對(duì)四通管內(nèi)高壓成形過(guò)程中的初始軸向進(jìn)給、初始內(nèi)壓力、中間內(nèi)壓力三個(gè)參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，得出對(duì)壁厚的影響因素主次順序：初始內(nèi)壓力>中間內(nèi)壓力>初始進(jìn)給量。

2）通過(guò)對(duì)回歸模型的方差檢驗(yàn)和回歸方程的顯著性檢驗(yàn)，得到了影響管件最大壁厚和最小壁厚的顯著項(xiàng)，并驗(yàn)證了模型的可靠性。

3）通過(guò)響應(yīng)面法和數(shù)值模擬可以快速獲得質(zhì)量較好的四通管類零件成形工藝參數(shù)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)節(jié)約時(shí)間和成本。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān)毅）