基于有限元分析與試驗(yàn)的型材下陷成形回彈

韓志仁，杜松宸,孟祥韜

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，沈陽(yáng) 110136；2.中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 技術(shù)處， 沈陽(yáng) 110134)

型材零件是大型飛機(jī)機(jī)身應(yīng)用廣泛的基本構(gòu)件，T 型材、L 型材、Z型材和 U型材是軍機(jī)常用的類型,除了上述4種類型，民機(jī)還有C型材和TUT型材。采用擠壓型材制造的框類零件以及長(zhǎng)桁類零件等為滿足裝配需求，通常會(huì)出現(xiàn)縱橫交叉的情況，這就需要在型材上設(shè)計(jì)一個(gè)或者幾個(gè)下陷，下陷的主要形式分為單面下陷成形、雙面下陷成形、直下陷成形、彎曲下陷成形等，下陷區(qū)分布在型材的端頭或者型材中間位置。下陷成形過程需滿足工藝要求，兩個(gè)主要的工藝參數(shù)為下陷深度以及過渡區(qū)長(zhǎng)度，如圖1所示。

圖1 下陷的形式

綜上所述，型材下陷成形技術(shù)是飛機(jī)零件成形工藝中廣泛采用的一種零件加工技術(shù)，但由于型材下陷變形區(qū)材料的彈性變形會(huì)產(chǎn)生回彈[1-2]，而零件的回彈會(huì)使成形件產(chǎn)生形狀誤差，嚴(yán)重降低成形零件的質(zhì)量以及后續(xù)裝配的進(jìn)度。因此，改進(jìn)型材下陷成形的工藝水平對(duì)提高飛機(jī)制造水平和節(jié)約成本具有十分重要的意義[3-6]。為了研究回彈對(duì)于成形件的影響，本文通過有限元分析模擬型材下陷過程，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析的合理性。

1 利用有限元模擬分析型材下陷成形過程

采用ABAQUS有限元軟件，針對(duì)L型材和T型材的下陷成形進(jìn)行了有限元建模，L型材長(zhǎng)度為387mm，截面圖尺寸如圖2所示。T型材長(zhǎng)度為340 mm，截面圖尺寸如圖3所示。零件材料為L(zhǎng)Y12， LY12的密度為2 780 kg/m3,楊氏模量70 000 MPa,泊松比0.34[7]，室溫下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。下面以L型材為例介紹下陷成形有限元模型的建模，零件采用三維八節(jié)點(diǎn)線性六面體顯式單元C3D8R,網(wǎng)格單元數(shù)量為35696。劃分網(wǎng)格后的L型材零件如圖5所示，上、下模具均采用四節(jié)點(diǎn)三錐雙線性剛性隱式單元R3D4，將上模與下模約束為剛體，對(duì)于上下模具的邊界條件為限制下模具的全部自由度，僅保留上模具沿Y軸方向移動(dòng)的自由度，零件為變形體，考慮到型材與模具之間存在摩擦力，摩擦類型為庫(kù)侖摩擦[8-10]，摩擦系數(shù)為μ=0.1，接觸采用罰函數(shù)法通用接觸，質(zhì)量放大系數(shù)為10，劃分網(wǎng)格后的模具有限元模型如圖6所示,網(wǎng)格劃分過程中對(duì)某些接觸狀態(tài)復(fù)雜或應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)復(fù)雜區(qū)域要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化[11-13]。

圖2 L型材截面形狀與尺寸

圖3 T型材截面形狀與尺寸

圖4 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 零件模型

L型材下陷成形過程如圖7所示，型材下陷成形是由上下模施加一定成形力擠壓零件成形的過程[14]。零件處于上下模之間，型材在上模具的擠壓及下模具的支撐作用下，左側(cè)區(qū)域的端頭部分開始向貼近下模具的方向彎曲變形，端頭部分彎曲到一定程度后，開始與下模接觸，在模具作用下，非下陷區(qū)域向貼近上模的方向變形，下陷區(qū)域向下繼續(xù)彎曲變形，直到上模具與下模具達(dá)到預(yù)設(shè)的距離，型材下陷成形過程結(jié)束。

圖6 模具模型

圖7 型材下陷成形過程

在ABAQUS/EXPLICIT求解器中進(jìn)行分析計(jì)算，分析完成后在分析模塊中進(jìn)行后處理操作[15]。輸出空間節(jié)點(diǎn)的位移量，L型材節(jié)點(diǎn)的位移云圖如圖8所示，T型材節(jié)點(diǎn)的位移云圖如圖9所示。通過拾取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)來獲取節(jié)點(diǎn)Y向的位移值，分別拾取左右兩側(cè)的下陷處、端頭、下陷與端頭中間位置的位移值，對(duì)于L型材，選取下陷處的位置作為測(cè)量位置1，端頭處的位置作為測(cè)量位置3，下陷處與端頭處的中間位置作為測(cè)量位置2，測(cè)量位置的示意圖如圖10所示。 T型材是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，分別在左右兩側(cè)測(cè)量區(qū)域測(cè)量，選取下陷處的位置作為測(cè)量位置1，端頭處的位置作為測(cè)量位置3，下陷處與端頭處的中間位置作為測(cè)量位置2。取左右兩個(gè)測(cè)量位置的平均值，測(cè)量數(shù)據(jù)的單位為mm,測(cè)量位置的示意圖如圖11所示。對(duì)L型材、T型材的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表1、表2所示。

圖8 L型材節(jié)點(diǎn)位移云圖

圖9 T型材節(jié)點(diǎn)位移云圖

圖10 L型材測(cè)量位置

圖11 T型材測(cè)量位置

表1 L型材位移數(shù)據(jù)mm

表2 T型材位移數(shù)據(jù) mm

2 型材沖壓成形試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證有限元仿真的可行性，選擇L型材和T型件作為研究對(duì)象，進(jìn)行型材沖壓成形試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及模具

試驗(yàn)采用的設(shè)備是型號(hào)為YB32-100C單動(dòng)液壓機(jī)，沖壓試驗(yàn)選取壓力為15 MPa。L型材下陷量為2.36 mm,T型材下陷量為3.05 mm。試驗(yàn)采用的L型材和T型材的尺寸規(guī)格與上述有限元模擬采用的規(guī)格一致，所需模具為依據(jù)上述有限元模擬進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)生產(chǎn)需求自行制造，如圖12、13所示。

圖12 L型材模具

圖13 T型材模具

2.2 型材沖壓成形試驗(yàn)結(jié)果分析

沖壓后的L型材件如圖14所示，沖壓后的T型材件如圖15所示。試驗(yàn)給出的L型材和T型材下陷量與上述有限元模擬的下陷量相同，回彈后下陷深度的測(cè)量位置與圖10、11所示的有限元模擬的測(cè)量位置保持一致。L型材下陷深度的測(cè)量數(shù)據(jù)及平均值，如表3所示。T型材下陷深度的測(cè)量數(shù)據(jù)及平均值，如表4所示。L型材下陷深度的有限元模擬值與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值對(duì)比，如圖16所示。T型材下陷深度的有限元模擬值與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值對(duì)比，如圖17所示。

圖14 L型材件

圖15 T型材件

表3 L型材下陷深度數(shù)據(jù)mm

表4 T型材下陷深度數(shù)據(jù) mm

圖16 L型材下陷深度有限元分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖17 T型材下陷深度有限元分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表3得出，回彈后的下陷深度在1.86 mm與2.36 mm之間。從圖16看出，回彈后下陷處的下陷深度要小于端頭處的下陷深度，測(cè)量數(shù)據(jù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。從表4得出，回彈后的下陷深度在2.54 mm與2.80 mm之間。從圖17看出，回彈后的下陷處的下陷深度要小于端頭處的下陷深度，測(cè)量數(shù)據(jù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

L型材有限元分析的結(jié)果中，位置1的平均值為2.05 mm，位置2的平均值為2.08 mm，位置3的平均值為2.13 mm。試驗(yàn)結(jié)果中位置1的平均值為2.05 mm，位置2的平均值為2.08 mm，位置3的平均值為2.19 mm，各個(gè)位置模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的偏差均未超過3%。T型材有限元分析的結(jié)果中，位置1的平均值為2.83 mm，位置2的平均值為2.90 mm，位置3的平均值為2.90 mm。試驗(yàn)結(jié)果中位置1的平均值為2.67 mm，位置2的平均值為2.67 mm，位置3的平均值為2.71 mm。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的偏差分別為5.99%、8.61%、7.01%。

比較回彈后型材下陷深度的模擬值與模擬的下陷量可以得到回彈量，對(duì)于L型材，位置1的回彈量為0.31 mm，位置2的回彈量為0.28 mm，位置3的回彈量為0.23 mm。對(duì)于T型材，位置1的回彈量為0.22 mm，位置2的回彈量為0.15 mm，位置3的回彈量為0.15 mm。對(duì)比L型材和T型材的回彈量可以看出，T型材的回彈量較小，型材的截面形狀對(duì)型材下陷成形具有很大的影響，截面形狀越復(fù)雜，下陷成形后的回彈量越小。

3 模具壓下量與目標(biāo)下陷深度的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)與仿真結(jié)果，綜合分析可得到模具壓下量與目標(biāo)下陷深度的關(guān)系：

(1)對(duì)于L型材，選取模具壓下量為1.86 mm、2.36 mm、2.86 mm,進(jìn)行有限元模擬的對(duì)比分析，有限元模擬的測(cè)量位置與圖10、11所示的測(cè)量位置保持一致。得到的每個(gè)位置的下陷深度，并取平均值，模具壓下量1.86 mm、2.36 mm、2.86 mm對(duì)應(yīng)的下陷深度分別為1.55 mm、2.08 mm、2.45 mm，如圖18所示。

圖18 L型材壓下量與下陷深度的關(guān)系

(2)對(duì)于T型材，選取模具壓下量為2.05 mm、2.55 mm、3.05 mm,進(jìn)行有限元模擬的對(duì)比分析，有限元模擬的測(cè)量位置與圖10、11所示的測(cè)量位置保持一致。得到的每個(gè)位置的下陷深度，并取平均值，模具壓下量2.05 mm、2.55 mm、3.05 mm對(duì)應(yīng)的下陷深度分別為1.45 mm、2.10 mm、2.88 mm,如圖19所示。

圖19 T型材壓下量與下陷深度的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)對(duì)于直下陷L型材，在下陷附近的區(qū)域下陷深度小，遠(yuǎn)離下陷區(qū)的下陷深度大；對(duì)于直下陷T型材，在下陷區(qū)附近的下陷深度小，而在T型材的端部下陷深度大。

(2)L型材直下陷成形后的回彈量比T型材直下陷成形后的回彈量大，這種現(xiàn)象與截面形狀有關(guān)，截面形狀越復(fù)雜回彈量越小。

(3)有限元模擬值與試驗(yàn)值在每個(gè)位置的測(cè)量數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)基本一致,回彈后下陷深度的模擬值與試驗(yàn)值比較接近，證明了通過ABAQUS有限元分析建模與求解的可行性與合理性。通過對(duì)比有限元模擬，根據(jù)模具壓下量與目標(biāo)下陷深度的關(guān)系分析，本文所提出的有限元模擬及試驗(yàn)方法可以用來指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，為優(yōu)化模具提供了參考依據(jù)。