基于逆向工程板式熱交換器鈦板成形數(shù)值模擬研究

王彥龍，李效波，朱海舟，楊進納

（蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責任公司，甘肅 蘭州 730314）

0 引言

采用鈦板作為熱交換器的板片，比普通材質(zhì)熱交換器具有更優(yōu)異的耐腐蝕性能，在核電、船舶、海水淡化等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1]。鈦板成形精度對板式熱交換器性能影響較大，鈦板在生產(chǎn)現(xiàn)場沖壓試模存在成本高[2]、沖壓試模周期長等問題。目前鈦板成形數(shù)值模擬面臨的問題[3]：①仿真模面數(shù)模來自理論設(shè)計數(shù)據(jù)，而現(xiàn)場生產(chǎn)中模具經(jīng)過加工、鉗工研磨、沖壓磨損等，與理論數(shù)模存在較大差異，得到的分析結(jié)果誤差大；②數(shù)值模擬分析軟件自帶材料庫中缺少所需材料，而分析定制材料需要試驗，如材料FLD成形極限曲線測試需要專業(yè)的測試機構(gòu)以及較高的成本，如分析材料力學性能不準確會得到誤差較大的分析結(jié)果[4]。

通過模擬杯突試驗進行材料分析，實現(xiàn)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和測試力學性能數(shù)據(jù)的吻合[5]；通過逆向工程獲取實物數(shù)模用于仿真，得到精確的數(shù)值模擬結(jié)果，縮短了試驗周期。因此研究焦點是以模擬杯突試驗進行鈦板CAE分析測試材料[6]，解決仿真材料力學性能不準確的問題，以企業(yè)正常生產(chǎn)的板式熱交換器板片（外形尺寸為745 mm×295 mm×0.6 mm）成形模進行逆向工程（見圖1）建模[7]，以獲得準確的CAE分析模面，減小仿真數(shù)模與實際成形模的誤差，以板片最大減薄率為目標進行沖壓試模并與CAE數(shù)值模擬分析進行對比驗證，為板式熱交換器在工程應(yīng)用中精確模擬提供參考。

圖1 板式熱交換器板片

1 鈦板材料試驗

1.1 材料參數(shù)建立

試驗測得Gr.1鈦板樣品材料力學性能參數(shù)如表1所示，在AutoForm沖壓有限元分析軟件中，按表2所示參數(shù)進行定制鈦板材料初始分析。初始分析參數(shù)中硬化曲線選擇Swift模型后，屈服強度、抗拉強度和硬化指數(shù)三者參數(shù)關(guān)系由Swift模型給定，只需2個參數(shù)即可獲得另1個參數(shù)。因此初始參數(shù)以試驗獲得屈服強度和抗拉強度進行初始定義。

表1 試驗獲得Gr.1鈦板力學性能參數(shù)

表2 AutoForm定制鈦板分析參數(shù)

1.2 鈦板杯突試驗

杯突試驗是測定板料成形性能的重要試驗方法之一，尤其對于板式熱交換器板片脹形類成形結(jié)構(gòu)，通過杯突值能更好地衡量板料的成形性能。定制鈦板材料分析參數(shù)需進行材料力學性能試驗，得到如彈性模量、延伸率、屈服強度和抗拉強度等參數(shù)，建立材料本構(gòu)方程和FLD成形極限曲線等關(guān)鍵模擬參數(shù)[8]。

參照埃里克森杯突試驗建立數(shù)模[9]，導(dǎo)入Auto?Form中，根據(jù)試驗杯突數(shù)據(jù)杯突值為10.7 mm。調(diào)整球頭凸模工具體深度為13 mm，即對球頭凸模深度10～13 mm仿真計算中調(diào)整步進為0.1 mm，仿真計算結(jié)束后記錄后處理結(jié)果，得到球頭凸模深度在10～13 mm內(nèi)每間隔距離0.1 mm的所有計算結(jié)果，確定成形破裂點出現(xiàn)時步進，即得到杯突值。

邊界條件設(shè)置中定義板料尺寸：90 mm×90 mm×0.6 mm；定義工序類型為Crashform；定義板料放置位置為下模壓邊圈，板料與模具零件的摩擦系數(shù)為0.12；定義下模壓邊圈初始預(yù)壓力為10 kN，如圖2所示。

圖2 杯突試驗裝置分析工具體

網(wǎng)格劃分中，設(shè)置拉伸網(wǎng)格類型為EPS-11，圓角穿透為0.1 mm，最大網(wǎng)格角度為5°，主網(wǎng)格尺寸為10 mm，設(shè)置工具體拉深到底時間控制子步為0.1 mm、控制子步數(shù)為30步、劃分大小選擇默認，啟動求解器進行計算。計算完成后統(tǒng)計網(wǎng)格結(jié)構(gòu)數(shù)量共計50 000個。

通過查看成形分析云圖，確定成形破裂點出現(xiàn)時步進即杯突值。按初始分析參數(shù)定義鈦板材料成形破裂點杯突值為12.4 mm，而鈦板樣品的試驗杯突值為10.7 mm。對比模擬杯突值與試驗測試杯突值偏差，主要原因是模擬分析材料定義時選擇硬化曲線Swift模型與實際存在一定差異。通過多次對硬化指數(shù)n值調(diào)整和模擬分析[10]，得到模擬杯突值與試驗測試杯突值較接近的數(shù)值，如圖3所示。多次調(diào)整后最接近數(shù)值為模擬杯突值10.5 mm時板料開裂，得到優(yōu)化后的鈦板材料力學性能參數(shù)如表3及圖4所示。

表3 鈦板材料分析參數(shù)

圖3 杯突試驗成形分析云圖

1.3 定制鈦板材料分析參數(shù)

用優(yōu)化后的鈦板材料力學性能數(shù)據(jù)對比初始輸入?yún)?shù)更接近真實的鈦板成形性能[11]，AutoForm自定義材料數(shù)據(jù)如圖4所示。鈦板材料FLD成形極限曲線使用ARCELOR V9公式擬合，極限延伸率參考ASME SB-265標準取25%以確保材料分析安全。

圖4 AutoForm定義鈦板材料數(shù)據(jù)

2 逆向工程數(shù)字模面建立

2.1 逆向掃描數(shù)據(jù)處理

一般仿真模面數(shù)模來自理論設(shè)計數(shù)據(jù)，即模具加工前數(shù)模，而現(xiàn)場生產(chǎn)中模具零件經(jīng)過加工、鉗工研磨、沖壓磨損等，與理論數(shù)模存在較大差異，因此得到分析結(jié)果誤差較大。運用逆向工程技術(shù)掃描板片成形模模面，采集掃描的數(shù)據(jù)與實物更接近，可以提高數(shù)值模擬分析準確性。逆向工程處理掃描數(shù)據(jù)流程為利用FARO 7軸關(guān)節(jié)臂非接觸式三維激光掃描儀準確獲取實物的點云數(shù)據(jù)，在Geog?magic Studio中對點云數(shù)據(jù)進行處理，形成高質(zhì)量三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集包括對板片成形上模模面和下模模面掃描數(shù)據(jù)，形成上模模面和下模模面點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)處理包括處理體外孤點、降噪、過濾和封裝環(huán)節(jié)，封裝后形成多邊形數(shù)據(jù)；多邊形數(shù)據(jù)處理包括刪除釘狀物、降噪、補孔、光順等環(huán)節(jié)，形成高質(zhì)量三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)[12]，如圖5所示。

圖5 逆向工程設(shè)備和掃描點云數(shù)據(jù)

2.2 逆向掃描模面建立

上模模面和下模模面按基準面進行基準對齊，同時上模模面和下模模面間隙按0.6 mm進行對齊，對齊模面進行基準坐標精確對正，完成模具虛擬合模，最終以STL格式文件輸出，用于成形數(shù)值模擬分析。通過逆向工程方法得到用于成形數(shù)值模擬的精確逆向模面，使數(shù)值模擬結(jié)果更接近于實際沖壓生產(chǎn)情況，如圖6所示。

圖6 對齊模面視圖

3 板片成形數(shù)值模擬分析

3.1 分析邊界條件

導(dǎo)入STL格式逆向模面用于成形仿真，分析材料選擇優(yōu)化后鈦板，分析板厚與實際測量厚度一致，模面閉合后間隙與實際板厚調(diào)整一致。分析材料選擇優(yōu)化后鈦板，板料尺寸：750 mm×300 mm×0.6 mm。定義工序類型為Crashform；在板料定義界面，定義板料尺寸與模面的外形大小相同，板料邊界條件設(shè)置為四條邊線自由狀態(tài)無約束，板料放置位置為下模模面；同時定義板料與模具零件的摩擦系數(shù)為0.12；在工具體定義中，選擇導(dǎo)入的逆向模面為上下模模面，如圖7所示。

圖7 板片成形分析工具體

3.2 網(wǎng)格及分析控制參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)格劃分中，設(shè)置計算精度為FV級，設(shè)置拉伸網(wǎng)格類型為EPS-11，最大網(wǎng)格角度為22.5°，設(shè)置工具體拉深到底時間控制子步為0.5 mm、控制子步數(shù)為3、劃分大小選擇默認，啟動求解器進行計算。計算完成后統(tǒng)計網(wǎng)格結(jié)構(gòu)數(shù)量共計123萬。網(wǎng)格在圓角位置細化良好，并且網(wǎng)格大小過渡均勻，說明網(wǎng)格劃分合理，滿足分析要求，如圖8所示。

圖8 板片分析網(wǎng)格

4 模擬結(jié)果分析及實物驗證

4.1 模擬結(jié)果分析

通過成形性分析云圖發(fā)現(xiàn)，大部分成形區(qū)域?qū)儆诎踩珔^(qū)域，靠近板料邊線的平板區(qū)域為局部潛在增厚區(qū)域，整個板片區(qū)域成形性能良好，無破裂區(qū)域，如圖9所示。

圖9 板片成形性分析云圖

工程中判斷板片是否有破裂缺陷，一般考慮板片的最大減薄率，減薄率超過23%則認為有破裂傾向。通過對減薄率分析云圖發(fā)現(xiàn)，靠近板料邊線的平板區(qū)域無減薄，成形區(qū)域普遍存在減薄，減薄率最大位置在圓角尖點處，符合成形規(guī)律，圓角尖點處的最大減薄率均小于23%，如圖10所示。

圖10 板片減薄率分析云圖

4.2 實物驗證

以實際成形鈦板與數(shù)值模擬所得到的鈦板減薄率差值的一致程度評價數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。使用板片成形模進行沖壓試模驗證，模具結(jié)構(gòu)如圖11所示，兩側(cè)固定板7為凸模裝配基準，導(dǎo)柱2和導(dǎo)套3為模具導(dǎo)向系統(tǒng)。工作時，模具與液壓機連接，板料放置在凹模5上，上模在壓力機滑塊作用下緩慢下行閉合，板料被成形為板片。

圖11 板片成形模結(jié)構(gòu)

圖12所示為成形鈦板實物，使用DAKOTA PX-7超聲波測厚儀從板片實物上選取21個位置，測量成形后的最小厚度；同時選取模擬分析后的鈦板對應(yīng)位置的最大減薄率。經(jīng)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化后得到測點區(qū)域最大減薄率時的模擬結(jié)果與實物結(jié)果對比分析。其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式為：板料最大減薄率=（成形后最小厚度-成形前厚度）/成形前厚度×100%；誤差百分比=（實際結(jié)果-模擬結(jié)果）/實際結(jié)果×100%。

圖12 板片測點位置

圖13所示為各測點位置模擬結(jié)果和實物結(jié)果減薄率統(tǒng)計及各測點誤差百分比統(tǒng)計分析，各測點區(qū)域最大減薄率模擬結(jié)果與實物結(jié)果分布基本一致，有限元計算值與試驗測量值在各位置均較為接近，由圖13可知，測點1、2、3、10、11、13、16七個位置誤差在5%～7%，其余14個測點誤差≤5%，其整體測點最大誤差在7%以內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬的準確性，為板式熱交換器板片成形模擬分析提供參考。

圖13 測點誤差百分比統(tǒng)計

5 結(jié)束語

（1）通過鈦板力學試驗數(shù)據(jù)進行模擬分析鈦材料初始定義，并以模擬杯突試驗的方法進行了Auto?Form模擬分析材料測試，調(diào)整優(yōu)化分析材料數(shù)據(jù)，得到可靠的鈦板材料模擬分析數(shù)據(jù)。

（2）通過Geogmagic Studio逆向工程進行板式熱交換器板片成形模上下模面采集點云數(shù)據(jù)，對采集的點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理后將上下模面進行虛擬合模處理，得到用于成形數(shù)值模擬的精確逆向模面，使模擬結(jié)果更接近于實際沖壓生產(chǎn)情況。

（3）通過數(shù)值模擬分析與成形模沖壓試模的最大減薄率對比分析，驗證了整體測量點最大誤差在7%以內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬的準確性，為板式熱交換器板片成形模擬分析提供參考。