不规则四边形截面管件内高压成形数值模拟

孙礼娜，余心宏

（西北工业大学 材料学院，陕西 西安 710072）

不规则四边形截面管件内高压成形数值模拟

孙礼娜，余心宏

（西北工业大学 材料学院，陕西 西安 710072）

以不规则四边形截面管件为研究对象，作内高压成形。基于dynaform软件平台，建立了内高压成形有限元模型，利用该模型研究了内压和轴向进给对不规则四边形管材内高压成形的成形形状、角充填情况及壁厚减薄情况的影响规律，分析了管材破裂和起皱缺陷产生的原因。模拟结果显示，适当减小内压力，同时增大轴向进给量，可以有效地防止破裂的发生。增大内压力和减小轴向进给量，是防止和消除起皱的有效方法，需要注意内压力不能过大，否则会出现破裂。

机械制造；内高压成形；管件；数值模拟

1 引言

在航空、航天和汽车工业等领域，减轻结构质量以节约运行中的能量是人们长期追求的目标，也是现代先进制造技术发展的趋势之一。结构轻量化有两条主要途径：一是材料途径，二是结构途径。内高压成形就是从结构途径实现结构轻量化的重要方法之一[1～2]，它可以有效的减轻零件质量，节约材料，提高强度与刚度，减少零件和模具数量，从而降低生产成本[3～5]，具有广阔的应用前景。

内高压成形技术始于20世纪80年代初，20世纪90年代初开始，德国汽车工业界率先实现了内高压成形的大批量工业化应用，之后在欧洲其他国家、北美、日、韩等国迅速得到推广[6～7]。德国Paderborn大学最早对内高压成形技术进行系统研究，F.Dohmann教授[8]在内高压成形过程影响因素、失效形式以及有限元模拟方面做了大量工作，系统阐述了内高压成形过程及其过程参数控制的基本原理。俄亥俄州立大学T.Altan教授等[9]人利用有限元模拟方法确定了不同管状结构件液压成形的最佳加载路径。Hwang等[10]对方截面管的成形过程进行了分析。国内，哈尔滨工业大学的苑世剑教授对几类零件（如圆形，T形管和Y形管等）的内高压成形机理进行了全面系统研究；林俊峰等[11]模拟了空心双拐曲轴；清华大学雷丽萍等[12]模拟了轿车副车架；黎俊初等[13]人对异型变径管内高压成形进行了有限元模拟。

由于方形、矩形截面或不规则截面管结构件在汽车工业领域有着良好的应用前景，近年来国内外学者作了大量的研究，在圆管、方形管、T形管和Y形管等的内高压成形方面研究颇多，但对不规则四边形管材的研究较少。本文选择不规则四边形管件为研究对象，对其内高压成形过程进行了三维数值模拟研究，系统分析了内压和轴向进给对成形件的成形形状、角充填情况及壁厚减薄的影响规律，并对破裂和起皱缺陷产生的原因进行了分析。

2 内高压成形原理

内高压成形技术是用管坯作为原料，通过对管腔内施加液体压力及轴向施加载荷作用，使其在给定模具型腔内发生塑性变形，管壁与模具内表面贴合，从而得到所需形状零件的成形技术。基本工艺过程是，首先将管坯放入下模，闭合模具，然后把管坯内部充满液体，并开始施压，在加压的同时管端的冲头按与内压一定的匹配关系向内送料使管坯成形如图1所示。

图1 内高压成形原理示意图

3 有限元模拟

3.1 模型建立

因为 60°、75°、105°和 120°是四边形的典型角度。本文使用这些角度来建立不规则四边形，其有限元模型及模具截面如图2所示。管坯材料取不锈钢SS304，力学参数见表1所示。所用管坯尺寸：外径30mm，长度76mm，管壁厚1.0mm。模具总长度90mm，管材变形区长度50mm。

图2 有限元模型及截面形状

表1 材料参数

采用Dynaform有限元模拟软件和LS-DYNA求解器，管坯为BT壳单元，其他工具均为刚体单元。模拟中，假设管坯材料模型为各向同性弹塑体，符合Mises屈服准则，材料在成形过程中的硬化规律为 σ=Kεn，其中 K=1426MPa，n=0.502。管坯与模具间的摩擦系数取0.1，成形时间为0.01s。

3.2 模拟方案

内高压成形过程中，影响因素比较多，如材料性能、摩擦、轴向进给和内压力等。其中轴向进给量与内压力的匹配关系称为加载路径，也是影响内高压成形性能的关键因素，它直接影响截面的形状、厚度分布和最终的成形尺寸。在内高压成形过程中，只有给出内压力与轴向进给的合理匹配关系，才能获得合格的零件。

经过分析，本文设计了如下方案，如表2所示。选择了在不同的轴向进给和不同内压情况下，来研究内压和轴向进给对不规则四边形构件的成形形状、角充填情况及壁厚减薄的影响规律。分析了内高压成形过程中破裂和起皱缺陷产生的原因。

表2 模拟方案

4 模拟结果和分析

在成形前管材和模具有四个接触点（N1、N2、N3和N4）。随着压力的增大，管材与模具接触部分越来越多，形成直角边。随着直角边长度的增加，材料的流动越来越困难，圆角区得不到补给，管材壁厚减薄就比较严重，且直边区与圆角区的过渡处壁厚减薄剧烈甚至开裂，因此，圆角的充填是反映内高压成形性能的一个关键问题。由图2可以看出，60°角处管材的变形程度最大，也是最容易破裂的位置，所以，60°角半径最能反映圆角的充填情况。由图1中的DH1和DH2反应了变形后管材的尺寸。为了简便，这里只分析DH1。所以，为了得到合理的成形形状，综合分析内压力和轴向进给互相匹配的结果，本文从60°角半径，DH1和最小壁厚与内压和轴向进给的关系来表达内高压成形管材的成形情况。

4.1 内压对成形的影响

通过有限元模拟，在无轴向进给时，通过分析管材内高压成形后的DH1、60°角半径和最小壁厚与轴向进给的关系，研究内压对管材成形的影响规律，模拟分析结果如图3所示。

图3 无轴向进给时模拟分析结果

由图3中曲线的变化趋势可以看出，DH1的值随着内压的增大而增大，60°角半径和最小壁厚随着内压的增大而减小。说明加大内压，管材的成形形状更贴近模具，角充填情况更好，但管材的最小厚度却越来越小，相应的减薄率随之增大，与有轴向进给相比，相同的内压下产生破裂的可能性就较大。

对于相同的轴向进给，不同的内压对管坯产生的变形量是不一样的，说明内压是管坯发生变形的主要因素。随着内压力的增加，管坯的变形量越来越大，管壁厚度明显减小。由于内压过大，引起环向应力远远大于轴向应力，达到了材料的变形极限而产生了破裂。当内压力过大而轴向力相对较小或者内压力迅速增大而轴向力增长缓慢时，中间内高压成形部分面积急剧加大，两端的材料不能及时的补给，造成中间部分厚度极度变薄，容易出现破裂现象。当取内压95MPa，无轴向进给时，成形结果如图4所示。原因是因为内压力过大而无轴向进给，会使中间内高压部分厚度过度减薄，从而导致了破裂的产生。

图4 破裂缺陷时管材成形极限图

图5 不同轴向进给时的模拟结果

4.2 轴向进给对成形的影响

若内压不变，轴向进给改变，如表2所示，内压取值为 80MPa。管材两端的进给量分别 为 0.2mm，4mm，6mm，8mm。

通过有限元模拟，在不同轴向进给情况下，管材内高压成形后的DH1、60°角 半 径和最小壁厚与轴向进给的关系如图5所示。

由图5可以看出，在内压一定的情况下，随着轴向进给的加大，DH1和最小壁厚的值有所增大，60°角半径的值有所减小。说明在单独增大轴向进给量的情况下，管材成形形状更贴近模具，角充填情况更好，壁厚减薄的情况得到减缓。轴向进给的加大使管材的成形极限加大，说明轴向进给是影响内高压成形的一个主要因素。

从管坯内高压成形的模拟过程来看，在管材内高压成形的低压成形阶段，如果轴向进给较小，对应管材的轴向收缩量也就比较少，那么在管材内高压成形过程中补给的材料也就不足，轴向力的补料作用不能发挥完全，管壁的减薄量就会很大，这时轴向的补料作用是很明显的。当管材进入高压成形阶段，由于管材和模具的贴合区域较大，产生了很大的摩擦，轴向进给的补料作用就不是很明显，管材只有通过自身厚度的减薄来达到胀大成形的目的，这时也是最容易发生破裂的阶段。所以需要在成形的初始阶段，在不产生起皱缺陷的情况下，尽量加大轴向力，以增加轴向补料作用。

当轴向进给量过大而内压力较小时，易产生起皱缺陷。图6所示，是取内压20MPa，轴向进给8mm时，管材因内压过小，轴向进给过大，产生了起皱。

图6 起皱缺陷时管材成形极限图

由以上分析可以看出，内压和轴向进给都是影响内高压成形的主要因素。当内压力过大而轴向进给不足时，管材中间胀形部分厚度过度减薄，从而导致了破裂的产生。当轴向力过大而内压力较小或轴向力增长迅速而内压力增加缓慢时，易产生起皱缺陷。所以，要想得到合格的内高压成形管件，单纯的增大内压和轴向进给量是不行的，需要合理匹配内压和轴向进给的关系。适当减小内压力，同时增大轴向进给量，可以有效地防止破裂的发生。增大内压力和减小轴向进给量是防止和消除起皱的有效方法。但是内压力也不能无限制的增大，否则就会出现破裂，如图4所示。当取内压为80MPa，轴向进给量为4mm时，成形管材的DH1为41.08mm，60°角半径为7.52mm，最小壁厚为0.82mm。此时管材不产生起皱和破裂等缺陷，管材成形性能较好，管材形状如图7所示。

图7 成形管材形状及截面

5 结论

本文对不规则四边形构件内高压成形进行了有限元模拟，分析了内压和轴向进给对其内高压成形的成形形状、角充填情况及壁厚减薄情况的影响规律。并对管材破裂和起皱缺陷产生的原因进行了分析，得出以下结论：

（1）在增大内压和轴向进给量的情况下，管材的变形量增大，DH1的值增大，60°角半径的值减小，即管材形状就越接近模具形状，角充填情况也越好。当内压力过大而轴向进给不足时内高压成形管件的中间部分厚度过度减薄，易产生破裂缺陷。当轴向进给量过大而内压力较小时，易产生起皱缺陷。

（2）适当减小内压力，同时增大轴向进给量，可以有效地防止破裂的发生。增大内压力和减小轴向进给量是防止和消除起皱的有效方法。但是内压力也不能无限制的增大，否则就会出现破裂。

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Numerical simulation of hydroforming process for irregular quadrilateral cross-sectional tube

SUN Lina，YU Xinhong
（School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnic University,Xi'an 710072,Shanxi china）

The irregular quadrilateral cross-section tube has been studied and hydroformed in the text.By use of numerical simulation,the hydroforming finite element model has been established based on dynaform software platform.The affect laws of internal pressure and axial feed to forming shapes,corner filling and wall thinning during the hydroforming process for irregular quadrilateral tube have been studied.The reasons for rupture and wrinkling have been analyzed.The simulation results show that proper decease of the inner pressure and increase of axial feeding volume could prevent the rupture effectively.Meanwhile,the increase of inner pressure and decrease of axial feeding volume is the effective way to prevent and eliminate the wrinkle.But too large inner pressure may cause the rupture.

Hydroforming；Numerical simulation；Inner pressure；Axial feed

TG394

B

1672－0121（2011）06－0090－04

2011－09－05

孙礼娜（1986－），女，硕士在读，主攻管材液压成形