畢業(yè)論文范文——鈦合金板材彎曲成形數值模擬及應用研究

1、<p><b>　　西安航空職業(yè)學院</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　鈦合金板材彎曲成形數值模擬及應用研究</p><p>　　姓 名： </p><p>　　專 業(yè)：  航空

2、電子 </p><p>　　班 級： </p><p>　　完成日期： </p><p>　　指導教師: </p><p>　　摘 要 為了進一步研究TA15板材的冷折彎成形規(guī)律，基于金屬板料成

3、形有限元模擬成形軟件PamStamp2G，對TA15板材冷折彎過程進行了模擬仿真，分析了凸模行程、凹模跨度、凸模圓角等成形參數對板材折彎后回彈的影響規(guī)律，并對TA15板材折彎的極限角度、回彈角度進行了研究。同時開展了相關工藝試驗，通過對比模擬結果與試驗數據，發(fā)現兩者趨勢基本一致，結果較為吻合，驗證了PamStamp2G有限元仿真在TA15板材冷折彎成形過程中應用的有效性和可行性。</p><p>　　關鍵字 有限

4、元模擬,冷折彎,鈦合金</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　板料折彎是典型的彎曲成形，彎曲成形理論模型的研究始于20世紀初，Ludwik建立了梁塑性彎曲的工程理論。1950年，Hill建立了塑性彎曲的精確數學理論，奠定了板料彎曲成形的理論基礎[1]。隨著計算機技術和塑性成形理論的發(fā)展，有限元理論和仿真軟件出現，并在板料成形領域的發(fā)揮著重要

5、作用。</p><p>　　板料折彎變形可分自由彎曲、反向彎曲和校正彎曲，鈦合金板的折彎適用于成形小角度零件，宜采取自由彎曲形式。自由彎曲是一個存在材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性等多重因素的復雜非線性過程，材料性能和尺寸、機床速度和壓力、模具行程和尺寸等均影響零件成形質量，傳統(tǒng)的解析方法難于獲得合理的精確解，而有限元的發(fā)展和應用為該類復雜問題的解決提供了有效的途徑[2]。本文結合有限元模擬與試驗，研究折彎

6、零件的應力與應變、角度、回彈、破裂等狀態(tài)。</p><p>　　板料彎曲回彈的大小與彎曲件的形狀、材料的力學性能、成形方式以及模具間隙等許多因素都有關系，這使得回彈的分析與計算較為復雜。而且回彈現象的存在嚴重降低了成形零件的精度和質量，給零件的后續(xù)使用及裝配帶來很大的困難，嚴重影響了企業(yè)的生產效率，并有可能因此埋下很大的安全隱患。因此，對回彈現象進行深入的研究，精確預測回彈大小并有效控制回彈是很有必要的。<

7、/p><p><b>　　2 零件特點</b></p><p>　　圖1所示為簡單折彎件，材料為TA15M鈦合金板材，厚度為δ1.0mm，其中彎曲半徑R為1mm，折彎兩種角度，彎曲角分別為7.6°和5.8°?？紤]到生產效率和制造成本，該零件選擇選擇冷折彎成形。該零件折彎的難點在于成形裝備的選擇、回彈的預估、折彎成形極限的判定，從不產生裂紋和提高成形精度

8、兩個方面控制零件質量。</p><p>　　彎曲成形是將板料、棒料、型材或管料等彎成一定形狀和角度的零件的一種沖壓成形工序。</p><p>　　彎曲成形工藝有V 形彎曲、U 形彎曲、角彎曲、滾彎曲、拉彎成形等多種成形工藝。彎曲成形和所有的塑性成形工藝一樣，都有彈性變形，卸載后彎曲件會產生一定的回彈，使得彎曲件的彎曲中心角和彎曲半徑變得與模具尺寸不一致。</p><p&

9、gt;<b>　　圖1 折彎件示意圖</b></p><p>　　3 折彎成形有限元模型的建立</p><p>　　采用金屬板料成形專業(yè)有限元模擬成形軟件PamStamp2G，對TA15板材冷折彎過程進行模擬仿真，整個過程分為兩個階段，即基于顯式算法的折彎塑性成形階段，和基于隱式算法的卸載回彈階段。根據零件特點，本文主要模擬研究了凸模行程、凹?？缍?、凸模圓角的變化等參

10、數對板材折彎角度和回彈的影響。通過有限元模擬分析研究折彎成形過程中零件的應力應變狀態(tài)和卸載過程中出現的回彈現象，同時預測折彎的成形極限角度，從而指導生產成形設備和工裝的選擇，避免出現折彎過程中的破裂等缺陷。成形過程的有限元數值模擬的建模過程中，在保證模擬計算精度的前提下為節(jié)約計算時間忽略了模具的彈性性質，將凸模和凹模簡化為剛性約束面，而將板料設為可變形體，采用八節(jié)點六面體三維等參數單元劃分網格，并在板料彎曲范圍局部細化單元尺寸以提高其變

11、形仿真精度，為了更好地與實際折彎試驗進行比較分析，選用了精度較高的正交各向異性材料模型，其中所建有限元模型如圖2所示。</p><p>　　圖2 折彎成形有限元分析模型</p><p>　　為了使有限元模擬結果更接近于板材的實際變形性能，對厚度為1mm的TA15材料做了室溫拉伸試驗，得到的材料的基本性能參數如表1所示。</p><p>　　表1 TA15板材室溫拉伸

12、基本性能參數</p><p><b>　　4 有限元數值模擬</b></p><p>　　4.1 折彎件的應力狀態(tài)分析</p><p>　　折彎件的回彈，跟成形過程中折彎零件所受的應力狀態(tài)密切相關。考慮到實際折彎件的尺寸較大等特性，本文在分析折彎成形的應力狀態(tài)時只取折彎件的折彎部分進行局部應力狀態(tài)分析。其中圖3為折彎件卸載前的主應力分布云圖，圖

13、4為折彎件卸載前的次應力分布云圖。從圖3中可知，折彎件內表面主應力為壓應力，外表面主應力為拉應力，中性層主應力接近為零，折彎兩直邊所受主應力接近為零；從圖4中可知，折彎件內表面次應力為壓應力，外表面次應力為壓應力，中性層次應力接近為零，折彎兩直邊所受次應力仍接近為零。這里主應力主要是指環(huán)向應力，次應力指厚向應力。這與實際成形過程中所受的應力狀態(tài)時一致的，即內表面主要發(fā)生壓縮變形，外表面發(fā)生拉伸變形，折彎直邊段為未變形區(qū)。折彎件內壓外拉的

14、受力狀態(tài)易促進回彈的產生，因此在成形的過程中可以考慮通過改變其受力狀態(tài)來減少回彈的產生。</p><p>　　圖3卸載前的局部主應力分布云圖 圖4卸載前的局部次應力分布云圖</p><p>　　4.2 凸模圓角半徑和凹?？缍葘貜椊铅う恋挠绊?lt;/p><p>　　為了探究凸模圓角、凹?？缍葘貜椊铅う恋挠绊?，本文選擇凸模半徑分別為1mm和3mm、分別進行凹

15、?？缍葹?mm、8mm、12mm、20mm、40mm、60mm、80mm的折彎成形，折彎角為39°，折彎成形結果對比如圖5所示。從圖中對比可得，對于不同的凸模圓角，回彈角Δα的變化趨勢基本一致，回彈角隨凸模半徑R的增大而略有增加；而回彈角隨著凹?？缍鹊淖兇髤s快速增大，其中在凹?？缍刃∮?0mm時增長較快、凹模跨度大于60mm時增長平緩， 在凹模跨度B<20mm時，回彈角較小，受跨距影響相對較??；在凹?？缍?0mm<

16、B<60mm時，回彈角較大，回彈受跨距的影響較大。在相同彎曲角的條件下，隨著凸模圓角和凹?？缍鹊脑龃?，折彎件變形程度減小，彈性變形在總變形量中的增大，卸載后的彈性回復量也變大。</p><p>　　圖5 回彈和凸模圓角、凹?？缍鹊年P系</p><p>　　4.3凸模行程D對彎曲角α和回彈率β的影響</p><p>　　折彎件的變形程度隨凸模行程D的變化而變化，

17、為了考察凸模行程對彎曲角α和回彈率β的影響，在其他變形參數相同的條件下，選擇凸模半徑R為1mm、凹?？缍葹?2mm，凸模行程為一系列變化值進行有限元模擬。研究凸模行程對彎曲角α和回彈率β的影響規(guī)律，其中圖6為不同凸模行程D對彎曲角α的影響，圖7為不同凸模行程D對回彈率β的影響。從圖6可知，隨著凸模行程的增大，彎曲角幾乎呈線性增大；從圖7可知，隨著凸模行程的增大，回彈率在凸模行程較小時，呈快速下降趨勢，凸模行程較大時逐漸趨向平緩，說明在凸

18、模行程較小時，彈性變形占總變形量中的比例相對較大，因而卸載后產生的回彈量較大；而隨著凸模行程的增大，折彎件總變形量增大，同時總變形量中塑性變形所占的比例逐漸增大，因而卸載后彈性回復量隨之減小，因而回彈率β逐漸變小。</p><p>　　圖6 凸模行程D對彎曲角α的影響 圖7凸模行程D對回彈率β的影響</p><p>　　通過對凸模行程D對彎曲角α和回彈率β的影響規(guī)律的數值模擬結果分

19、析，擬合圖6和圖7的曲線方程可得到彎曲角、回彈率與凸模行程之間的關系式如式(1)和式(2)。根據公式（1）和（2），如果已知目標彎曲角，可以預測相應折彎凸模行程和回彈角，這對實際生產折彎件具有理論指導意義。</p><p><b>　　(1)</b></p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　4.4

20、折彎成形極限分析</p><p>　　材料成形極限的大小在材料的成形性能中最為重要，它反映了材料在各種應力應變狀態(tài)下局部極限變形能力的大小。本文研究凸模圓角R為1mm、凹?？缍菳為12mm條件下的板材回彈角度和成形極限。經過大量的有限元模擬發(fā)現，當行程1.5mm時，回彈后角度18.22°，對應成形極限圖FLD如圖8所示。從圖8中可以看出材料折彎區(qū)域均在安全區(qū)域內，能夠順利折彎，沒有產生裂紋。但部分應變分

21、布點已接近破裂臨界區(qū)，易產生破裂趨勢。當行程2.0mm時，回彈后角度29.76°，該凸模行程下的FLD圖如圖9所示。從圖9中可以看出材料折彎范圍內有部分區(qū)域已在破裂區(qū)內，會有裂紋現象產生。因此可以得到凸模圓角R為1mm、凹模跨度B為12mm條件下的極限凸模行程為1.5mm。通過分析該行程下的主應變云圖分布，如圖10所示，發(fā)現在零件邊緣出現材料內表面向外翻起，這種現象與實際折彎成形相吻合。</p><p>

22、;　　圖8 行程1.5mm時FLD圖 圖9 行程2.0mm時FLD圖</p><p>　　圖10 在FLD云圖（左）、主應力云圖（中）、主應變云圖（右）中棱線邊緣外翻問題</p><p><b>　　5 試驗分析</b></p><p>　　結合上述有限元數值模擬結果，選取材料為TA15M，厚度為δ1.0mm的鈦合金板材

23、，所用設備為PBB-110/3100數控折彎機進行試驗分析。考慮到生產成本和降低折彎成形過程中出現的動態(tài)效應，取凸模下壓平均速度為10mm/s。本文為了研究凸模行程D對彎曲角α的影響，同時驗證通過模擬結果擬合的彎曲角、回彈率與凸模行程之間的公式正確性，選取折彎凹模跨度B為12mm，凸模圓角為1mm。通過上述公式（1）理論計算出彎曲角為7.6°和5.8°的凸模下降行程分別為0.84mm和0.74mm；根據公式（2）理論

24、計算出，彎曲角為7.6°和5.8°的回彈角分別為8.91°、7.81°。在上述設備參數條件下，對彎曲角為5.8°和7.6°進行了試驗研究，模擬和試驗的具體參數對比如表2所示。由表2可知，與數值模擬分析結果相比較，相應試驗結果數值整體偏小，但相差誤差不大，因此數值模擬分析結果和試驗結果基本吻合，說明了通過模擬擬合的回彈角和回彈率與凸模行程的公式是可行有效的。其中造成兩者產生誤差、

25、影響有限元分析結果的主要因素有板材性能、有限元模型、邊界條件、摩擦系數等。</p><p>　　表2彎曲角為5.8°和7.6°模擬與試驗數據對比</p><p>　　根據前文凸模圓角半徑R和凹?？鏐度對回彈角Δα影響的有限元模擬結果，試驗選擇凸模半徑分別為1mm和3mm、分別進行凹?？缍葹?mm、8mm、12mm、20mm、40mm、60mm、80mm的折彎成形，折彎角

26、為39°。試驗折彎成形結果和有限元數值模擬結果對比如圖11所示。從圖中可以看出，試驗件回彈角隨著凸模圓角和凹?？缍鹊脑龃蠖龃?，且受凹模跨度的影響相對明顯。試驗件測量得到的回彈角Δα比相應的有限元計算結果略小，但回彈角總的變化趨勢基本一致。</p><p>　　圖11 不同凹模跨度B和凸模圓角R對回彈角Δα影響的數值模擬和試驗結果對比</p><p>　　為進一步探究TA15板材

27、的折彎性能和降低折彎廢品率，提高折彎工藝的成形效果，本文結合前文所述的數值模擬結果，進行該板材的破裂極限彎曲角試驗研究。選取試驗折彎凹模跨度B為12mm，凸模圓角R為1mm，得到試驗值與模擬值的極限凸模行程D和回彈角△α對比數據如表3所示。其中極限彎曲破裂試驗件如圖12所示。從表3中可以看出，在相同凹?？缍群屯鼓A角條件下，試驗的極限凸模行程比模擬得到的極限行程D和回彈角△α均略微偏大，但結果基本一致，說明模擬得到的成形極限凸模行程對實

28、際生產具有指導意義；無論是試驗值還是模擬值，凸模極限下降行程偏小，回彈角數值整體較大，說明在材料TA15冷折彎性能較差，塑性變形區(qū)間較小，回彈較大。可見回彈現象對折彎成形的尺寸精度和形狀精度影響較大，不能忽視，實際生產過程中可通過增加彎曲角度進行角度回彈補償，以此獲得比較滿意的折彎件。</p><p>　　表3 成形極限模擬與試驗數據對比</p><p>　　圖12 破裂極限彎曲試驗件(左

29、)、極限裂紋形貌（右）</p><p><b>　　6 結論</b></p><p>　　(1)建立了材料TA15折彎成形的有限元仿真模型，對包含折彎成形和卸載回彈在內的折彎成形全過程進行了系列全面的模擬計算，所得結果和試驗結果誤差較小，基本一致，為今后進一步設計和制定折彎成形制定合理的成形工藝提供了有效的參考。</p><p>　　(2)回彈

30、角隨著凸模半徑R和凹模跨度B的增大而增大，其中回彈角受跨距的影響較大，在凹?？缍刃∮?0mm時增長較快、凹模跨度大于60mm時增長平緩。</p><p>　　(3)隨著凸模行程D的增大，彎曲角α幾乎呈線性增大，而回彈率β在凸模行程較小時，呈快速下降趨勢，凸模行程較大時逐漸趨向平緩；同時擬合得到了彎曲角α和回彈率β與凸模行程D之間的關系式，經過試驗驗證，該關系式能有效預測回彈角的大小。</p><

31、;p>　　(4)鈦合金TA15板材的成形極限凸模行程較小，冷折彎性能較差，塑性變形區(qū)間較小，回彈較大。</p><p>　　(5)采用有限元分析的手段，能有效地解析板材折彎成形過程中存在的回彈和破裂問題，大大減小了材料成本、試彎周期和生產周期。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉海燕、金霞. 板料

32、成形的回彈預測方法研究. 機械制造與研究,2008，37(6)，40~44</p><p>　　[2] 李建、趙軍、高穎、馬瑞. 寬板V型自由彎曲回彈模擬精度及回彈影響因素研究. 燕山大學學報，2008，32(05)，193~196</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　論文的寫作過程確實是個艱苦的歷程，但是自己還是盡

33、力地投入到這項工作中去，不斷地搜集資料，修改與整理論文，其中的艱辛可想而知。</p><p>　　幸運的是，在論文的撰寫過程中，我得到了導師的幫助，在此向他表示深深的感謝。導師總是及時、耐心地引導我該怎么樣去寫好論文并對論文提出了許多寶貴的意見，從導師那里學會的一種“嚴謹、認真、耐心”的學術態(tài)度讓我終生受益。</p><p>　　還有我的一些同學和朋友，幫忙提供了一些寶貴的資料，可以說，正