金属板材多点“三明治”成形的数值模拟及实验研究

摘要

多点“三明治”成形(Multi-Point Sandwich Forming,MPSF)是一种模具形面可调整的板材柔性成形新工艺。该工艺可以显著的降低模具的加工费用及时间，特别适用于小批量变曲率工件的成形。目前已经成功的使用于大型风洞收缩段壳体和铝球壳体的制造中。多点“三明治”成形的下模是由高度可调节的冲头阵列组成，上模由排放有序的聚氨酯板构成。并且为了能够成形出表面质量高的工件，在其下还铺设了弹性垫板和金属护板。其中金属护板起到使离散的多点模具连续的作用且可以重复使用，弹性垫板起到抑制工件表面出现压痕的作用。
　　由于该工艺是新近发明的专利技术，对其变形机理和影响因素还没有被系统的研究过。本文首次采用实验和数值模拟相结合的方法对成形机理及各影响因素进行了研究，并应用该工艺成形出了球面、椭球面和马鞍面等双曲率曲面工件。本文指明多点模具中冲头密度及相邻冲头高度对成形工件形状的限制，并对多点冲头成形时的强度进行校核，为多点模具的设计及其成形曲面的范围提供理论依据。还介绍了针对给定曲面所采用的考虑接触点位置的冲头高度调节方法。
　　本文采用非线性有限元软件ABAQUS对多点“三明治”成形过程和工件的回弹进行有限元分析。模拟中选用Moony-Rivalin超弹性材料模型作为聚氨酯橡胶的材料模型，其中材料参数通过压缩实验来确定。采用Pin-on-disc摩擦系数测量仪对聚氨酯橡胶之间和聚氨酯橡胶与钢之间的摩擦系数进行了测定。
　　工件表面的压痕(凸包)是成形工件的主要失效形式之一，为了弄清在多点“三明治”成形中压痕产生的原理及影响因素。本文进行了“三明治”结构体单冲头压入研究，分析了弹性垫板厚度和硬度、工件厚度和屈服强度及冲头半径等因素对板材表面发生微小塑性变形时所产生的影响。
　　针对多点“三明治”成形影响因素多和变形复杂的特点，本文进行了板材在圆柱面多点模具中“三明治”成形的实验，得出了护板厚度、弹性垫板厚度和硬度、工件材料、聚氨酯上模形状和多点下模形状等因素对成形出工件的影响规律。并通过改变工件表面的润滑情况，得出了增加润滑可以降低成形力和提高工件成形精度的结论，这有助于加深对该工艺实质的认识。
　　中，该部位一直处于悬空状态，易形成工件中部的凹陷问题。为此，提出了多步成形的方法成功地解决了这一问题。
　　板材成形中工件的回弹是不可避免的，在多点“三明治”成形时由于上模具为超弹性材料，这也是引起工件形状误差的主要因素。本文提出了一种沿目标型面法线方向进行模具型面补偿的方法，该方法可以对回弹以及其它因素引起的工件形状误差进行模具型面的反向补偿，并且不仅可以对实际成形工件的测量数据进行计算来预测经过补偿后的模具型面，还可以通过有限元计算的方法对模具型面进行优化设计。本文采用该方法对球面工件和马鞍面工件进行了模具型面补偿的实验，研究结果表明该模具型面补偿方法结合多点模具的型面可变的特点，可以更快、更好的成形出符合设计要求的工件。

目录

金属板材多点“三明治”成形的数值模拟及实验研究

NUMERICAL SIMULATION ANDEXPERIMENTAL RESEARCH ONMULTI-POINT SANDWICH FORMING OFSTEEL SHEET

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 板材件小批量生产的成形工艺

1.2.1 拉伸成形

1.2.2 聚氨酯成形

1.2.3 充液拉深和粘性介质成形

1.2.4 时效成形

1.2.5 数控增量成形

1.2.6 激光成形

1.3 多点模具成形工艺

1.3.1 传统的多点模具成形

1.3.2 多点柔性拉伸成形

1.3.3 其它的多点成形

1.4 多点“三明治”成形工艺

1.4.1 多点“三明治”成形原理

1.4.2 多点“三明治”成形的应用

1.5 课题的意义及主要研究内容

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第2章 多点“三明治”成形装置的设计原理

2.1 引言

2.2 多点模具成形的几何学分析

2.2.1 空间曲面的坐标转换

2.2.2 曲面离散的多点冲头高度确定方法

2.2.3 模具冲头的密度对成形工件形状精度的影响

2.2.4 相邻冲头高度差对可成形工件曲面形状的影响

2.3 多点冲头设计及受力分析

2.3.1 形状设计

2.3.2 受力分析

2.3.3 加固方法

2.4 实验装置设计

2.4.1 冲头的选取

2.4.2 冲头的调节及锁紧

2.4.3 冲头的阵列方式

2.4.4 柔性压边圈

2.5 本章小结

第3章 多点“三明治”成形有限元模型建立与数值模拟实例分析

3.1 引言

3.2 板材成形有限元理论概述

3.2.1 静力隐式和动力显式求解方法

3.2.2 基本板壳单元理论

3.2.3 弹塑性有限元法的本构关系

3.3 实验所用材料及其性能测试

3.3.1 实验所用板材性能

3.3.2 实验所用橡胶性能

3.3.3 橡胶摩擦系数测定实验

3.4 橡胶材料模型

3.4.1 Mooney-Rivlin材料模型

3.4.2 Mooney-Rivlin材料模型参数的确定

3.5 有限元模型

3.5.1 有限元模型的单元类型

3.5.2 边界条件施加

3.6 模拟中所采用的关键技术

3.7 有限元模拟过程

3.8 有限元模拟实例分析

3.9 本章小结

第4章 “三明治”结构体的单冲头压入研究

4.1 引言

4.2 圆形板壳受均匀压力变形的解析分析

4.3 单冲头压入分析的物理模型

4.4 单冲头压入有限元分析

4.4.1 有限元模型

4.4.2 有限元模拟结果

4.5 单冲头压入实验验证

4.6 本章小结

第5章 圆柱面工件的多点“三明治”成形

5.1 引言

5.2 实验过程

5.2.1 实验设备和材料

5.2.2 实验方法

5.3 板材弯曲解析分析

5.4 护板成形结果的分析和讨论

5.4.1 护板厚度的影响

5.4.2 弹性上模形状的影响

5.4.3 多点下模形状的影响

5.5 工件成形结果的分析和讨论

5.5.1 工件材料和厚度的影响

5.5.2 弹性垫板的影响

5.5.3 弹性上模形状的影响

5.5.4 多点下模形状的影响

5.5.5 成形力的影响

5.5.6 工件表面润滑情况的影响

5.6 加载速度对回弹模拟结果的影响

5.7 本章小结

第6章 复杂双曲率曲面工件的多点“三明治”成形

6.1 引言

6.2 椭球面工件

6.2.1 实验模具设计

6.2.2 工件的成形步骤

6.2.3 实验结果分析

6.2.4 数值模拟结果分析

6.3 马鞍面工件

6.3.1 分步成形方法

6.3.2 实验模具设计

6.3.3 实验结果分析

6.3.4 数值模拟结果分析

6.4 采用环形阵列的多点模具成形球面工件

6.4.1 实验模具设计

6.4.2 实验结果分析

6.4.3 数值模拟结果分析

6.5 本章小结

第7章 消除工件形状误差的模具型面补偿方法

7.1 引言

7.2 二维工件的模具型面补偿

7.2.1 刚性模具弯曲板条的模具型面补偿模拟

7.2.2 球面工件的模具型面补偿结果

7.3 三维工件的模具型面补偿

7.4 本章小节

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

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致谢

个人简历