小直径厚壁管材变曲率弯曲回弹控制研究

摘要

由于设计性能、安装空间、轻量化以及整体化等要求，弯管零件在航空航天、动力机械、石油化工等关系国计民生领域的应用广泛，以满足工业构件高强度轻量化、高精度复杂化的发展趋势。随着零件成形精度要求的不断提高，弯管零件的空间形状日趋复杂，加工难度日益增大。金属管材弯曲是一个集材料非线性、几何非线性及边界非线性于一体的复杂成形过程，外力卸载后将不可避免的存在回弹问题，由此造成零件的实际成形几何尺寸偏离设计要求，产生一定偏差，是工程界未能有效解决的技术难题，同时成为金属塑性加工领域的研究难点与热点。而回弹问题的有效控制解决，更是有利于金属管材弯曲精密高效成形的关键。
　　本文针对国内外管材变曲率（平面变曲率和空间变曲率）弯曲成形加工技术的不成熟、回弹问题未能有效控制的现状，基于管材弯曲回弹性能研究，建立有限元数值模拟、解析计算模型以及相关试验研究方法，创建有效实用的预测及补偿管材变曲率弯曲回弹的理论和方法，从而实现小直径厚壁管材变曲率弯曲回弹控制。上述研究工作对发展变曲率弯曲成形理论和技术具有重要意义。论文的主要研究内容如下：
　　（1）为了更加准确的反映金属管材力学性能，对管段试样进行单向拉伸试验，获取不锈钢小直径厚壁管材力学性能参数，构建分段非线性管材本构关系模型，从而为提高回弹预测精度奠定基础；针对厚壁管材弯曲受力状态，建立力学平衡微分方程，分析管材弯曲过程应力应变状态；推导弯曲力矩作用下，用于初步估算小直径厚壁管材弯曲回弹角的近似计算公式。
　　（2）基于ABAQUS软件平台，通过对平面变曲率弯管轴线进行离散圆弧逼近、依次递推弯曲方法，构建小直径厚壁管材平面变曲率弯曲成形弹塑性有限元模型，并采用无模法的静态隐式算法针对回弹过程进行数值模拟。通过相关物理实验验证该有限元模拟方法的可靠性。
　　（3）将平面变曲率弯管轴线双圆弧拟合逼近离散；通过近似纯弯曲回弹实验，建立特定材料尺寸管材弯曲回弹前后半径之间的函数关系式；借助该回弹实验结论对离散弯管进行回弹预测及初步G1连续拼接；依据管材弯曲变化复杂程度构建拼接修正函数，修正光顺弯管轴线，从而完成小直径厚壁管材平面变曲率弯曲回弹预测解析模型（双圆弧拟合逼近离散—回弹拼接—修正回弹预测模型）的建立以及相关试验算例验证。
　　（4）基于ABAQUS有限元平台，定义HINGE、BEAM、TRANSLATOR、SLOT、ROTATION等属性连接单位，通过对空间变曲率弯管轴线弯曲成形过程中的节点切矢进行控制，构建小直径厚壁管材空间变曲率弯曲成形及回弹全过程弹塑性三维有限元模型。并进行相关实际弯曲回弹试验验证。
　　（5）为快速准确预测管材空间变曲率弯曲回弹，构建3D-2D-3D空间变曲率回弹预测解析模型：将空间变曲率弯管轴线合理分解到离散弯管轴线基本三棱形密切平面及从切平面上进行回弹预测（3D-2D）；二维平面回弹合理转化到三维空间，针对离散化的回弹预测弯管进行初步G1连续拼接（2D-3D）；依据弯管轴线复杂程度构建拼接修正函数，完成管材轴线修正光顺（3D-2D-3D）。通过试验算例验证该解析模型的实用价值。并基于UG二次开发技术，完成空间变曲率弯管离散平面化—回弹预测—空间拼接修正的回弹预测解析模型模块化设计。
　　（6）针对管材变曲率弯曲成形的强几何及边界非线性特点，建立弯曲回弹对应节点位移矢量与曲线局部Frenet标架相结合的节点几何补偿法；并基于空间及平面变曲率回弹预测解析模型，采用迭代算法，回弹补偿修正模具型面，进而实现小直径厚壁管材变曲率弯曲回弹控制。通过试验算例及工程实例应用验证该模面回弹补偿控制方法的有效性。
　　综上所述，本文研究并建立能够有效控制小直径厚壁管材变曲率弯曲的回弹预测与补偿模型，对弯管复杂精确弯曲成形技术的研究及发展具有积极的推动作用。

目录

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目录

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 金属管材弯曲成形方法分类

1.3 国内外研究现状

1.4 金属管材弯曲成形回弹研究存在问题及发展趋势

1.5 选题背景及意义

1.6 主要研究内容及章节安排

1.7 本章小结

第二章 管材塑性弯曲成形基础理论研究

2.1 引言

2.2 管材力学性能分析

2.3 管材弯曲成形受力及应力应变分析

2.4 管材弯曲成形回弹分析

2.5 本章小结

第三章 管材平面变曲率弯曲回弹预测

3.1 引言

3.2 有限元模拟技术及应用软件简介

3.3 管材平面变曲率弯曲成形回弹数值模拟研究

3.4 管材平面变曲率弯曲及回弹有限元模拟可靠性验证

3.5 平面变曲率弯管成形回弹预测解析模型

3.6 本章小结

第四章 管材空间变曲率弯曲回弹预测

4.1 引言

4.2 空间曲线基本三棱形（Frenet标架）

4.3 管材空间变曲率弯曲成形回弹数值模拟

4.4 空间变曲率弯管成形回弹预测解析模型

4.5 本章小结

第五章 管材变曲率弯曲回弹控制（模具型面回弹补偿）

5.1 引言

5.2 几何位移修正回弹补偿法

5.3 模具型面回弹补偿方向研究

5.4 管材变曲率弯曲模具型面回弹补偿方法

5.5 弯曲模具型面回弹补偿算例试验验证

5.6 工程实例应用及验证

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文研究工作总结

6.2 进一步研究工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

致谢

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