管材固体颗粒填充弯曲特点及成形性能研究

摘要

管材弯曲由于容易满足产品轻量化、强韧化和低耗高效、精确制造等方面的要求,在气体、液体的输送管路和汽车工业、核电、航空航天等高科技领域有着广泛的应用前景。但在管材弯曲过程中易出现外壁减薄、内壁起皱和截面畸变等缺陷,严重影响着弯管零件的使用。为了避免或者减少此类缺陷的产生,本文提出了一种管材固体颗粒填充弯曲的方法。以1Cr13Mn9Ni1N不锈钢管为研究对象,选取钢球为填充介质,通过试验研究、合理论分析和数值模拟,研究了管材固体颗粒填充弯曲的特点及成形性能。
　　分析了固体颗粒的传压特性和管材弯曲成形的受力状态,得出管材固体颗粒填充弯曲过程中最大内压力的计算方法。开发了管材绕弯成形模具和固体颗粒填充装置。在此基础上,对外径为19 mm的不锈钢管进行固体颗粒填充绕弯成形试验,并建立有限元模型,进行数值模拟。
　　研究了管材截面上的环向壁厚分布和内压力对壁厚减薄率的影响,得出环向壁厚从弯曲外侧向内侧依次增厚,最薄点和最厚点在截面的最外侧和最内侧;随内压力增大,内侧壁厚增厚趋势减小,外侧壁厚减薄趋势增大;研究了管材固体颗粒填充绕弯成形中管材截面形状变化的特点和规律,分析了内压力对管材绕弯截面畸变的影响,结果表明,截面畸变从弯曲两端向中心逐渐增大,钢球作为填充介质对管材的内压力作用使截面畸变得到改善。
　　对管材固体颗粒填充绕弯成形中的失稳起皱现象从几何角度进行了描述,得出管材绕弯中可能出现三种形式的起皱;定义了起皱高度作为起皱程度的衡量,分析了钢球大小、内压力和几何参数对失稳起皱的影响,得出使用较小钢球、较大内压力得到的成形件起皱程度越小,成形质量越好;合理的钢球大小和内压力能抑制失稳起皱的产生;而几何参数对管材弯曲失稳起皱有显著影响。
　　本文提出的管材固体颗粒填充弯曲的方法和开发的以钢球为填充介质的管材固体颗粒填充绕弯成形装置,为控制和消除管材弯曲成形缺陷提供了一种新的手段,同时为管材固体颗粒填充弯曲的实际应用提供了理论依据和可靠的试验数据,对实际生产有一定的指导意义。

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第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 管材弯曲成形技术及缺陷分析

§1.3 管材固体颗粒填充弯曲研究现状

§1.4 课题研究背景及意义

§1.5 课题主要研究内容和技术路线

§1.6 本章小结

第二章 管材固体颗粒填充弯曲的特点

§2.1 引言

§2.2 管材固体颗粒填充弯曲基本原理

§2.3 管材固体颗粒填充弯曲力学分析

§2.4 管材固体颗粒填充弯曲的影响因素

§2.5 本章小结

第三章 管材固体颗粒填充绕弯成形试验研究

§3.1 引言

§3.2 管材固体颗粒填充绕弯成形装置开发

§3.3 管材固体颗粒填充绕弯成形试验过程

§3.4 本章小结

第四章 管材固体颗粒填充绕弯成形数值模拟

§4.1 引言

§4.2 模拟平台

§4.3 模型建立

§4.4 模型验证

§4.5 模拟方案

§4.6 本章小结

第五章 管材固体颗粒填充绕弯成形性能研究

§5.1 引言

§5.2 壁厚变化

§5.3 截面畸变

§5.4 本章小结

第六章 管材固体颗粒填充绕弯失稳起皱研究

§6.1 引言

§6.2 失稳起皱的描述

§6.3 失稳起皱的类型

§6.4 失稳起皱的影响规律

§6.5 本章小结

第七章 结论与展望

§7.1 结论

§7.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果