基于dynafm2的鋁合金復(fù)雜薄壁構(gòu)件充液成形仿真分析

基于dynafm2的鋁合金復(fù)雜薄壁構(gòu)件充液成形仿真分析

充液成形數(shù)值分析充液成像技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的精細(xì)零件形成技術(shù)之一。在該技術(shù)的幫助下，液體被用作傳力介質(zhì)，而不是剛性凸模型或凹模型，從而完成整體結(jié)構(gòu)的柔性形成。在液體和樣品的配合下，。充液成形工藝的影響因素除材料本身特性外，加載路徑對零件成形性能的影響尤為重要。然而，目前對于板材充液成形的研究主要集中在基于線性加載路徑下的壓邊力、壓邊間隙、摩擦系數(shù)、模具設(shè)計(jì)等工藝參數(shù)對零件成形性的影響規(guī)律因此，本文以航空用某鋁合金大尺寸加強(qiáng)框零件作為研究目標(biāo)，基于主動式充液成形工藝，采用非線性商業(yè)有限元軟件DYNAFORM，對比分析加載路徑如線性加載、三角波脈動加載、梯形波脈動加載對零件成形性的影響，并且重點(diǎn)研究脈動加載條件下的振幅、頻率等關(guān)鍵工藝參數(shù)對零件壁厚分布和減薄率的影響規(guī)律。結(jié)合模擬所得分析結(jié)果，開展具體鋁合金航空復(fù)雜薄壁構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而獲得滿足工程應(yīng)用要求的工藝方案。1加載路徑的確定由于目標(biāo)零件具有非對稱和小圓角等復(fù)雜特征，因此考慮采用板材主動式充液成形工藝，所用加載路徑分別為線性加載、三角波脈動加載以及梯形波脈動加載3種加載方式。分別對上述3種加載路徑進(jìn)行數(shù)值仿真，并分析對成形性能的影響規(guī)律，從而得到最佳加載方式，并基于所得加載方式進(jìn)一步優(yōu)化其中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，最終獲得能滿足工程應(yīng)用要求的工藝方案。1.1-o鋁合金圖1所示為某航空加強(qiáng)框零件的結(jié)構(gòu)特征，所用材料為2A12-O鋁合金，原始板料厚度為1.0mm，最大減薄率不得超過20%。成形件最大腔深為40.5mm，四周為不規(guī)則空間曲面，底部區(qū)域均勻分布6個深度為4.3mm的加強(qiáng)窩。1.2材料性能參數(shù)表1所示為2A12-O鋁合金材料的力學(xué)性能。由表1可知，2A12-O鋁合金板材在與沿軋向方向呈0°、45°和90°方向上的材料的各向異性指數(shù)變化不大，即沒有明顯的各向異性現(xiàn)象，因此，本文選取0°方向上的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為模擬中輸入的材料力學(xué)性能，如圖2所示。1.3限元軟件dynaf面臨的挑戰(zhàn)采用三維建模軟件UG進(jìn)行有限元建模，保存為IGS文件后導(dǎo)入商業(yè)有限元軟件DYNAFORM中，如圖3所示，為便于顯示，所示模型為剖視圖形式。由于板料厚度與長寬的比值較小，因此，采用殼單元進(jìn)行分析。板料劃分網(wǎng)格后，共有四邊形單元48614個，三角形單元1205個。2零件件件性能的變化規(guī)律分析2.1不同路徑下的破碎缺陷分析分別對線性加載、三角波脈動加載和梯形波脈動加載這3種加載路徑進(jìn)行了數(shù)值仿真，3種加載方式如圖4所示，橫坐標(biāo)為模擬過程中所用時間，不具有實(shí)際意義，僅為增加計(jì)算速度，不會對結(jié)果造成影響。其中，初始壓力均設(shè)置為2MPa，對于三角波脈動加載和梯形波脈動加載情況，均為振幅ΔP=3MPa，頻率f=0.5Hz，壓邊力75kN恒定，間隙0.2mm，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.17。圖5為不同加載路徑下的成形極限圖及最大減薄率變化規(guī)律。由圖5a可以看出，在線性加載下，在加強(qiáng)窩邊緣部位已經(jīng)出現(xiàn)有破裂缺陷，結(jié)合圖5d可以看到，線性加載路徑下最大減薄率已經(jīng)超過20%，不能滿足工程應(yīng)用要求。而從圖5b和圖5c可知，脈動加載路徑下(包括三角波與梯形波)零件各個區(qū)域均處于安全區(qū)域，不會出現(xiàn)破裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，相比較于線性加載路徑，脈動加載路徑能夠很好的提高零件成形性。其原因在于，脈動加載存在“加載-卸載-再加載”的循環(huán)過程，在加載過程中材料發(fā)生變形且強(qiáng)度不斷提高，當(dāng)卸載后材料存在一定的彈性恢復(fù)，同時已具有一定的預(yù)應(yīng)變，當(dāng)再次加載時，材料會產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，使得變形大的區(qū)域其強(qiáng)度也進(jìn)一步提高，再次加載過程中變形將轉(zhuǎn)移到應(yīng)力更低的其他區(qū)域，從而使變形和壁厚分布更加均勻，提高了材料的成形性。此外，由于循環(huán)加載-卸載的存在，使得摩擦力也呈現(xiàn)出波動變化，從而在卸載過程中更容易使材料流動，增大了進(jìn)料量，降低了材料的減薄率，提高了材料的成形性。分別對目標(biāo)零件的4個圓角處壁厚以及橫截面的壁厚分布情況進(jìn)行分析，具體的15個壁厚測量點(diǎn)如圖6所示。壁厚測量結(jié)果如圖7a和圖7b所示。結(jié)合圖7a分析，在目標(biāo)件圓角處，壁厚按照梯形波脈動加載、三角波脈動加載、線性加載的順序減薄依次加大。線性加載條件下，其減薄率最大，成形中易出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。梯形波脈動加載條件下的壁厚要整體高于三角波脈動加載條件下的壁厚，其原因在于梯形波脈動加載相對于三角波脈動加載來說，由于梯形波在波峰與波谷處有一個保壓過程，這樣能夠使得材料獲得充分流動的時間。圖7b所示結(jié)果表明，在長邊橫截面處，不同加載路徑對壁厚的整體性分布影響差異不是很大，而壁厚之所以呈現(xiàn)出“波浪形”變化，是因?yàn)樵诩訌?qiáng)窩邊緣處存在圓角，成形過程中，邊緣處減薄較大，而其他區(qū)域減薄較小，從而造成壁厚按照如圖7b所示的形式變化。2.2不同脈動加載的零件的成形性由2.1節(jié)對不同加載路徑下，目標(biāo)件的成形質(zhì)量分析可知，在脈動加載條件下，零件的成形性更好，而相比較于三角波脈動加載和梯形波脈動加載結(jié)果，可知梯形波脈動加載在壁厚分布和最大減薄率上更具有優(yōu)勢。因此，針對梯形波脈動加載路徑，分別研究了振幅、頻率等工藝參數(shù)的對零件成形性能影響規(guī)律。2.2.1不同振幅條件下壁厚分布以及最大減薄率分別選取振幅ΔP為3、4和5MPa、頻率f恒定為0.5Hz的梯形加載路徑進(jìn)行數(shù)值模擬，其中壓邊力75kN、間隙0.2mm、摩擦系數(shù)0.17。加載波形如圖8所示，橫坐標(biāo)為模擬過程中所用時間，不具有實(shí)際意義，僅為增加計(jì)算速度，不會對結(jié)果造成影響。按照圖6所示的測量位置分別對不同振幅加載路徑下所得的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。不同振幅下壁厚分布以及最大減薄率如圖9a～圖9d所示。壁厚的變化規(guī)律如圖10所示。由圖9d并結(jié)合圖9a～圖9c可知，當(dāng)ΔP=4MPa時，最大減薄率最低，而當(dāng)ΔP=5MPa時，最大減薄率已經(jīng)超過20%，不能滿足工程應(yīng)用要求。結(jié)合圖10a所示的圓角處的壁厚大小分布規(guī)律，可以看出，在ΔP=5MPa時，其壁厚最小;ΔP=3MPa時，其壁厚分布與ΔP=5MPa時相差不大;而當(dāng)ΔP=4MPa時，圓角處的總體壁厚分布較為均勻，大小約為0.86mm左右。當(dāng)頻率一定時，若振幅較小，在循環(huán)“加載-卸載-加載”過程中，摩擦力的變化不是很明顯，尤其是在初始加載階段，因此造成材料的流動不充分，從而壁厚減薄嚴(yán)重。而當(dāng)振幅較大時，即使有保壓過程與二次硬化，但是每次加卸載后材料各區(qū)域獲得的預(yù)應(yīng)變均很大，使得變形無法有效的轉(zhuǎn)移至低應(yīng)力區(qū)域，從而導(dǎo)致壁厚減薄嚴(yán)重，此外，圓角處的補(bǔ)料量不足以與減薄量達(dá)成相對平衡，從而產(chǎn)生較大的減薄。而對于橫截面處的壁厚分析可以看出，總體上，振幅對其壁厚分布的影響不大。2.2.2最大減薄率和壁厚分析由2.2.1節(jié)分析結(jié)果可知，當(dāng)頻率f恒定不變時，ΔP=4MPa時，目標(biāo)零件的成形性能最佳。因此，選取恒定振幅ΔP=4MPa，而頻率f依次選擇為0.3、0.5、0.7和0.9Hz，壓邊力、壓邊間隙和摩擦系數(shù)仍分別為75kN、0.2mm和0.17，進(jìn)行數(shù)值仿真分析，加載路徑如圖11所示，橫坐標(biāo)為模擬過程中所用時間，不具有實(shí)際意義，僅為增加計(jì)算速度，不會對結(jié)果造成影響。對不同頻率下的模擬結(jié)果進(jìn)行最大減薄率和壁厚分布分析。其中圖12所示為不同頻率下壁厚分布圖以及最大減薄率，而圖13所示則為壁厚變化規(guī)律。由圖12結(jié)果可以看出，當(dāng)f=0.5Hz時，最大減薄率達(dá)到最低，此外，當(dāng)f=0.3Hz時，其最大減薄率與f=0.5Hz時的最大減薄率相差不大，均在17.5%左右。雖然從圖13b中可以看出，在橫截面位置處，不同頻率加載下的壁厚分布差異不是很大，然而，結(jié)合圖13a所示的四角處壁厚變化規(guī)律，當(dāng)f=0.3Hz時，四角處的厚度最大。針對上述規(guī)律，選取圓角處362246號節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變路徑分析，如圖14所示。由圖14f并結(jié)合圖14a～圖14d可知，隨著頻率的增加，圓角處應(yīng)變路徑逐漸向著等雙拉靠近，也即是逐漸靠近安全區(qū)域的邊緣，因此，結(jié)合最大減薄率、壁厚分布以及應(yīng)變路徑變化過程，可選取f=0.3Hz作為最佳加載路徑。3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)根據(jù)上述模擬所得最佳加載路徑，也即梯形波脈動加載，振幅ΔP=4MPa，頻率f=0.3Hz，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過程中，壓邊力、壓邊間隙等均保持和模擬一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，按照模擬所得最佳加載路徑，通過板材主動式充液成形后得到的零件能夠滿足設(shè)計(jì)要求，所得零件圖如圖15所示。4不同梯度路徑下的勻性(1)對比分析了線性加載、三角波脈動加載和梯形波脈動加載3種不同加載路徑對2A12-O鋁合金航空復(fù)雜薄壁構(gòu)件充液成形性能的影響，相比較于線性加載路徑下的零件開裂幾率大，成形困難，在脈動加載路徑下零件成形性提高，易于成形。此外，零件壁厚分布均勻性的順序?yàn)樘菪尾}動加載>三角波脈動加載>線性波形加載，可見，梯形波脈動加載路徑為最佳加載路徑。(2)分析了梯形波脈動加載路徑的振幅對2A12-O鋁合金航空復(fù)雜薄壁構(gòu)件充液成形性能的影響，對比了振幅ΔP分別為3、4和5MPa時零件壁厚的演變規(guī)律，當(dāng)ΔP=4MPa時，最大減薄率最小，圓角處的壁厚分布最為均勻，振幅最佳。(