复杂薄板液压成形工艺研究及有限元分析
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摘要
板材液压成形是一种先进的加工工艺，近年来得到大力发展并广泛应用于汽车、航天航空、厨卫用具等制造领域。板材液压成形具有模具成本低、模具制造周期短、成形极限高等特点，与传统工艺相比，液压成形后的零件精度高、表面质量好。液压成形特别适合于形状复杂、成形难度大、精度要求较高的薄板零件的拉深成形。
板材成对液压成形工艺是近年来在单件液压成形基础上发展起来的一种新工艺。它在具有单件液压成形优点的同时，提高了成形效率，减少了成形设备，使得加工成本更低，特别适合于诸如摩托车油箱一类由上、下壳体构成的箱体型零件的成形。
摩托车油箱由上、下壳体焊接而成，上、下壳体的曲面形状复杂、拉深比大、板厚较薄，因此适合于采用成对液压成形。传统的成形方法是采用两套模具分别成形上、下壳体，模具费用多，生产成本高。针对这种情况，本文率先提出了摩托车油箱成对液压成形的新工艺，对成形过程进行了较为深入的有限元模拟分析。并在此基础上，设计了一种结构简单、性能可靠、经济实用的摩托车油箱成对液压成形模具装置，该模具装置安装在双动液压机上就可进行摩托车油箱上、下壳体零件的液压成形。
本文采用小尺寸板材试样进行了液压胀形实验，并同时对其胀形过程进行了有限元模拟，实验结果与模拟结果较为一致，说明有限元分析的方法是可行的。在此基础上，本文利用LS-DYNA进行了摩托车油箱成对液压成形的有限元分析，研究了在不同条件下板料的变形过程，从中观察到板材的应力、应变分布情况及厚度变化情况，预测出零件起皱或变薄的位置，优化了压边力与载荷的匹配，从而为复杂板材液压成形或成对液压成形工艺的研究提供了一种可以借鉴的分析方法。
Sheet metal hydroforming is advanced technology and is developed and applied in recent years, it is mainly applied in car making, aviation, kitchen utensils and other fields. Sheet metal hydroforming has characters such as low die cost , short manufacturing cycle and high form limit. The parts processed by it have high precision and good surface quality compared with traditional technology, so it can process sheet parts with complex shape and high precision,
Sheet metal hydroforming in pairs is new technology that is developed on base of single sheet metal hydroforming. It not only has the advantages of hydroforming but also increases the efficiency and cuts down devices, so the processing cost is reduced. Sheet metal hydroforming in pairs is very suitable to process the container such as motorbike tank that is made by welding upper cover and lower cover.
The motorbike tank is a container part that is made by welding upper cover and lower cover. It has complicated surface and high drawing ratio, so it is suitable for sheet metal hydroforming in pairs. If the conditional technology is used , it needs two sets of die and two hydraulic presses, this will increase die cost and processing cost. Considering these cases , this paper puts forward a process of sheet metal hydroforming in pairs in making motorbike oilbox and analyses it by finite element method. On this base, the device of sheet metal hydroforming in pairs is designed and this device is simple and reliable. If putting this device on double-action hydraulic press, it can form the motorbike tank.
In this paper, the hydraulic bulge test is done to small size part and analysed it by finite element method. When the result of finite element simulation is consistent with experiment, we can say the finite element method is feasible . In this paper, sheet metal hydroforming in pairs of
motorbike tank is analysed by the soft LS-DYNA and the part forming is studied in different conditions. From the results, the distributing of stress and strain and the change of sheet thickness are observed , the place of crack and crinkle is forecasted , the match of blank holder force and hydraulic press is optimized and all of these can be a referential method for annlysing sheet metal hydroforming in pairs.
板材成对液压成形工艺是近年来在单件液压成形基础上发展起来的一种新工艺。它在具有单件液压成形优点的同时，提高了成形效率，减少了成形设备，使得加工成本更低，特别适合于诸如摩托车油箱一类由上、下壳体构成的箱体型零件的成形。
摩托车油箱由上、下壳体焊接而成，上、下壳体的曲面形状复杂、拉深比大、板厚较薄，因此适合于采用成对液压成形。传统的成形方法是采用两套模具分别成形上、下壳体，模具费用多，生产成本高。针对这种情况，本文率先提出了摩托车油箱成对液压成形的新工艺，对成形过程进行了较为深入的有限元模拟分析。并在此基础上，设计了一种结构简单、性能可靠、经济实用的摩托车油箱成对液压成形模具装置，该模具装置安装在双动液压机上就可进行摩托车油箱上、下壳体零件的液压成形。
本文采用小尺寸板材试样进行了液压胀形实验，并同时对其胀形过程进行了有限元模拟，实验结果与模拟结果较为一致，说明有限元分析的方法是可行的。在此基础上，本文利用LS-DYNA进行了摩托车油箱成对液压成形的有限元分析，研究了在不同条件下板料的变形过程，从中观察到板材的应力、应变分布情况及厚度变化情况，预测出零件起皱或变薄的位置，优化了压边力与载荷的匹配，从而为复杂板材液压成形或成对液压成形工艺的研究提供了一种可以借鉴的分析方法。
Sheet metal hydroforming is advanced technology and is developed and applied in recent years, it is mainly applied in car making, aviation, kitchen utensils and other fields. Sheet metal hydroforming has characters such as low die cost , short manufacturing cycle and high form limit. The parts processed by it have high precision and good surface quality compared with traditional technology, so it can process sheet parts with complex shape and high precision,
Sheet metal hydroforming in pairs is new technology that is developed on base of single sheet metal hydroforming. It not only has the advantages of hydroforming but also increases the efficiency and cuts down devices, so the processing cost is reduced. Sheet metal hydroforming in pairs is very suitable to process the container such as motorbike tank that is made by welding upper cover and lower cover.
The motorbike tank is a container part that is made by welding upper cover and lower cover. It has complicated surface and high drawing ratio, so it is suitable for sheet metal hydroforming in pairs. If the conditional technology is used , it needs two sets of die and two hydraulic presses, this will increase die cost and processing cost. Considering these cases , this paper puts forward a process of sheet metal hydroforming in pairs in making motorbike oilbox and analyses it by finite element method. On this base, the device of sheet metal hydroforming in pairs is designed and this device is simple and reliable. If putting this device on double-action hydraulic press, it can form the motorbike tank.
In this paper, the hydraulic bulge test is done to small size part and analysed it by finite element method. When the result of finite element simulation is consistent with experiment, we can say the finite element method is feasible . In this paper, sheet metal hydroforming in pairs of
motorbike tank is analysed by the soft LS-DYNA and the part forming is studied in different conditions. From the results, the distributing of stress and strain and the change of sheet thickness are observed , the place of crack and crinkle is forecasted , the match of blank holder force and hydraulic press is optimized and all of these can be a referential method for annlysing sheet metal hydroforming in pairs.
引文
[1] 朗利辉 张士宏 康达昌 板液压成形及无模充液拉深技术
[2] 吴有生 夏巨谌 胡国安 板料液压成形技术的发展动态及应用 金属成形工艺 Vol，20 No．4 2002
[3] 李硕本 等 冲压工艺理论与新技术机械工业出版社2002年11月
[4] 张士宏 许沂 王忠堂等 板材零件成对液压成形新技术 哈尔滨工业大学学报 2000年8月
[5] 许沂 张士宏 王忠堂等 板材零件成对液压成形的分析与试验研究 锻压技术 2001年第4期
[6] 李硕本 李春峰 郭斌等 冲压工艺理论与新技术 机械工业出版社 2002年11月
[7] 刘鸿文 材料力学(第三版) 高等教育出版社 1991：155～157
[8] 刘令勋 刘英贵 动态密封设计技术 中国标准出版社 1993年11月
[9] 王孝培 冲压手册 机械工业出版社 2003
[10] 汪大年 金属塑性成形原理 机械工业出版社 1986年11月
[11] 金朝海 板料成形动力显式弹塑性有限元仿真技术研究哈尔滨工业大学博士论文 2001年12月
[12] 干洪 Mindlin板几何非线性分析的广义变分原理合肥工业大学学报2000年10月
[13] 印雄飞 阮雪榆 板材成形过程的数值模拟技术 塑性工程学报 1999年3月
[14] 胡轶敏 林忠钦 徐伟力等 车身覆盖件冲压成形动态仿真的研究进展 力学进展 2000年5月25日
[15] 但文蛟 王耘 胡树根 等板材成形CAE技术模具技术 2002．No．3
[17] Yi Oin, Raj Balendra" Design considerations for hydromechanical deep drawing of sheet components with concave features Journal of Materials Processing Technology 145 (2004) 163-170
[18] 杜平安 有限元网格划分的基本原则 机械设计与制造 Feb．2000
[19] M.R. Jensen~(a,?) L. Olovsson~b, J. Danckert~c Numerical model for the oil
GB/T 13885-92．2002．饲料中铁、铜、锰、锌、镁的测定方法．饲料工业标准汇编．北京：中国标准出版社．
卜登攀．绒山羊瘤胃能氮同步释放及对微生物蛋白合成影响的研究：[硕士学位论文]．银川：宁夏大学，2002．
党晓鹏，曹光荣．1990．绵羊铜中毒研究进展．国外兽医学，(4)：4-6．
邓卫东，毛华明．1999．评价肉牛7种必需微量元素营养状况理化指标的研究．内蒙古畜牧科学，20(3)：18-24．
杜忠亮，周桂莲．1994．影响动物体铜吸收利用的因素及评价动物体铜营养的标识(续)．饲料博览，(4)：13-15．
冯宗慈，高民．1993．通过比色法测定瘤胃液氨氮含量方法的改进．内蒙古畜牧科学，14(4)：40-41．
高登宏．不同剂量的铜对瘤胃微生物发酵的影响：[硕士学位论文]．太谷：山西农业大学，2000．
韩博等．1998．育成牛不同铜源的生物利用率研究．东北农业大学学报，29(2)：122-132．
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郑建仙．1999．功能性食品．北京：中国轻工业出版社．
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朱钦龙译．1993．微量元素钼和反刍家畜．中国饲料，(1)：25—26．
Adamson A H, Vaiks D A, and M A Appleton, et al. 1969. Copper toxicity in housed lambs. Veterinary Research, 85: 368-369.
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ARC. 1980. The Nutrient Requirements of Ruminant Livestock. Agricultural research council working party.
Bengoumi M, Essamadi A K, and J P Charcornac, et al. 1998a. Comparative relationship between copper-zinc plasma concentrations and superoxide dismutase activity in camels and cows. Veterinary Research, 29: 557-565.
Bengoumi M, Essamadi A K, and J C Tressol, et al. 1998b. Comparative study of copper and zinc
[2] 吴有生 夏巨谌 胡国安 板料液压成形技术的发展动态及应用 金属成形工艺 Vol，20 No．4 2002
[3] 李硕本 等 冲压工艺理论与新技术机械工业出版社2002年11月
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