消音管內(nèi)高壓成形焊縫區(qū)脹裂數(shù)值分析

劉立君++王宇

摘 要：針對(duì)消音管在內(nèi)高壓成形過程中，焊縫區(qū)附近易出現(xiàn)脹裂的問題，采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)消音管的內(nèi)高壓成形過程進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)采用HF1000內(nèi)高壓成形機(jī)進(jìn)行消音管的內(nèi)高壓成形實(shí)驗(yàn)，并利用dynaform軟件進(jìn)行對(duì)該實(shí)驗(yàn)的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了消音管在內(nèi)高壓成形過程中焊縫附近的應(yīng)力分布情況和壁厚的分布情況，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)使用凹形直線加載路徑進(jìn)行內(nèi)高壓成形實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠使得到的管件在變形過程中產(chǎn)生的應(yīng)力最小，管件的壁厚分布情況最好.

關(guān)鍵詞：焊縫；加載路徑；壁厚；應(yīng)力分布

DOI：10.15938/j.jhust.2015.02.017

中圖分類號(hào)：TG39

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2014）06-0091-06

0 引 言

近些年來，隨著汽車和飛機(jī)等運(yùn)輸工具的快速發(fā)展，人們已經(jīng)意識(shí)到汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人類健康的影響.在這種情況下，追求汽車和飛機(jī)等運(yùn)輸工具零部件的結(jié)構(gòu)輕量化，用于減少燃料的消耗、汽車尾氣的排放，顯得格外重要，而且人們對(duì)這些運(yùn)輸工具的零部件的外觀也提出了更高的要求，這時(shí)，一種新型的管材材料塑性成型的非傳統(tǒng)方法的出現(xiàn)解決了這一難題，這就是管材的內(nèi)高壓成形.

管材的內(nèi)高壓成形是將經(jīng)過預(yù)處理的管坯放入模具中，向兩端注入高壓液體，并通過向管材兩端施加軸向壓力實(shí)現(xiàn)密封和補(bǔ)料，將管材壓人到模具的型腔中，使其貼合到模具上，形成所需的零件.在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)，與傳統(tǒng)的焊接、鑄造等工藝相比較，管材的內(nèi)高壓成形可以使制造出的零件具有剛度大、強(qiáng)度高、提高材料的疲勞度、節(jié)約材料、外形美觀、結(jié)構(gòu)緊湊和加工工藝少等優(yōu)點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及管件內(nèi)高壓技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際階段.該技術(shù)將促進(jìn)汽車、航空、船舶等制造業(yè)的發(fā)展.

本文通過用dynaform對(duì)消音管的成形進(jìn)行模擬，采用不同的3種加載方式，分析這3種加載方式對(duì)消音管成形的影響，以及分析了在管件成形過程中，焊縫附近的應(yīng)力的分布情況，對(duì)于管件在內(nèi)高壓成形過程中產(chǎn)生的影響.

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所使用的管坯材料為304L不銹鋼，直徑38mm，厚度1mm，長度30mm. 304L不銹鋼又稱為奧氏體不銹鋼OCr18Ni9，在室溫下呈奧氏體單相組織，其塑性、韌性和屈服比高，有較好的冷成形性能和焊接性.OCr18N19的主要化學(xué)成份如表1.

1.2幾何模型的建立

本文所用的模型，是通過Solidworks2012進(jìn)行繪制，然后導(dǎo)人到dynaform軟件，在對(duì)dynaform中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限元的模擬分析.我們之所以要通過Solidworks2012這款軟件進(jìn)行繪制，這是因?yàn)閐yan-form軟件在進(jìn)行三維空間建模時(shí)，他的運(yùn)算處理不是很方便、操作復(fù)雜，而在solidworks完成則比較簡單.

1.3邊界條件

在進(jìn)行有限元分析之前，為了使計(jì)算簡化，我們對(duì)有限元模型作了以下假設(shè)：

1）模具在分析過程中不發(fā)生變形等變化，將其看作剛性體，管坯材料則符合剛塑性硬化曲線模型；

2）管件模型與模具間的摩擦系數(shù)為0.125，動(dòng)摩擦系數(shù)為0；

3）管件兩端的軸向力是通過壓頭加到管件上的，忽略了軸向壓頭的動(dòng)力學(xué)影響，在進(jìn)行管件的有限元模擬時(shí)，軸向力施加在兩端的壓頭上；

4）在進(jìn)行管件的內(nèi)高壓成形時(shí)，我們認(rèn)為內(nèi)壓力時(shí)均勻的施加在管件的內(nèi)表面上的.

1.4 網(wǎng)格劃分

對(duì)管件的模擬分析時(shí)，網(wǎng)格的劃分是模擬效果好壞的關(guān)鍵，網(wǎng)格劃分尺寸太大，模擬的精度不夠準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)研究的意義就變得不大；網(wǎng)管劃分的過密，運(yùn)算操作復(fù)雜，模擬的時(shí)間很長，效率太低，而且也沒有必要。所以在網(wǎng)格的劃分過程當(dāng)中要選取適當(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)行劃分.本次實(shí)驗(yàn)的管坯是在dynaform軟件中進(jìn)行的網(wǎng)格劃分，使用Blank Generator對(duì)管件以及兩端的沖頭進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，圖1為經(jīng)過clynaform劃分網(wǎng)格后的消音管和兩端沖頭的有限元分析模型.

1.5焊縫的添加

本文選用的管坯是經(jīng)過TIG焊焊接完成的，所以在實(shí)際生產(chǎn)的過程中焊縫對(duì)管的內(nèi)高壓成形會(huì)有很重要的影響，在模擬過程中對(duì)管坯添加焊縫十分重要.在dynaform軟件中，我們常用的添加焊縫的方法是忽略焊縫的類型，只考慮焊縫的位置，將焊縫和熱影響區(qū)用一排梁單元網(wǎng)格來表示，這種方法的計(jì)算效率高，能夠準(zhǔn)確的模擬出管件內(nèi)高壓成型的過程，體現(xiàn)出焊縫對(duì)管材在成形過程中產(chǎn)生的影響，如圖3所示.

1.6 管材內(nèi)高壓成形的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文進(jìn)行管材內(nèi)高壓的成形實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備，采用的是自主研發(fā)的1000T內(nèi)高壓成形壓力機(jī)進(jìn)行內(nèi)高壓實(shí)驗(yàn)，如圖3（a）、（b）、（c）是管材在內(nèi)高壓成形成形裝置的實(shí)驗(yàn)過程圖，

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果及分析

2.1 管材內(nèi)高壓成形工藝參數(shù)

在管材進(jìn)行內(nèi)高壓成形的過程中，主要的工藝參數(shù)，特別是內(nèi)壓的確定，一般是通過試錯(cuò)的方法獲得，試錯(cuò)法所獲得的數(shù)據(jù)一般都是由一些簡單的公式獲得.在進(jìn)行管材內(nèi)高壓成形過程當(dāng)中，初始屈服壓力，純脹形時(shí)的開裂壓力整形壓力其中：t0，為管材的初始厚度；Do為管材的直徑；Da為管材凸起的直徑；rb為模具的最小半徑；σm為材料的流變應(yīng)力；σa為材料的屈服應(yīng)力；σu為材料的極限抗拉強(qiáng)度，

在進(jìn)行管件的內(nèi)高壓成形過程當(dāng)中，管件的加載方式和軸向補(bǔ)料量的匹配是零件成形好壞的關(guān)鍵，因?yàn)檫@兩個(gè)量是變化的量，因此選用適當(dāng)?shù)募虞d方式和補(bǔ)料量相當(dāng)重要，一般進(jìn)行管件的內(nèi)高壓成形所采用的加載路徑，一般分為3種，分別是：凸形折線的內(nèi)壓力加載路徑、直線的內(nèi)壓力加載路徑和凹形折線的加載路徑，本文選用的3種加載路徑和補(bǔ)料量的參數(shù)如圖4.其中在圖4當(dāng)中l(wèi)號(hào)曲線是第一組使用的內(nèi)壓力加載路徑，2號(hào)直線為第二組使用的內(nèi)壓力加載路徑，3號(hào)曲線是第三組使用的內(nèi)壓力加載路徑，