國標(biāo)碳鋼三通管材脹形技術(shù)是一種減重、節(jié)材、節(jié)能、具有廣泛應(yīng)用前景的空心輕體結(jié)構(gòu)件的新型制造技術(shù)。管是非軸對(duì)稱件，其成形過程非常復(fù)雜，影響成形質(zhì)量的因素眾多。在T型三通管軸壓脹形成形過程中，內(nèi)壓力和左右兩端軸向進(jìn)給的合理匹配是成形技術(shù)的關(guān)鍵。為了能保證成形質(zhì)量和避免成形缺陷(起皺和破裂)的產(chǎn)生，就必須對(duì)T型三通管軸壓脹形的加載軌跡進(jìn)行優(yōu)化。
本文基于ABAQUS軟件，針對(duì)材料模型、網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)置等參數(shù)的選擇分別進(jìn)行了討論，并建立了有限元模型，分析了國標(biāo)三通成形件的壁厚分布規(guī)律與應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，研究了成形工藝參數(shù)(內(nèi)壓力P與軸向進(jìn)給量S)和上沖頭的初始位置對(duì)支管成形高度和壁厚分布的影響。結(jié)果表明：在進(jìn)給量不變的情況下，支管的有效高度和壁厚差隨著內(nèi)壓力的增大而增大，但支管的高度增高不明顯，支管頂端區(qū)域最小壁厚明顯變薄；同樣，當(dāng)內(nèi)壓力不變時(shí)，隨著軸向進(jìn)給量的增大，支管的有效高度明顯變高，壁厚分布明顯得到改善；在內(nèi)壓力和軸向進(jìn)給量確定情況下，上沖頭的初始位置距管坯越遠(yuǎn)，成形件的壁厚分布就越不均勻，支管頂端的最小壁厚就越薄。
利用數(shù)值模擬的方法從有限次的模擬結(jié)果中選擇出的最優(yōu)參數(shù)并不是真正意義的科學(xué)的最優(yōu)參數(shù)，不是計(jì)算機(jī)完全自動(dòng)尋找的最優(yōu)值。本文基于最優(yōu)化理論和算法，通過編寫批處理命令、腳本文件和宏命令文件在有限元模擬程序和優(yōu)化算法程序(軟件)之間建立了有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸接口(有限元模擬結(jié)果數(shù)據(jù)接口、設(shè)計(jì)變量傳遞接口、調(diào)用有限元程序接口等)，完成了有限元軟件和優(yōu)化軟件的無縫連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成整個(gè)優(yōu)化過程的功能。在此基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化軟件iSIGHT建立了T型三通管軸壓脹形的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，在正交試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了二階響應(yīng)面近似模型，完成了國標(biāo)碳鋼三通管軸壓脹形的加載軌跡優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明：要得到支管高度較高和壁厚分布均勻的管坯，內(nèi)壓力的加載過程是先迅速加載，然后再緩慢加載或保持一定值不變，軸向的加載是先緩慢補(bǔ)料后再加快補(bǔ)料。經(jīng)過優(yōu)化后的碳鋼三通管的成形件的支管高度更能滿足要求，壁厚分布更加均勻。
國內(nèi)三通研究概況
九十年代，哈爾濱工業(yè)大學(xué)液力成形課題組開始研究內(nèi)高壓成形理論、工藝和設(shè)備，研制出首臺(tái)15OMPa內(nèi)高壓成形機(jī)，該設(shè)備在計(jì)算機(jī)的控制下，按規(guī)定的加載路徑嚴(yán)格控制內(nèi)壓力和軸向進(jìn)給加工管類零件。哈工大的苑世劍等人研究了脹形成形中的起皺行為，并利用數(shù)值模擬和力學(xué)理論對(duì)圓角處的應(yīng)力分布和變形規(guī)律進(jìn)行了研究。
清華大學(xué)的雷麗萍和燕山大學(xué)的周磊等對(duì)后延臂、副車架和汽車橋殼的脹形工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。合肥工業(yè)大學(xué)的薛克敏、周林等分別建立汽車前梁脹形成形的有限元模型，國標(biāo)碳鋼三通分析了主要成形工藝參數(shù)如內(nèi)壓力、軸向進(jìn)給量和摩擦系數(shù)等對(duì)其成形結(jié)果的影響規(guī)律，結(jié)果表明采用低壓合模、高壓整形雙線性加載路徑時(shí)，能顯著控制起皺、破裂缺陷的產(chǎn)生。青島科技大學(xué)的田仲可討論了薄壁管無模脹形中的內(nèi)壓和軸壓的加載控制穩(wěn)定性問題，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明適度的起皺有助于提高薄壁管脹形成形的成形極限。西北工業(yè)大學(xué)的余心宏和翟江波采用LS-DYNA軟件建立軸壓脹形的有限元模型，根據(jù)內(nèi)壓及徑向壓力的變化情況設(shè)計(jì)出了五種不同的加載路徑，并對(duì)其在危險(xiǎn)截面的壁厚變化、應(yīng)變變化規(guī)律進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明提高初始內(nèi)壓上升速度及采用泄后及減緩徑向反壓施加的加載路徑更易獲得支管較高、質(zhì)量更好的國標(biāo)無縫三通管件。梁海成等采用有限元分析軟件MSC。Marc分析成形零件基本變形特征和壁厚分布規(guī)律，給出了不同最大內(nèi)壓力下壁厚分布規(guī)律，討論了最大壓力對(duì)成形的影響，分析表明最大內(nèi)壓對(duì)內(nèi)壓成形國標(biāo)三通管有重要的影響。上海交通大學(xué)的宋忠財(cái)對(duì)T型三通管軸壓脹形建立了有限元數(shù)值模擬模型，并采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法分析了內(nèi)壓力的加載路徑、模具過渡圓角半徑、管件與模具接觸表面間的摩擦系數(shù)和支管平衡沖頭平衡力等主要工藝參數(shù)對(duì)三通管液壓成形性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明摩擦系數(shù)影響最大，其次是圓角半徑和內(nèi)壓力，平衡力影響不明顯。其中管件與模具接觸表面之間的摩擦力是影響碳鋼三通管脹形成形質(zhì)量的不利因素。南京航天航空大學(xué)的孫顯俊等利用有限元模擬方法研究液壓脹形過程中雙金屬復(fù)合管件的成形性能，分析了內(nèi)壓和摩擦對(duì)復(fù)合三通管件減薄率分布的影響，并比較了純鐵層和純鋁層之問的壁厚減薄率分布差異。同時(shí)根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，對(duì)Fe/Al雙金屬復(fù)合管進(jìn)行成形實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明成形過程中純鐵層和純鋁層之間結(jié)合良好，通過調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)和內(nèi)壓力大小可以控制Fe/Al雙金屬復(fù)合碳鋼三通管件的成形質(zhì)量。
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