李恒博士多模具约束下薄壁管数控弯曲成形过程失稳起

学校代码10699分类号TG386.43密级学号037040039题目多模具约束下薄壁管数控弯曲成形过程失稳起皱行为研究作者李恒学科、专业材料加工工程指导教师杨合申请学位日期2007年12月国内图书分类号TG386.43学校代码10699国际图书分类号密级学号037040039西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：多模具约束下薄壁管数控弯曲成形过程失稳起皱行为研究博士研究生：李恒导师：杨合教授副导师：詹梅教授学科、专业：材料加工工程所在单位：材料学院答辩日期：2007年12月授予学位单位：西北工业大学授予学位日期：2007年12月国家杰出青年科学基金（50225518）、国家自然科学基金（59975076、50175092）、高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划与高校博士点基金（20020699002）和航空科学基金（04H53057）。DissertationfortheDoctorDegreeofEngineeringStudyonWrinklingBehaviorsunderMulti-dieconstraintsinThin-walledTubeNCBendingPh.D.Candidate:LiHengSupervisor:Prof.YangHeAssociateSupervisor:Prof.ZhanMeiAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:MaterialsProcessingEngineeringDateofOralExamination:Dec.,2007UnitofDegreeConferred:NorthwesternPolytechnicalUniversityDateofDegreeConferred:Dec.,2007theNationalScienceFoundofChinaforDistinguishedYoungScholars(No.50225518),theNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.59975076andNo.50175092),theTeachingandResearchAwardProgramforOutstandingYoungTeachersinHigherEducationInstitutionsofMOE,PRCandtheSpecializedResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducationofMOE,PRC(20020699002),theAviationScienceFoundation(04H53057).摘要-I-摘要研究和发展薄壁管数控弯曲先进成形理论与技术，既是航空、航天、汽车等技术发展迫切需要，又已成为先进塑性成形前沿领域所面临的重要课题。然而，该技术的实现过程需要多种模具的协同作用和严格配合，迫切需要解决多模具约束多因素耦合下薄壁管弯曲失稳起皱等挑战性难题，特别是对大口径、小弯曲半径和难成形薄壁管更是如此。为此，本文采用计算机建模数值仿真，并与理论解析和实验相结合的方法，对多模具约束下薄壁管数控弯曲成形过程失稳起皱行为进行了深入系统的研究，主要取得了以下几方面研究结果。建立了多模具约束下薄壁管数控弯曲成形过程有限元仿真的可靠模型，该模型可定性预测起皱区域；结合实验研究，研究揭示了薄壁管数控弯曲成形过程局部连续渐进和不对称、不均匀塑性变形所可能导致的失稳起皱现象的多样性和不对称局部分布特征，即失稳起皱发生在弯曲初期并主要分布在弯曲切点附近的管材直线段和部分弯曲段；在此基础上，针对数控弯管过程提出了利用内外侧切向应力差值1wI或内侧面内双向压应力差值2wI来衡量失稳起皱趋势大小的定性判据，即，1wI越大或2wI越小，起皱趋势越大。全面考虑多模具约束作用，基于能量法，建立了薄壁管数控弯曲过程失稳起皱定量预测模型；结合薄壁管数控弯曲成形过程仿真，阐明了不同约束条件下几何参数和材料参数对弯管失稳起皱的影响机制；发现，增大厚向异性指数R、硬化指数n和初始屈服强度0.2均能降低弯管起皱趋势，强度系数K则对管材起皱影响不大；对于易发生失稳起皱的大口径薄壁管小弯曲半径数控弯曲过程，通过模具恰当约束可显著降低其起皱趋势甚至避免起皱发生。系统研究了管材-模具接触条件对薄壁管数控弯曲失稳起皱的影响规律，发现，摩擦和间隙是影响失稳起皱的关键接触条件；减小管材-模具间隙和增大管材-防皱块间摩擦均有助于减小起皱趋势，增大管件-芯模以及减小管件-夹块间摩擦均会引起管材-夹块相对滑动而导致管材前端起皱；芯棒伸出量达到芯棒圆角半径时其抑制起皱的作用最大，而芯头个数对起皱影响的显著性介于芯模直径尺寸和芯棒伸出量的影响之间；提出了改善管材-模具接触条件避免小弯曲半径弯管起皱的“分段抽芯”新方法。深入研究了助推加载条件对薄壁管数控弯曲过程及起皱的影响，结果表明，压块和顶推同步加载能有效避免管件-夹块相对滑动而避免管材前段起皱；助推摘要作用虽然会增大弯管在弯曲切点处的失稳起皱趋势，但影响并不大，而直接在管子末端施加顶推力对改善管材壁厚减薄的效果最明显。鉴于弯管成形过程始终伴随外侧壁厚减薄和截面变形的特点，基于成形参数对薄壁管数控弯曲失稳起皱、壁厚减薄和截面变形的影响规律，提出了同时考虑壁厚减薄和截面变形质量要求的薄壁弯管起皱成形极限概念，并确定了以不起皱时的强工艺参数（如极小管材-芯模间隙，大芯棒伸出量和较多芯头个数等）作为弯管成形极限求解的初始场，然后通过逐步放松约束条件来获得截面变形和壁厚减薄满足要求的起皱成形极限求解方法。在此基础上成功实现了铝合金和不锈钢难度很大的薄壁管小弯曲半径数控弯曲的精确成形。关键词：薄壁管，数控弯曲，失稳起皱，多模具约束，预测模型，能量法，有限元数值仿真Abstract-III-AbstractTheresearchanddevelopmentofadvancedformingtheoryandtechnologyinthin-walledtubeNC(NumericalControl)bendingisnotonlytheurgentneedsofthedevelopmentofaerospace,automobileandotherhightechnologies,butalsothefrontierofadvancedplasticforming.However,theimplementationofthethin-walledtubeNCbendingprocessrequiresstrictcooperationofmultiplediesandtools,soitisnecessarytoresolvethekeyandchallengingproblemssuchaswrinklingundermulti-dieconstraintsandwithmulti-factorscouplingeffects,especiallyfordifficulttobendingthin-walledtubewithlargediameterandsmallbendingradius.Inthisdissertation,asystematicalandthoroughinvestigationonwrinklingbehaviorsundermulti-dieconstraintsinthethin-walledtubeNCbendinghasbeencarriedoutbyusingFE(FiniteElement)numericalsimulationmethodcombinedwiththeoreticalanalysisandexperimentalstudy.Abriefintroductiontotheprojectanditsmainachievementsobtainedareasfollows:AreliableFEmodelforthin-walledtubeNCbendingprocessisdeveloped,whichcanrealizethequalitativepredictionoftheregionswherewrinklingoccurs.Combinedwithexperimentalstudy,multiformandasymmetriclocaldistributionfeaturesofthewrinklinghavebeenrevealedbasedonthedeformationmechanismoflocalcontinuousprogressiveandasymmetriccharacteristicsofthebendingprocess,viz.thewrinklingoccursatearlystagesandismainlylocatednearthetangentpointincludingthestraightportionandcurvedportion.Andthenaqualitativecriterionisproposedtoevaluatethewrinklingtendencybyusingthedifferentialvaluesbetweentangentstresses1wIordifferentialvaluesbetweenin-planecompressivestresses2wI,viz.thelarger1wIorthesmaller2wI,thelargerthewrinklingtendencybecomes.Consideringtheconstrainingfunctionsofmulti-dies,basedontheenergymethod,thequantitativewrinklingpredictionmodelforthethin-walledtubeNCbendingisestablished.CombinedwiththeFEmodel,theeffectmechanismsofmaterialandgeometryparametersonthewrinklingunderdifferentconstraintconditionshavebeenclarified.ItisfoundthatthelargeranisotropyexponentR,hardeningexponentnandAbstractinitialyieldstress0.2cancausetoreducethetubewrinklingtendency,whilestrengthcoefficientKmayhavenosignificanteffectonthewrinkling.Forthethin-walledtubeNCbendingwithlargediameterandsmallbendingradiuspronetowrinkle,appropriatemulti-dieconstraintscanbeusedtodistinctlyreduceorevenavoidthewrinklingphenomenon.Theinfluenceoftube-toolscontactconditionsonthewrinklinginthethin-walledtubeNCbendingprocessisinvestigatedsystematicallyanditisfoundthatthefrictionandclearancearethekeyfactorsaffectingthewrinkling.Thesmallerclearancebetweentubeanddiesandthelargerfrictionontube-wiperdiemayredu