高柔性拉伸成形工艺及其数值模拟研究

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1、—————————————————————高柔性拉伸成形工艺及其数值模拟研究—————————————————————HighFlexibleStretchFormingProcessanditsNumericalSimulation————————————作者姓名：王友专业名称：材料加工工程研究方向：板材成形工艺及数值模拟指导教师：李明哲教授学位类别：工学博士培养单位：材料科学与工程学院论文答辩日期：2015年6月1日授予学位日期：年月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位

2、张立文教授大连理工大学主席关振中研究员中科院光机所钟约先教授清华大学委员刘薇娜教授长春理工大学刘薇娜教授长春理工大学李明哲教授吉林大学盲审专家研究员专家单位蔡中义教授吉林大学盲审专家教授专家单位刘纯国教授吉林大学摘要摘要论文题目：高柔性拉伸成形工艺及其数值模拟研究专业：材料加工工程指导老师：李明哲教授蒙皮是飞机的外形零件，其表面光顺度和形状准确度直接影响飞机的飞行性能，因此引起了对蒙皮制造质量的关注。拉形机是飞机蒙皮成形的关键设备，目前国内使用的拉形机多从国外进口，设备陈旧且造价较高，导致一般中小企

3、业无法接受，并且在成形过程中存在板料贴模效果不理想、材料利用率低等缺陷；在成形大曲率或复杂曲率零件时，需要在成形过程中增设一步或多步热处理工艺，导致成形效率较低且效果不理想。因此，开发自主知识产权、保证成形质量的拉伸成形装置具有重要的工业应用价值及国防意义。高柔性拉伸成形是现代钣金零件制造工艺的一种技术革新，致力于降低设备开发费用、提高工件成形质量和节省制造成本。高柔性拉伸成形机变传统拉伸成形设备的刚性位移加载为柔性力加载，使用通用液压缸代替特制的液压缸，实现板料变形与加载机构运动的自协调，能够在更

4、均匀的应力、应变下实现曲面件的拉伸成形；在拉伸成形过程中使板料更容易与模具贴合，减小拉伸成形件的工艺余量、降低制造成本，同时提高成形质量。近年来，随着数值模拟技术的不断完善和计算机硬件的飞速发展，数值模拟已成为一些企业和研发机构开发新产品的重要手段。采用有限元分析软件对高柔性拉伸成形过程进行数值模拟分析，可以全面地了解板材在成形过程中的应力应变变化，预测成形缺陷，然后进行工艺参数优化。本文采用数值模拟分析了高柔性拉伸成形中过渡区长度、拉力加载路径对成形结果的影响；研究了使用多点模具高柔性拉伸成形时弹

5、性垫硬度、层数及摩擦系数对成形结果的影响；针对高柔性拉伸成形中存在的起皱缺陷提出了渐变型面拉伸成形工艺，并通过数值模拟对其进行了相关研究。本文的主要研究内容和结论如下：1．高柔性拉伸成形原理、成形过程力学及自适应调节过程研究分析传统拉伸成形原理及工艺特点，指出板料贴模度差和材料利用率低是影响传统拉伸成形应用范围的两大局限因素；详细探讨高柔性拉伸成形原理、设备构成及特点、应用范围及前景；探讨高柔性拉伸成形力学过程，分析成形过程中板料厚度截面的应力应变演化过程；分析高柔性拉伸成形过程的自适应调节过程，指

6、出使用弹性连I吉林大学博士学位论文接元件不仅能够有效改善板料在夹料机构钳口前端的流动状态、降低板料撕裂的可能性，还能够驱使各离散夹料机构实现随动横向摆动制约、促使板料边缘部位与模具贴合。2．高柔性拉伸成形有限元模型建立介绍有限元软件ABAQUS中动力显式算法和静力隐式算法的实现过程，探讨回弹模型建立方式及所需施加的边界条件；建立高柔性拉伸成形有限元模型，探讨模型中材料模型、单元类型及尺寸、接触及边界条件的选择；使用万能摩擦磨损试验机测量聚氨酯橡胶板—聚氨酯橡胶板、聚氨酯橡胶板—45#钢、45#钢—4

7、5#钢三对摩擦副在有无润滑条件下的摩擦系数，为后续有限元分析提供数据支撑。3．高柔性拉伸成形过程分析及过渡区长度研究通过数值模拟对比分析传统拉伸成形与高柔性拉伸成形过程，结果表明：与传统拉伸成形相比，高柔性拉伸成形可以显著提高板料的贴模度。研究过渡区长度对成形力、应力应变、板厚及成形精度的影响，结果表明：过渡区长度越短，板料成形时所需要的拉力越小，成形件内的应力应变及厚度分布越均匀；同时得知，应变均布程度是影响成形精度的一个重要因素。最后在自主开发的设备上进行了相关实验，证实了数值模拟结果的正确性。

8、4．高柔性拉伸成形中拉力加载路径及摩擦系数的研究研究水平—垂直（HV）和水平—倾斜—垂直（HTV）拉力加载路径对成形结果的影响，分析两种拉力加载路径中摩擦系数对成形结果的影响。分析HV加载路径中水平预拉力对拉应变和成形精度的影响，结果表明：当水平拉力在一定范围变化时，板料与模具完全贴合时所需要的垂直拉力大小相当；预拉力越大，模拟件成形区内的最大拉应变越大；使板料进入初始屈服点的预拉力可以获得较高的成形精度。分析HTV加载路径中倾斜拉力对拉应变及成形精度的影响，结果显示