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1、中國機械工程第17卷增刊2006年10月材料成形性能對空心曲軸內高壓成形模擬結果的影響林俊峰1苑世劍1韓笑峰21.哈爾濱工業(yè)大學,哈爾濱,2.哈爾濱學院,哈爾濱,摘要:用數值模擬的方法研究材料成形性能對空心曲軸內高壓成形結果的影響,分析了管材的厚向異性系數與硬化指數的變化對壁厚分布的影響,結果表明,內高壓成形件的壁厚分布與材料的硬化指數n值、厚向異性指數r值密切相關,n值越大,壁厚分布越均勻,r值越大,壁厚減薄率越小,可減小破裂的可能性。關鍵詞:材料成形性能;內高壓成形;空心曲軸;數值模擬中圖分類號:TG394 文章編號:1004—132X(2006)S2—0048—03TheIn
2、fluenceofMaterial’sMechanicalPropertyonSimulationofHollowCrankshaftHydroformingLinJunfeng1 YuanShijian1 HanXiaofeng21.HarbinInstituteofTechnology,Harbin,1500012.HarbinUniversity,Harbin,150001Abstract:Aninvestigationisconductedfortheinfluenceofthematerial’smechanicalpropertyonsimulationofhollowcr
3、ankshafthydroforming.Byanalysingtheeffectofnvalueandrvalueonthick2nessdistributions,itisfoundthatforthematerialswithbiggernvalue,wallthicknessdistributionismoreuniform,andtheminimalwallthicknessofthetransitionregionisincreased.Thewidthintran2sitionregionandthecenterregionandwallthicknessincenter
4、regionisaccordinglysmaller.Keywords:materialproperty;hydroforming;hollowcrankshaft;simulation0 引言近年來,隨著計算機軟硬件技術的高速發(fā)展,使得大容量的復雜計算在個人PC機上也可高效實現,再加上數值模擬軟件的不斷發(fā)展完善,使得材料成形過程的有限元模擬精度不斷提高,在許多領域有限元模擬已可以代替實驗研究。但在許多情況下模擬結果與實驗仍有一些差距,其中有限元分析模型的材料力學性能和摩擦條件的設定與實際情況存在差異是主要原因[1,2]。另外,成形空心曲軸的管坯有多種材料,主要是不銹鋼和碳鋼,它們的材
5、料力學性能不同。針對不同材料的應用,本文通過對非對稱結構的空心雙拐曲軸的模擬研究,分析了硬化指數n值、厚向異性指數r值對成形件壁厚分布的影響,對于提高材料成形的數值模擬水平和不同材料管坯的實際應用有著重要的指導意義。收稿日期:2006—08—15基金項目:華中科技大學塑性成形模擬及模具技術國家重點實驗室開放基金資助項目(05-7);哈爾濱工業(yè)大學?；鹳Y助項目(HIT.2003.08)1 零件特點和有限元模型圖1所示為空心雙拐曲軸的幾何尺寸,長度220mm,拐部管徑從63mm變化到86mm,上半周膨脹量62%,下半周膨脹量12%,非對稱的特征非常明顯。由于該零件具有非對稱的外形和較大
6、圖1 空心雙拐曲軸零件圖的單側膨脹量,成形時一面不膨脹且壁厚還要增加,而另一側膨脹量較大,因而在成形中控制壁厚相對均勻的難度很大,補料過多的一側會發(fā)生起皺,補料不夠的另一側會產生破裂。初始管坯的·48·材料成形性能對空心曲軸內高壓成形模擬結果的影響———林俊峰苑世劍韓笑峰尺寸為<63mm×3mm,根據體積不變條件計算出理論補料量為80mm,所以管坯長度定為300mm。采用有限元分析程序DYNAFORM,與之配套的有限元求解器為LS-DYNA,從而實現了前后處理程序與求解器的無縫連接。圖2所示為空心雙拐曲軸內高壓成形模擬模型,包括模具、坯料與左右沖頭四部分。管坯采用中性層進行造型,劃分為
7、Belytschko-Tsay殼單元,單元數5680,全部是四邊形單元。模具劃分為剛體單元,單元數3787,其中四邊形單元3707個,三角形單元80個。左右沖頭為剛體單元,單元數均為926,其中四邊形單元896個,三角形單元30個。3 n值對成形的影響針對不同n值的模擬模型,采用圖3所示的加載路徑進行數值模擬,圖4所示是不同硬化指數下內高壓成形空心雙拐曲軸的模擬結果,可以看出,成形區(qū)的壁厚值與材料的硬化指數密切相關。雖然材料n值不同,但壁厚分
