大曲率型材拉弯成形过程的数值模拟

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目前由于城市道路运输的压力越来越大,人们开始选择火车、地铁作为出行的交通工具;随着哈大高铁、京广高铁的建成通车,轨道交通工具以其乘坐方便舒适、速度快、运输量大、安全性高等优点,吸引了更多的乘客来选择轨道交通工具。拉弯成形零件以其重量轻、强度高等优点,成为轨道车辆车身结构的必不可少的零件之一,拉弯成形技术也因此成为轨道车辆制造的关键技术。但由于拉弯成形过程中易产生起皱、回弹和截面畸变等缺陷,严重情况下影响成形件质量,拉弯成形技术也因此成为高质量车身制造技术的瓶颈。有限元模拟技术是型材拉弯成形的重要研究方法之一。本文通过ABAQUS模拟软件对不锈钢型材构件进行模拟研究,分析了不同的材料、厚度、弯曲半径、胎具间隙和拉弯工艺参数等影响因素对起皱和回弹的影响。具体的研究内容归纳如下:1)建立型材拉弯的有限元模型,模型中型材采用可变形实体壳单元,拉弯胎、挡板和夹头不发生变形,采用离散刚体壳单元。由于整个模型对称,且加载方式和约束条件也对称,为减少计算时间,只建立1/2模型。型材材料为SUS301L不锈钢;通过公式计算出加载轨迹,设置工艺参数,控制拉弯过程;综合考虑计算精度和计算时间等因素,合理划分网格;2)针对拉弯成形中的起皱缺陷,模拟分析了不同的材料、厚度、弯曲半径、胎具间隙和拉弯工艺参数等因素对起皱的影响。结果表明:型材材料的屈服强度越大、厚度越大、弯曲半径越大,型材越不容易起皱;减少胎具间隙有利于减小起皱缺陷;预拉伸量和补拉伸量对起皱缺陷的影响较小,而包覆阶段的拉伸量对起皱影响很大,增大包覆阶段拉伸量,可以显著减小甚至消除起皱缺陷;3)回弹现象是不可避免的,回弹过大会导致轮廓精度较差,影响零件的装配。为了减小回弹,分别从材料、厚度、弯曲半径和拉弯工艺参数等因素分析,结果表明:材料的屈服强度越小、厚度越大、弯曲半径越小,型材回弹越小;预拉伸量和补拉伸量对回弹的影响较小,包覆阶段的拉伸量对回弹影响很大,增加包覆拉伸量,可以明显减小回弹,提高轮廓精度;4)以某型地铁的车顶弯梁结构件为例,对其成形工艺进行模拟,对工艺参数进行优化。根据型材截面收缩变形量的模拟计算结果,对截面尺寸进行补偿,消除了由于截面尺寸不足而引起的截面畸变。运用模拟优化的工艺参数,进行了拉弯成形试验,消除了起皱缺陷,显著减小回弹,提高轮廓精度,获得高质量的试验件,也证明了数值模拟的可靠性。
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