3A21铝合金矩形管变形计算机仿真论文

3A21铝合金矩形管变形计算机仿真论文

　　1.简化模型与截面变形

　　通常采用截面变化率δh表示弯曲后矩形管在截面处的变形程度，其可用公式δh=(h-h1)/h×100%表示，其中h、h1分别表示矩形管变形前后截面处的高度。

　　2.建立有限元模型

　　2.1模型建立

　　矩形管坯尺寸为b×h×t=24.9mm×12.3mm×1mm，材料为3A21铝合金。采用Abaqus软件建立有限元模型。步骤如下：建立部件的几何模型、部件进行装配、设置接触条件、划分网格等。

　　2.2可靠性验证

　　采用试验方法对有限元仿真结果进行验证，判断有限元仿真的可靠性，进而对芯模参数影响矩形管截面变形规律进行研究。试验与模拟中工艺参数设置一致，即：弯曲角度θ=90°，弯曲半径R=40mm，弯曲速度w=1.567rad/s，芯棒、夹块及其他模块与管坯之间的摩擦系数分别为0.01、0.50、0.17，管坯与模具间隙ΔC=0.1mm，芯头参数为，H=10mm，B=22.88mm，D=3mm，A=60°，n=3，同时要求芯棒无伸出量。对有限元方法与实验方法得到的截面变化率δh进行对比。可以看出：靠近弯曲两端部分(0°、90°)时截面变化率比较小，处于弯曲中间部分(40°~80°)时截面变化率较大，且随着截面位置的增大而增加。对比两条曲线，发现曲线变化趋势相同，通过计算可知模拟结果与实验结果的最大误差为2.9%。充分说明本文采用的模型可有效的模拟3A21铝合金矩形管在绕弯成形中的截面变化。

　　3.模拟结果分析

　　3.1芯头个数n影响截面变化

　　以2.2节中设定的工艺参数为基础，保证其他参数不变，改变芯头个数n，分别设置为1、2、3、4，采用文中建立的模型进行仿真模拟，研究芯头个数n对截面变化的影响。不同时截面变化率沿绕弯方向的曲线对比图。可以看出，n=1或者n=2时截面变化率δh较大，且在弯曲中间位置(45°左右)取得最大值，分别为37%、34.5%。当n=3时，截面变化率迅速减小，最大截面变化率为6.9%。继续增大芯头个数n，当n=4时，截面变化率变化不大，可以判断当n大于3时，增大芯头个数对矩形管绕弯成形中截面变化无太大影响，故应选取n=3，矩形弯曲管质量较好。同时，截面变化率在弯曲两端较小，而在弯曲中间位置较大。由于压块、弯曲模与防皱模对矩形管的外壁进行限制，同时芯头和芯棒对内壁起到支撑作用。在弯曲中间部分，内壁失去了芯头的支撑作用，外壁没有压块进行限制，故处于悬空状态，此时截面变形率会较高。矩形管的末端受到夹块及弯曲模作用，即使没有了芯头的支撑作用，其截面的变化也不会很大。

　　3.2芯头间距D影响截面变化

　　保证其他参数不变，改变芯头间距D，分别设置为3mm、4mm、5mm和6mm，研究芯头间距D对截面变化的影响。不同芯头间距D下截面变化率沿绕弯方向的曲线对比图。可以看出，芯头间距D为3~5mm时，弯曲始端的δh比末端的明显小，而D=6mm时两端的δh相近。截面变化率δh随着芯头间距D的增加而逐渐减小。这是由于芯头间距D增加，芯头支撑矩形管内壁的角度增大，故δh减小。

　　3.3芯头厚度T影响截面变化

　　改变芯头厚度T，分别设置为3mm、5mm、7mm和9mm，保证其他参数不变。不同芯头厚度T时截面变化率沿绕弯方向的曲线对比图。可以看出，截面变化率δh随着芯头厚度T的增加而逐渐减小。T≤7mm，截面变化率δh在矩形管的起始端与末端比中间部分小。T=3mm时，当绕弯角度大于40°时，δh迅速上升，角度在60°时δh达到最大值，随后逐渐减小。随着芯头厚度T逐渐增加，δh随截面位置变化趋势也较为平缓。这是由于芯头厚度较大时，在绕弯过程中芯头对矩形管的支撑范围比较大，所以使得截面变化程度较小，综上选择T=9mm时矩形管绕弯效果好。3.4芯头圆弧角度A影响截面变化改变芯头圆弧角度A，分别设置为60°、90°、120°、180°，保证其他参数不变。不同芯头圆弧角度A时截面变化率沿绕弯方向的曲线对比图。可以看出，在弯曲过程中矩形管始端与末端δh较小，在中间位置δh较大。截面变化率δh随着芯头圆弧角度A的增加而逐渐增加。这是由于随着芯头圆弧角度A的减小，圆弧上的顶点U与末点C之间的高度差Δh减小，芯头对矩形管的支撑效果越明显，故截面变化程度越小。但是当圆弧角度A过小时，一套芯模不适合在不同弯曲半径的多种弯曲模中使用，而A=60°时，芯头中心与圆弧中心位置一致，方便芯头的加工。综合考虑选择芯头圆弧角度A为60°。

　　4.结论

　　（1）在矩形管的始末端截面变形程度较小，中间位置(40°~80°)截面变形程度较大；增大芯头数目、芯头间距、芯头厚度及减小芯头圆弧角度，均使得绕弯过程中矩形管截面变化程度降低。

　　（2）选择3个芯头，芯头间距、厚度和圆弧角度分别为6mm、9mm、60°时，可以生产质量较高的矩形弯管。

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