管材激光成形过程的数值模拟及工艺优化研究

作     者：袁桂平 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：管延锦

授予年度：2007年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：管材 激光弯曲成形 数值模拟 iSIGHT 工艺优化 

摘      要：激光成形是一种利用激光束照射材料表面时形成的内部非均匀热应力场来实现材料成形的新技术。利用激光成形技术实现金属管材的弯曲变形具有独特的优势。与传统的管材机械弯曲相比具有更大的柔性与灵活性。它不需要模具和外力，生产周期短，加工成本低。由于激光能量精确可控，成形精度高，不存在起皱、回弹现象，同时也可以避免管壁的变薄和减少横截面畸变。 本文采用有限元软件***对管材激光弯曲成形进行了数值模拟，分析了其成形过程和内在成形机理，研究了工艺参数对成形的影响规律。在iSIGHT环境下实现了管材激光弯曲成形工艺参数的优化。主要内容为： 利用Fortran语言编制MARC用户子程序FLUX来描述热源的热流密度、大小和运动速度，实现了沿曲线扫描的热载荷的自动加载。并充分考虑了材料性能参数与温度的相关性对成形的影响，保证了分析的精度。 建立了管材激光弯曲成形的热机耦合有限元模型，对成形过程进行了数值模拟分析。模拟结果表明：同板料的激光弯曲成形一样，对应于加热和冷却阶段，管材的激光弯曲成形也分别经历反向弯曲和正向弯曲两个变形阶段。管材最终出现朝向激光束的正向弯曲是由于加热区材料的轴向缩短和局部增厚的综合效应，成形的机理主要表现为增厚机理。 对应力应变场的分析发现，冷却后扫描路径两端位置上呈现较大的残余应力。管材加热区产生了压缩应变，未加热区基本不产生应变或是产生小的拉应变，这取决于具体的工艺参数。加热区外表面的压缩应变比内表面的压缩应变小。管材加热区沿厚度方向上的塑性应变分布与板料激光反向弯曲时相同，与板料正向弯曲时相反。管材加热区与未加热区域之间形成的较大的塑性应变差使得管材整体上产生了朝向激光束的正向弯曲。 管材的激光弯曲成形过程中，未加热区域的管材壁厚基本不变化，不会出现机械弯曲中管材的破裂问题。但由于扫描路径的不对称，管材最终产生了偏向激光扫描末端的轻微变形。 通过对管材激光弯曲成形的有限元工艺仿真，研究了工艺参数对成形的影响。在其它条件不变的情况下，激光弯曲角度随激光功率的增大而增大，两者基本上成线性关系。在其它工艺参数一定的情况下，弯曲角度随扫描速度的升高而减小，弯曲角度随光斑直径的减小而增大，弯曲角随面能量密度p／(vd)的增大而增大，两者呈近似的线性关系。弯曲角度随扫描包角的增大而增大，当扫描包角为180°时，弯曲角度达到最大，弯曲角度随扫描包角的继续增大而减小。 将数值模拟与优化技术相结合，实现了iSIGHT环境下管材激光成形工艺参数的优化，使优化过程节约了大量重复性人机交互过程。分别以定角度、最大成形角度为目标，以激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描包角等工艺参数为设计变量，优化得到了设计变量范围内的最佳参数组合，优化效果显著。 提出了多次扫描工艺规划问题。首先以最大成形角度为目标优化得到相关工艺参数，确定扫描次数，当成形角度接近需成形角度时，以定角度成形为目标优化确定最终的成形工艺参数。通过不同的成形目标工艺参数优化，即可快速准确地达到所要求的变形量。