管材弯曲的一步逆成形有限元法研究

作     者：钱文清 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鲍益东

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：管材弯曲成形 有限元法 一步逆成形 全量理论 初始解 

摘      要：金属弯管件具有高强度、轻量化的特点,在航空航天、汽车、轨道交通等领域应用广泛。随着制造业的高速发展,人们对弯管的性能提出了更高的要求。有限元数值模拟方法可准确预示管材弯曲成形性能,辅助成形工艺的改进,节约时间成本和经济成本。但增量有限元法需完备的模具信息,且操作复杂、求解时间较长,在管路系统设计初期适用性较差。本文提出一种基于全量理论的管材弯曲一步逆成形有限元法。该方法以直管坯为初始构形,已知的弯管件为最终构形,将成形过程视为比例加载,根据虚功原理建立起全量理论的有限元平衡方程,并在一个大步长内进行迭代求解,预示出弯管件的厚度及应变分布。考虑到成形过程中的弯曲效应,采用DKT12壳单元划分网格,推导了单元刚度矩阵及节点内力。基于一步逆成形法求得的节点位移,利用隐式算法模拟了弯管回弹。重点研究了管材弯曲一步逆成形的初始解预示技术:首先通过自主开发的针对弯管件的规则化网格生成算法,根据弯管件的关键几何信息自动建立网格模型;然后引入保形参数化方法求解初始管坯的节点位置;最后采用基于线弹性反向变形的网格光顺算法调整节点位置,得到高精度初始解。根据以上理论自主开发出管材弯曲一步逆成形程序,对空间弯管和螺旋管进行了一步逆成形模拟,并与LS-DYNA、ABAQUS/Explicit的仿真结果及试验值对比,验证了该程序的高精度和高效性,同时说明了管材弯曲一步逆成形法具有工程应用价值。