3A21鋁合金矩形管變形計算機(jī)仿真論文

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1簡化模型與截面變形

通常采用截面變化率δh表示彎曲后矩形管在截面處的變形程度，其可用公式δh=(h-h1)/h×100%表示，其中h、h1分別表示矩形管變形前后截面處的高度。

2建立有限元模型

2.1模型建立

矩形管坯尺寸為b×h×t=24.9mm×12.3mm×1mm，材料為3a21鋁合金。采用Abaqus軟件建立有限元模型。步驟如下：建立部件的幾何模型、部件進(jìn)行裝配、設(shè)置接觸條件、劃分網(wǎng)格等。

2.2可靠性驗(yàn)證

采用試驗(yàn)方法對有限元仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，判斷有限元仿真的可靠性，進(jìn)而對芯模參數(shù)影響矩形管截面變形規(guī)律進(jìn)行研究。試驗(yàn)與模擬中工藝參數(shù)設(shè)置一致，即：彎曲角度θ=90°，彎曲半徑R=40mm，彎曲速度w=1.567rad/s，芯棒、夾塊及其他模塊與管坯之間的摩擦系數(shù)分別為0.01、0.50、0.17，管坯與模具間隙ΔC=0.1mm，芯頭參數(shù)為，H=10mm，B=22.88mm，D=3mm，A=60°，n=3，同時要求芯棒無伸出量。對有限元方法與實(shí)驗(yàn)方法得到的截面變化率δh進(jìn)行對比。可以看出：靠近彎曲兩端部分(0°、90°)時截面變化率比較小，處于彎曲中間部分(40°~80°)時截面變化率較大，且隨著截面位置的增大而增加。對比兩條曲線，發(fā)現(xiàn)曲線變化趨勢相同，通過計算可知模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差為2.9%。充分說明本文采用的模型可有效的模擬3A21鋁合金矩形管在繞彎成形中的截面變化。

3模擬結(jié)果分析

3.1芯頭個數(shù)n影響截面變化

以2.2節(jié)中設(shè)定的工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，保證其他參數(shù)不變，改變芯頭個數(shù)n，分別設(shè)置為1、2、3、4，采用文中建立的模型進(jìn)行仿真模擬，研究芯頭個數(shù)n對截面變化的影響。不同時截面變化率沿繞彎方向的曲線對比圖?？梢钥闯?，n=1或者n=2時截面變化率δh較大，且在彎曲中間位置(45°左右)取得最大值，分別為37%、34.5%。當(dāng)n=3時，截面變化率迅速減小，最大截面變化率為6.9%。繼續(xù)增大芯頭個數(shù)n，當(dāng)n=4時，截面變化率變化不大，可以判斷當(dāng)n大于3時，增大芯頭個數(shù)對矩形管繞彎成形中截面變化無太大影響，故應(yīng)選取n=3，矩形彎曲管質(zhì)量較好。同時，截面變化率在彎曲兩端較小，而在彎曲中間位置較大。由于壓塊、彎曲模與防皺模對矩形管的外壁進(jìn)行限制，同時芯頭和芯棒對內(nèi)壁起到支撐作用。在彎曲中間部分，內(nèi)壁失去了芯頭的支撐作用，外壁沒有壓塊進(jìn)行限制，故處于懸空狀態(tài)，此時截面變形率會較高。矩形管的末端受到夾塊及彎曲模作用，即使沒有了芯頭的支撐作用，其截面的變化也不會很大。

3.2芯頭間距D影響截面變化

保證其他參數(shù)不變，改變芯頭間距D，分別設(shè)置為3mm、4mm、5mm和6mm，研究芯頭間距D對截面變化的影響。不同芯頭間距D下截面變化率沿繞彎方向的曲線對比圖。可以看出，芯頭間距D為3~5mm時，彎曲始端的δh比末端的明顯小，而D=6mm時兩端的δh相近。截面變化率δh隨著芯頭間距D的增加而逐漸減小。這是由于芯頭間距D增加，芯頭支撐矩形管內(nèi)壁的角度增大，故δh減小。

3.3芯頭厚度T影響截面變化

改變芯頭厚度T，分別設(shè)置為3mm、5mm、7mm和9mm，保證其他參數(shù)不變。不同芯頭厚度T時截面變化率沿繞彎方向的曲線對比圖。可以看出，截面變化率δh隨著芯頭厚度T的增加而逐漸減小。T≤7mm，截面變化率δh在矩形管的起始端與末端比中間部分小。T=3mm時，當(dāng)繞彎角度大于40°時，δh迅速上升，角度在60°時δh達(dá)到最大值，隨后逐漸減小。隨著芯頭厚度T逐漸增加，δh隨截面位置變化趨勢也較為平緩。這是由于芯頭厚度較大時，在繞彎過程中芯頭對矩形管的支撐范圍比較大，所以使得截面變化程度較小，綜上選擇T=9mm時矩形管繞彎效果好。3.4芯頭圓弧角度A影響截面變化改變芯頭圓弧角度A，分別設(shè)置為60°、90°、120°、180°，保證其他參數(shù)不變。不同芯頭圓弧角度A時截面變化率沿繞彎方向的曲線對比圖。可以看出，在彎曲過程中矩形管始端與末端δh較小，在中間位置δh較大。截面變化率δh隨著芯頭圓弧角度A的增加而逐漸增加。這是由于隨著芯頭圓弧角度A的減小，圓弧上的頂點(diǎn)U與末點(diǎn)C之間的高度差Δh減小，芯頭對矩形管的支撐效果越明顯，故截面變化程度越小。但是當(dāng)圓弧角度A過小時，一套芯模不適合在不同彎曲半徑的多種彎曲模中使用，而A=60°時，芯頭中心與圓弧中心位置一致，方便芯頭的加工。綜合考慮選擇芯頭圓弧角度A為60°。

4結(jié)論

（1）在矩形管的始末端截面變形程度較小，中間位置(40°~80°)截面變形程度較大；增大芯頭數(shù)目、芯頭間距、芯頭厚度及減小芯頭圓弧角度，均使得繞彎過程中矩形管截面變化程度降低。

（2）選擇3個芯頭，芯頭間距、厚度和圓弧角度分別為6mm、9mm、60°時，可以生產(chǎn)質(zhì)量較高的矩形彎管。

作者：趙秀梅 單位：長春工業(yè)大學(xué) 吉林司法警官職業(yè)學(xué)院