机械设计与研究：反转螺旋薄壁管件液压胀形的仿真与优化设计
2022-12-31【作 者】孔呈海;赵希禄
目前，汽车和飞机等行业的发展日益加快，在保证强度和产品性能的前提下，最大限度地减轻结构重量，以达到节省材料、降低成本和减少污染等目的等研究课题已经越来越受到产业界和相关研究人员的关注。减质的重要途径之一便是以空心结构代替实心件，既能减轻质量、节省材料，又能通过加工强化提高材料强度和刚度。在此背景下，一种基于轻量化和一体化特征开发出来的空心变截面轻体结构件的管材内高压成形技术得到了迅速地发展[1]。此技术适用于加工沿构件轴线方向变化的圆形、矩形或异形截面的空心零件[2]。
汽车前纵梁作为车身结构中的一类关键部件，对于提高车辆的碰撞安全性能起着重要的作用[3,4]。前纵梁位于发动机两侧细长的空间内，当受到碰撞载荷时，由于Euler失稳的影响，细长薄壁结构的前纵梁会发生侧向倒伏，使得前纵梁无法继续吸能。因此，如何有效避免前纵梁因Euler失稳而侧向倒伏的现象，是汽车前纵梁结构设计中的一个重要的研究课题。
反转螺旋薄壁结构是为了满足前纵梁吸能特性的需要提出的一种异形截面结构。由于反转螺旋薄壁结构的形状不规则，如果按照传统工艺通过焊接加工，不仅工序繁多，焊缝质量很难得到保证，而且结构的整体性差，在碰撞时容易产生溃裂，不能满足产品的设计要求[5,6]。通过液压胀形，可以一次实现产品加工，但是由于形状特殊，工艺参数难以控制，特别是反转螺旋薄壁管件的壁厚分布不均匀的问题至今尚未得到很好的解决。
本文以反转螺旋薄壁管件的液压胀形加工问题为研究对象，利用LS一DYNA软件模拟液压胀形的成形过程，利用响应曲面法进行优化设计，求解液压胀形加工反转螺旋薄壁管件的最佳工艺参数组合，保证了反转螺旋薄壁管件的加工质量。
【结 论】
利用LS一DYNA软件对液压胀形加工过程进行仿真计算，结合响应曲面法对液压胀形工艺参数进行优化设计，得到符合要求的反转螺旋薄壁管件的最优工艺参数组合。
（1）液压胀形能够代替传统的加工工艺来实现反转螺旋薄壁管件的一次成形，实现了降低成本、提高加工效率的目的，本文的研究结果验证了利用液压胀形加工反转螺旋薄壁管件数值仿真的可行性。
（2）通过优化设计，成形薄壁管件的最大减薄率由49.430%降低到39. 172%，有效地避免了管件的局部过度减薄，实现了提高成形质量的目的。
（3）轴向力和液压力的配合、摩擦系数以及胀形时间的分配是影响成形质量的重要因素，可以通过调整这些因素来改善液压成形的加工质量。在保证管件不破裂的前提下适当地增大轴向力和液压力有益于管件成形，轴向力和液压力的配合是调整液压胀形工艺参数的关键，适当地降低摩擦系数有益于材料流向材料过度减薄的区域。
（4）本文的研究结果以及优化设计方法对于同类薄壁管件液压成形参数的设计具有一定指导意义。
以下是正文：
