[發(fā)明專利]確定二維整體加載成形用不等厚坯料的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210046173.8
• 申請日: 2012-02-28
• 公開（公告）號: CN102581183A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊合;張大偉;樊曉光
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B21J1/00
• 分類號: B21J1/00;B21J5/02
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

1.一種確定二維整體加載成形用不等厚坯料的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，簡化構(gòu)件橫截面形狀；對于上表面或下表面分布有筋條的構(gòu)件，構(gòu)件橫截面即為簡化截面；對于上表面和下表面對稱地分布有筋條的橫截面，簡化橫截面時，以構(gòu)件厚度方向的對稱中心線一側(cè)的表面為簡化截面；并將該簡化截面內(nèi)的各筋條分別記為第i筋，i＝1～n；

步驟2，根據(jù)簡化截面局部加載成形中的加載狀態(tài)確定分流層位置及筋型腔充填材料體積計算公式；

通過對簡化截面進(jìn)行快速分析實現(xiàn)確定簡化截面處所需不等厚坯料形狀；在對簡化截面做快速分析時，取一塊不等厚坯料作為初始坯料，并根據(jù)初始坯料確定簡化截面的坯料形狀；對簡化截面做快速分析中，有兩種局部加載狀態(tài)和一種整體加載狀態(tài)；所述兩種局部加載狀態(tài)分別是，由不同腹板區(qū)模具的不同深度形成的第一種局部加載狀態(tài)，以及由不等厚坯料的階梯狀表面存在的階梯厚度差ΔH導(dǎo)致的第二種局部加載狀態(tài)；對各簡化截面進(jìn)行快速分析，在下模的各筋型腔處建立局部直角坐標(biāo)系；所述局部直角坐標(biāo)系的Y坐標(biāo)位于所處筋型腔寬度的對稱中心，并且各局部直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于該Y坐標(biāo)與X坐標(biāo)的交點(diǎn)處；

第一種局部加載狀態(tài)；坯料下表面與下模具配合；下模具表面有筋條的成形型腔；筋的兩側(cè)腹板厚度變化，在加載成形中，當(dāng)該筋型腔與一側(cè)相鄰筋型腔之間的坯料同加載上模和下模完全接觸，而所述該筋型腔與另一側(cè)相鄰筋型腔之間的坯料沒有同加載上模和下模完全接觸，此時所述該筋型腔與所述一側(cè)相鄰筋型腔之間的加載狀態(tài)為第一種局部加載狀態(tài)；

第一種局部加載狀態(tài)下，局部加載寬度即為所述該筋型腔側(cè)壁到該側(cè)相鄰筋型腔中心之間距離的二倍，局部加載寬度l在局部加載階段中不變化，出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)區(qū)域內(nèi)的坯料厚度H同上模行程之間是線性關(guān)系；所述筋型腔側(cè)壁是該筋型腔出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)一側(cè)的側(cè)壁；采用公式(1)計算第一種局部加載狀態(tài)下的材料分流層處到筋型腔中心的距離x_k；

xk=b2σx|x=b/2≤qxk=14(l+b-H2mb)σx|x=b/2>q---(1)]]>

其中：

σx|x=b/2=2K+mKH(l-b)]]>

q=2K(1+H2b)]]>

式中：K為材料剪切屈服強(qiáng)度；b為筋寬；l為局部加載寬度；H為出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)區(qū)域坯料厚度；m為常剪切摩擦因子；σ_x為材料未流向筋型腔的腹板區(qū)內(nèi)坯料X軸方向的應(yīng)力，所述的腹板區(qū)內(nèi)坯料同加載上模和下模同時接觸；q為坯料內(nèi)筋和腹板相交界面上的X軸方向的平均單位壓力，所述的筋和腹板相交界面同筋型腔側(cè)壁重合；式(1)中所采用的局部坐標(biāo)系為簡化截面中坯料所流入筋型腔的局部坐標(biāo)系；

成形過程中出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)區(qū)域坯料厚度H同加載上模行程s的關(guān)系由式(2)確定：

H＝H₀-s????(2)

式中：H₀為出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)區(qū)域初始坯料厚度；s為加載上模行程；

流入筋型腔的材料體積V_in由式(3)確定；

Vin=∫s1s2xk(s)ds---(3)]]>

第二種局部加載狀態(tài)；坯料下表面與下模具配合；下模具表面有筋條的成形型腔；所述不等厚坯料的表面為階梯狀，該階梯的厚度差為ΔH；所述的第二種局部加載狀態(tài)位于下模具的各筋條成形型腔之間，或者位于構(gòu)件一端臨近端頭處的筋條成形型腔到所述下模該端的端面內(nèi)側(cè)壁之間，或者位于下模具的各筋條成形型腔之間和構(gòu)件一端臨近端頭處的筋條成形型腔到所述下模該端的端面內(nèi)側(cè)壁之間；并且該區(qū)域坯料同下模完全接觸，此時該區(qū)域的加載狀態(tài)為第二種局部加載狀態(tài)；

第二種局部加載狀態(tài)下，局部加載寬度即為出現(xiàn)第二種局部加載狀態(tài)區(qū)域內(nèi)坯料同上模和下模同時接觸部分的寬度的二倍，該局部加載寬度l在局部加載階段中隨加載過程是動態(tài)變化的，出現(xiàn)第二種局部加載狀態(tài)區(qū)域內(nèi)的H和ΔH同上模行程之間是非線性相關(guān)的；第二種局部加載狀態(tài)下的材料分流層處到筋型腔中心的距離x_k由式(4)確定：

xk=b2σx|x=b/2≤qxk=14(l+b)-ΔH2m(1+H+ΔH2b)σx|x=b/2>q---(4)]]>

其中：

σx|x=b/2=mKΔH(l-b)]]>

q=2K(1+H+ΔH2b)]]>

式中：K為材料剪切屈服強(qiáng)度；b為筋寬；l為局部加載寬度；ΔH為變厚度區(qū)的厚度差；H為變厚度區(qū)內(nèi)未同加載上模接觸的坯料厚度；m為常剪切摩擦因子；σ_x為材料未流向筋型腔的腹板區(qū)內(nèi)坯料X軸方向的應(yīng)力，所述的腹板區(qū)內(nèi)坯料同加載上模和下模同時接觸；q為坯料內(nèi)筋和腹板相交界面上的X軸方向的平均單位壓力，所述的筋和腹板相交界面同筋型腔側(cè)壁重合；式(4)中所采用的局部坐標(biāo)系為簡化界面中坯料所流入筋型腔的局部坐標(biāo)系；

成形過程中，局部加載寬度l的動態(tài)變化由式(5)確定：

l＝l₀+b₁s+b₂s²????(5)

式中l(wèi)₀為初始局部加載寬度；s為加載上模行程；b₁為一次項系數(shù)；b₂為二次項系數(shù)；b₁和b₂分別由式(6)和式(7)確定：

ln(b₁)＝1.16941+0.03880A-0.13668B-0.33010C-0.47077D-0.04376R+0.17274lnA+0.73480lnB-0.39029lnC+0.64892lnR????(6)

ln(b₂)＝-1.01970-0.03751A+0.74384B-0.04876C-0.22359D+1.19454R+0.94165lnA-3.74272lnB-0.45123lnC-1.50094lnR????(7)

式中A為l₀/b的比值，B為L/l₀的比值，C為H₀/b的比值，D為ΔH₀/H₀的比值；L為筋型腔中心到厚度H坯料區(qū)域的約束端之間距離的二倍；R為變厚度區(qū)的過渡條件，定義為寬度增量Δl和厚度差ΔH的比，即為Δl/ΔH；

成形過程中變厚度區(qū)的厚度差ΔH由式(8)確定：

ΔH＝C₁-s-H????(8)

式中：C₁為ΔH₀加H₀之和；ΔH₀為初始厚度差；H₀為變厚度區(qū)內(nèi)未同加載上模接觸的初始坯料厚度；

令

K₁＝L-l₀，

K₂＝-b₁C₁-b+l₀，

K₃＝-2(b₂C₁-b₁)，

K4=b1-1m-C12mb,]]>

K5=2b2+12mb,]]>

K6=-C1K4+12(l0-b),]]>

K7=b12+K4-C1K5,]]>

K8=K5+b22,]]>

所述K₁～K₈均為(9)和式(10)中的簡化項；

流入筋型腔的材料體積V_in由式(9)或式(10)微分方程組確定：

當(dāng)σ_x|_x＝b/2≤q時有：(K1-b1s-b2s2)dHds-(b1-2b2s)H=K2+K3s+3b2s2dVinds=b2---(9)]]>

當(dāng)σ_x|_x＝b/2＞q時有：(K1-b1s-b2s2)dHds-(K4+K5s)H=K6+K7s+K8s2dVinds=14(l0+b+b1s+b2s2)-C1-s-H2m(1+C1-s2b)---(10)]]>

根據(jù)初值條件可用數(shù)值方法求解式(9)、式(10)；

整體加載狀態(tài)；坯料下表面與下模具配合；下模具表面有筋條的成形型腔；所述的整體加載狀態(tài)位于下模具的各筋條成形型腔之間，或者位于構(gòu)件一端臨近端頭處的筋條成形型腔到所述下模該端的端面內(nèi)側(cè)壁之間，或者位于下模具的各筋條成形型腔之間和構(gòu)件一端臨近端頭處的筋條成形型腔到所述下模該端的端面內(nèi)側(cè)壁之間；并且該區(qū)域坯料同加載上模和下模完全接觸，此時該區(qū)域的加載狀態(tài)為整體加載狀態(tài)；

當(dāng)構(gòu)件一端臨近端頭處的筋條成形型腔到所述下模該端的端面內(nèi)側(cè)壁之間為整體加載狀態(tài)，則材料分流層處到該筋條成形型腔中心的距離x_k為所述下模該端的端面內(nèi)側(cè)壁到該筋條成形型腔中心的距離；

當(dāng)?shù)趇個筋型腔和第i+1個筋型腔之間為整體加載狀態(tài)時，則材料分流層處到第i個筋型腔中心的距離x_k由式(11)確定：

xk=ai,i+12+bi-bi+14+H24m(1bi+1-1bi)---(11)]]>

式中：a_i，i+1為第i個筋型腔中心和第i+1個筋型腔中心之間的距離；b_i為第i個筋的筋寬；b_i+1為第i+1個筋的筋寬；H為出現(xiàn)整體加載狀態(tài)區(qū)域坯料厚度；m為常剪切摩擦因子；

成形過程中出現(xiàn)整體加載狀態(tài)區(qū)域坯料厚度H同加載上模行程s的關(guān)系由式(12)確定：

H＝H₀-s????(12)

式中：H₀為出現(xiàn)整體加載狀態(tài)區(qū)域初始坯料厚度；s為加載上模行程；

流入筋型腔的材料體積V_in由式(13)確定：

Vin=∫s1s2xk(s)ds---(13)]]>

步驟3，簡化截面整體加載成形過程成形筋高的解析計算；

確定加載上模的最大行程，取計算步長Δs，所述Δs的取值范圍為0.01～0.1；

在步長Δs內(nèi)，根據(jù)步驟2，確定簡化界面第i個筋型腔兩側(cè)的加載狀態(tài)，i＝1～n；根據(jù)加載狀態(tài)、筋型腔和坯料的幾何參數(shù)、摩擦條件分別計算流入簡化界面的第i個筋型腔的材料體積；第i個筋型腔兩側(cè)坯料未同上模具和下模具接觸，流入筋型腔材料體積為零；至此完成一個步長Δs的計算；記錄得到的每個筋型腔的材料體積，更新坯料幾何參數(shù)和接觸情況；

根據(jù)步驟2，重復(fù)上述過程，繼續(xù)確定各筋型腔兩側(cè)的加載狀態(tài)并計算流入各筋型腔的材料體積；所述繼續(xù)確定各筋型腔兩側(cè)的加載狀態(tài)并計算流入各筋型腔的材料體積過程中，累加計算步長Δs，直至完成加載上模的最大行程，得到流入各筋型腔的材料體積；

完成整個加載步的計算，簡化截面中各筋的成形筋高h(yuǎn)分別由式(14)確定：

h=Vintotb---(14)]]>

式中整個成形過程中流入筋型腔的材料體積；

步驟4，確定基本不等厚坯料形狀；

I對于上表面或下表面分布有筋條的構(gòu)件：

a.基于解析結(jié)果修改不等厚坯料，簡化截面局部加載成形過程成形筋高的解析計算；根據(jù)解析結(jié)果修改不等厚坯料，并執(zhí)行簡化截面局部加載成形過程成形筋高的解析計算，當(dāng)計算的成形筋高同設(shè)計要求筋高之間的高度差e_h的最大值max(e_h)小于10-15％時，停止修改坯料；得到不等厚坯料形狀

b.以獲得的不等厚坯料形狀為基礎(chǔ)，同時根據(jù)如下原則，調(diào)整修正變厚度區(qū)的過渡條件R：

變厚度區(qū)過渡條件R＞1；

坯料變厚度區(qū)應(yīng)當(dāng)避免設(shè)置在分模位置附近和筋型腔附近；

若在筋型腔或模具分區(qū)附近設(shè)置變厚度區(qū)，需采用較大的過渡條件，即R＞2；

獲得構(gòu)件局部加載成形用基本不等厚坯料；

II對于上表面和下表面對稱地分布有筋條的橫截面，

a.基于解析結(jié)果修改不等厚坯料，簡化截面局部加載成形過程成形筋高的解析計算；根據(jù)解析結(jié)果修改不等厚坯料，并執(zhí)行簡化截面局部加載成形過程成形筋高的解析計算，當(dāng)計算的成形筋高同設(shè)計要求筋高之間的高度差e_h的最大值max(e_h)小于10-15％時，停止修改坯料；得到不等厚坯料形狀；

b.以獲得的不等厚坯料形狀為基礎(chǔ)，同時根據(jù)如下原則調(diào)整修正變厚度區(qū)的過渡條件R：

變厚度區(qū)過渡條件R＞1；

坯料變厚度區(qū)應(yīng)當(dāng)避免設(shè)置在分模位置附近和筋型腔附近；

若在筋型腔或模具分區(qū)附近設(shè)置變厚度區(qū)，需采用較大的過渡條件，即R＞2；

得到構(gòu)件厚度方向中心線一側(cè)的不等厚坯料；

c.將得到的不等厚坯料鏡像，使坯料上表面和下表面對稱地分布變厚度區(qū)；獲得構(gòu)件局部加載成形用基本不等厚坯料；

步驟5，根據(jù)構(gòu)件形狀確定最終不等厚坯料；通過計算機(jī)數(shù)值模擬分析確定不等厚坯料；根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果修改坯料形狀，直至滿足充填要求，得到二維整體加載成形用不等厚坯料。