采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析

2006年4月18日 15:36
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采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析
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style='line-height:240%;font-family:宋體;mso-ascii-font-family:
"Times New Roman";mso-hansi-font-family:"Times New Roman"'>采用 style='mso-bookmark:_Toc118715832'>ABAQUS style='line-height:240%;font-family:宋體;mso-ascii-font-family:
"Times New Roman";mso-hansi-font-family:"Times New Roman"'>針對航空某型材件的拉彎分析 style='mso-bookmark:_Toc118715832'>



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>美國ABAQUS style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>軟件公司北京代表處　　梁明剛





style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>前言：型材拉彎工藝廣泛應用于航空航天、汽車、機械設備、建筑等行業(yè)，隨著高新技術越來越多應用于這些工業(yè)，設計工程師對于計算機仿真技術的要求也與時俱進。 lang=EN-US>ABAQUS以其卓越的非線性問題的處理能力為廣大工業(yè)客戶所認可，本文以航空工業(yè)中某型材拉彎產品為例，介紹了 lang=EN-US>ABAQUS對應的分析流程，對工程中提出的四種加工方案逐一進行分析，結合回彈的結果對它們進行比較，最后提出改進方案。經實踐檢驗，仿真分析的結果跟實際結果達到高度一致，為設計工程師提供了可信的參考數據。



一、模型描述



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>首先將造型設計工程師提供的型材產品目標形狀的幾何模型導入到ABAQUS/CAE style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>中，如圖１所示。



采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖1src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image002.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1025">



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖１　型材產品目標形狀





style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>考慮到型材幾何形狀的對稱性，我們針對1/2 style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>模型的拉彎過程進行分析，圖２所示為實際模型的一半，考慮到型材壁厚與其表面長寬之間的比例關系，我們進一步將模型簡化為殼結構，圖３為根據該模型的尺寸生成的模具模型及其有限元網格模型，圖４為裝配模型及其有限元模型。



采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖2src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image004.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1026">



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖２　產品模型的二分之一



采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖3src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image006.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1027"> 采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖4src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image008.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1028">



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖３　剛體模具的幾何模型（左）和有限元網格模型（右）







采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖5src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image010.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1029"> 采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖6src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image012.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1030">



圖４　裝配體的幾何模型（左）和有限元網格模型（右）





二、分析方案



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>根據實際加工過程的特點，并針對此類型材拉彎問題，我們采用ABAQUS style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>的隱式算法模塊ABAQUS/Standard style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>進行成形分析。考慮到實際成形時的影響因素，我們按照下面四類分析過程分別進行模擬，最后分別以回彈量、型材厚度變化量、局部型材的變形量作為考查標準，為實際加工過程提供必要的數據作為參考。



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>分析過程的分類如下：



1、
直接進行型材拉彎，然后考察其回彈量；



2、
首先對型材做一個整體拉伸，然后再進行型材拉彎，最后進行回彈分析；



3、
第一步進行型材拉彎，然后對彎曲得型材做一個整體拉伸，最后進行回彈分析；



4、
首先對型材做一個整體拉伸，然后再進行型材拉彎，接著對彎曲得型材做一個整體拉伸，最后進行回彈分析；



三、分析結果



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>針對以上提出的四種方案的具體流程，我們分別生成相應的分析模型進行計算。下面總結了這四種分析方案得到的 lang=EN-US>Mises應力、等效塑性應變、型材壁板厚度和最終成形之后的回彈量的對比結果。



lang=EN-US>



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>由圖５可以得到：對于方案2 style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>和方案4最大 lang=EN-US>Mises應力的大小均為：127.9MPa style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>，方案1和方案 lang=EN-US>3最大Mises style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>應力的大小均為：149.2MPa style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>。四個方案共同之處是Mises style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>應力的分布表現一致，即應力集中區(qū)域都是在型材的彎曲部分，尤其豎筋與板的交界處；不同之處在于方案 lang=EN-US>2和方案4 style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>的Mises應力分布更均勻，而方案 lang=EN-US>1和方案3 style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>的Mises應力分布集中。



采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖7v:shapes="_x0000_s1033 _x0000_s1029 _x0000_s1030 _x0000_s1031"> lang=EN-US> 采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖8src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image015.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1031">



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖５　Mises style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>應力分布云圖





style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>由圖６可以得到：對于方案2 style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>和方案4最大等效塑性應變的大小均為： lang=EN-US>0.04734，方案 lang=EN-US>1和方案3 style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>最大等效塑性應變的大小均為：0.04738 style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>。四個方案等效塑性應變的最大值基本相等，不同之處在于方案2 style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>和方案4的等效塑性應變分布更均勻。



采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖9v:shapes="_x0000_s1042 _x0000_s1043 _x0000_s1044 _x0000_s1045"> lang=EN-US> 采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖10src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image018.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1032">



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖６　等效塑性應變分布云圖



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>由圖７可以得到：四個成形方案對于型材厚度的影響基本相等，即厚度變化最大的區(qū)域的位置和大小相同。



采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖11v:shapes="_x0000_s1046 _x0000_s1047 _x0000_s1048 _x0000_s1049"> lang=EN-US> 采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖12src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image021.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1033">



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖７　壁板厚度分布云圖





style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>由８可以得到：對于方案2 style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>和方案4，最終變形位移最大為： UnitName="mm" SourceValue="146.1" HasSpace="False" Negative="False"
NumberType="1" TCSC="0" w:st="on">146.1mm style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>，方案1和方案 lang=EN-US>3，變形位移最大為： UnitName="mm" SourceValue="142.3" HasSpace="False" Negative="False"
NumberType="1" TCSC="0" w:st="on">142.3mm style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>。從分析步驟來看，型材位移大小表征了型材成型之后的回彈量，圖９為回彈分析之前各方案中型材的變形位移大小。



lang=EN-US>



采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖13v:shapes="_x0000_s1038 _x0000_s1039 _x0000_s1040 _x0000_s1041"> lang=EN-US> 采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖14src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image024.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1034">



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖８　回彈分析之后變形位移分布云圖



采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖15v:shapes="_x0000_s1050 _x0000_s1051 _x0000_s1052 _x0000_s1053"> lang=EN-US> 采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖16src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image027.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1035">



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖９　回彈分析之前變形位移分布云圖





style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖９與圖８相減后得到，方案1 style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>的回彈大小為 HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0" w:st="on"> lang=EN-US>6.5mm，方案 lang=EN-US>2的回彈大小為 UnitName="mm" SourceValue="3.3" HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1"
TCSC="0" w:st="on">3.3mm style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>，方案3的回彈大小為 UnitName="mm" SourceValue="6.5" HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1"
TCSC="0" w:st="on">6.5mm style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>，方案4的回彈大小為 UnitName="mm" SourceValue="2.8" HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1"
TCSC="0" w:st="on">2.8mm style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>。



四、總結



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>從表一可以看出，方案二和方案四的成形過程對于成形效果來說具有變形相對均勻、應力集中不大、回彈量較小等特點，尤其方案四，優(yōu)勢更為突出，因此更應作為實際加工流程來考慮。



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>表一：四種方案計算結果對比










































style='border-collapse:collapse;border:none;mso-border-top-alt:solid windowtext .5pt; mso-border-bottom-alt:solid windowtext .5pt;mso-yfti-tbllook:480;mso-padding-alt: 0cm 5.4pt 0cm 5.4pt;mso-border-insideh:.5pt solid windowtext;mso-border-insidev: .5pt solid windowtext'>



Mises應力

等效塑性應變

壁板厚度

回彈量(U2)

方案一

分布相對集中，最大值為149.2MPa.

分布相對集中，最大值為0.04738.

厚度變化為： UnitName="mm" SourceValue=".033" HasSpace="False" Negative="False"
NumberType="1" TCSC="0" w:st="on">0.033mm lang=EN-US>.

HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0" w:st="on"> lang=EN-US>6.5mm

方案二

分布相對均勻，最大值為127.9MPa.

分布相對均勻，最大值為0.04734.

厚度變化為： UnitName="mm" SourceValue=".033" HasSpace="False" Negative="False"
NumberType="1" TCSC="0" w:st="on">0.033mm lang=EN-US>.

HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0" w:st="on"> lang=EN-US>3.3mm

方案三

分布相對集中，最大值為149.2MPa.

分布相對集中，最大值為0.04738.

厚度變化為： UnitName="mm" SourceValue=".033" HasSpace="False" Negative="False"
NumberType="1" TCSC="0" w:st="on">0.033mm lang=EN-US>.

HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0" w:st="on"> lang=EN-US>6.5mm

方案四

分布相對均勻，最大值為127.9MPa.

分布相對均勻，最大值為0.04734.

厚度變化為： UnitName="mm" SourceValue=".033" HasSpace="False" Negative="False"
NumberType="1" TCSC="0" w:st="on">0.033mm lang=EN-US>.

HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0" w:st="on"> lang=EN-US>2.8mm


五、方案改進



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>我們從方案四出發(fā)，通過修正模具的形狀來達到影響最終成形的回彈量的目的。



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>第一步，考慮到方案四的回彈量為 SourceValue="2.8" HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0"
w:st="on">2.8mm，我們直接修正模具的圓弧部分，將其半徑減小 UnitName="mm" SourceValue="2.8" HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1"
TCSC="0" w:st="on">2.8mm style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>，圖10是重新計算得到的最終位移分布云圖。



采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖17src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image029.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1036">



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖10 初步修正模具后得到的型材變形位移云圖





style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>最終的位移大小為 SourceValue="148.6" HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0"
w:st="on">148.6mm，與方案四中最終期望的位移（ UnitName="mm" SourceValue="148.9" HasSpace="False" Negative="False"
NumberType="1" TCSC="0" w:st="on">148.9mm style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>）相差 HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0" w:st="on"> lang=EN-US>0.3mm，這是很好理解的：因為后者變形更大，因此回彈量也更大。于是，我們可以繼續(xù)進行修正，如圖 lang=EN-US>11所示，回彈之后，型材最終停留在位移為 UnitName="mm" SourceValue="148.9" HasSpace="False" Negative="False"
NumberType="1" TCSC="0" w:st="on">148.9mm style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>處，跟目標形狀一致。



采用ABAQUS針對航空某型材件的拉彎分析的圖18src="http://www.caenet.cn/picture/abaqus0307/image031.jpg" alt="converted PNM file" v:shapes="_x0000_i1037">



style='font-family:宋體;mso-ascii-font-family:"Times New Roman";mso-hansi-font-family:
"Times New Roman"'>圖11 最終修正模具得到的型材變形位移云圖








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