有限元仿真模擬分析在典型型材拉彎過程中的應用研究

張冬兵，劉春鋒

（洪都航空工業(yè)集團，江西 南昌330024）

0 引言

B747-8轉包項目工作包中的弦桿零件148U5161-33、148U5161-105/106、148U5161-121/122的制造技術一直是制約項目進展的瓶頸。 弦桿零件成形難點包括：

1）零件回彈量較大，校正工作耗時費力；

2）弦桿零件需銑缺口， 而我公司鈑金加工廠目前不具備銑切能力， 弦桿零件缺口及厚度銑切工作需由機械加工廠及數(shù)控機加廠完成；

3）弦桿零件成形涉及到鈑金與機加之間的協(xié)調問題，鈑金成形公差較大，機械加工尺寸精確，機械加工鈑金成形后的零件， 零件應力釋放后容易產(chǎn)生變形，需要鈑金工對零件外形重新校正，增加零件校正難度，校正時容易對零件質量產(chǎn)生影響，校正后需對零件進行無損探傷檢查；

4）弦桿為型材零件， 其典型的特點是存在尺寸和厚度公差較大，采用機械加工銑切厚度，對厚度公差很難控制，制造過程中加大了機械加工的難度。

1 傳統(tǒng)拉彎成形工藝方法

上述弦桿零件中成形難度較大的典型零件為148U5161-33。 零件成形后長度方向尺寸近4 m，如采用O狀態(tài)先拉彎成形后淬火處理， 零件變形扭曲嚴重，無法校正，所以零件需在熱處理后的W狀態(tài)下進行拉彎成形；零件拉彎成形后，回彈嚴重（如圖1，零件向外側產(chǎn)生回彈， 以中間為基準，A、B兩端回彈量各約40 mm），需在校正模上進行校正至零件外形，然后交至數(shù)控機加車間進行銑切外形； 零件銑切時因零件外形存在公差， 難以使其成形后的外形線與銑切夾具上的原材料外形線完全對齊， 因此零件銑切時需對零件外形邊緣留放余量，然后檢查零件外形；零件銑切后應力釋放產(chǎn)生變形， 再交至鈑金車間按檢驗架進行校形；校形完成后按樣板進行劃線，最后按劃線余量進行打磨至零件外形。 通過這種工藝方法所拉彎成形的零件很難符合制造技術要求， 鈑金校形的工作量非常大， 且反復試驗有很大的不確定性，存在一定的制造風險。

圖1 外弦桿

2 模擬分析拉彎成形過程

通過采用有限元模擬分析技術， 結合前期試驗及工程應用對典型弦桿零件拉彎成形過程進行研究，歸納模擬分析拉彎變形過程的各參數(shù)變化情況，從理論上尋找引起拉彎回彈的因素， 徹底解決弦桿制造回彈變形問題。

2.1 模具和毛料

零件148U5161-33的數(shù)模和截面尺寸如圖2所示。 根據(jù)零件的截面形狀及整體形狀， 得到拉彎模具的成形型面和毛料， 如圖3和圖4所示。 毛料長度為5 400 mm。

2.2 拉彎工藝仿真平臺搭建

采用上述模具及毛料數(shù)模， 在拉彎輔助工藝設計系統(tǒng)APSBCAE LFA14中進行工藝參數(shù)的設計，并生成有限元仿真計算文件， 在有限元模擬分析軟件ABAQUS中進行拉彎過程的仿真。

圖2 零件148U5161-33數(shù)模

圖3 拉彎模具型面

圖4 毛料

2.2.1 拉彎過程

該零件的拉彎過程可分為預拉、彎曲和補拉三個步驟，拉彎過程如圖5所示。

2.2.2 工藝參數(shù)設計

該零件需要設計的拉彎工藝參數(shù)仍包括拉彎步驟中的預拉延伸率、彎曲延伸率和補拉延伸率。 采用正交設計方法，對三個工藝參數(shù)進行設計優(yōu)化，用有限元方法對每組工藝參數(shù)進行拉形仿真， 評估仿真結果，從中選出最優(yōu)的參數(shù)組合。 每個拉形步驟的延伸率各選三個，如表1所示，正交實驗表見表2。 拉彎過程中的彎曲角設置見表3。

圖5 拉彎過程示意

表1 延伸率取值

表2 正交實驗表

表3 其他工藝參數(shù)設置

2.3 拉彎過程的有限元仿真

2.3.1 有限元模型

通過拉彎輔助工藝設計系統(tǒng)建立有限元模型，如圖6所示。

2.3.2 仿真結果

圖7～圖15為各組參數(shù)的拉彎仿真結果，包括應變分布和回彈量。

圖6 有限元模型

圖7 實驗1仿真結果

圖8 實驗2仿真結果

圖9 實驗3仿真結果

圖10 實驗4仿真結果

圖11 實驗5仿真結果

圖12 實驗6仿真結果

圖13 實驗7仿真結果

圖14 實驗8仿真結果

圖15 實驗9仿真結果

2.3.3 仿真結果總結

將仿真結果中的最大應變及最大回彈量總結于表4。 從表中可以看到，零件148U5161-33各組拉彎過程中變形量最小的為第1組4.3%， 最大的為第9組9.8%，其他在6%~8%左右。 由于該零件尺寸較大，因此回彈量也很大。 在9組仿真實驗中第1組的回彈量非常大，為95.1 mm，而其他8組在30 mm~40 mm左右。綜合考慮毛料的變形情況和回彈情況，選取第3組為最優(yōu)參數(shù)組合。

表4 實驗結果

2.4 修模計算

為進一步減小回彈對零件形狀精度的影響，對所選取的最優(yōu)拉彎結果進行回彈補償計算， 得到經(jīng)過修模的拉彎模具型面。 在拉彎輔助工藝設計系統(tǒng)中讀入成形和回彈的有限元仿真結果文件， 系統(tǒng)根據(jù)結果文件中的模型信息和回彈量信息， 計算回彈補償量，對模具有限元模型補償調整，并輸出調整后的模具模型信息。 修模后的模具型面如圖16所示。

圖16 修模后的模具型面

3 結語

本文從典型型材拉彎成形的特點出發(fā)， 結合有限元仿真模擬分析及試驗分析對拉彎模具的典型特征及拉彎成形工藝過程進行優(yōu)化。 因工程驗證尚在實施過程中， 故目前無法對該分析方法的有效性做出科學合理的評估。 但結合有限元仿真模擬技術在大量制造工程中的成功應用， 初步預計將取得好的效果。 因鈑金型材拉彎工藝方法及回彈控制研究所涉及的因素和內容較復雜， 在基礎理論和工程應用方面還需進行深入研究。