波紋管轉(zhuǎn)向柱成型方法仿真分析研究

張縱縱,胡習(xí)之,王 鑫,吳斯熾

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東廣州510640)

0 引言

大量交通事故處理結(jié)果顯示:駕駛員傷亡主要來自人體與轉(zhuǎn)向盤以及剛性轉(zhuǎn)向柱的二次碰撞[1]。采用可伸縮的吸能式轉(zhuǎn)向柱,可以吸收碰撞產(chǎn)生的沖擊能量,減少作用于駕駛員的沖擊力,降低二次碰撞帶來的傷害,并為駕駛員留下足夠大的生存空間,進(jìn)而提高汽車安全性[2]。

波紋管轉(zhuǎn)向軸具有軸向壓縮變形余量大,使用前景較好等優(yōu)點(diǎn)。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工成型困難[3],合理的成型方法可以保證加工尺寸的精確性和加工后組織的完整性。本文基于ANSYS/LS-DYNA軟件,使用流固耦合方法,對爆炸成型和液壓成型兩種工藝加工某款波紋管轉(zhuǎn)向柱的成型過程進(jìn)行仿真分析,通過對比分析兩種工藝的優(yōu)缺點(diǎn),得到適合實(shí)際生產(chǎn)需要的成型工藝。相關(guān)結(jié)論有望為實(shí)際生產(chǎn)工藝提供指導(dǎo)意義。

1 爆炸成型方法仿真

1.1 方法原理

爆炸成形是利用炸藥的爆炸能量將金屬加工成一定的形狀。爆炸物質(zhì)的化學(xué)能在極短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為周圍介質(zhì)(空氣或水)中的高壓沖擊波,并以脈沖波的形式作用于坯料,使其產(chǎn)生塑性變形并以一定速度貼模,完成成形過程[4,5]。基于ANSYS/LS－DYNA軟件,采用流固耦合方法,對某波紋管的爆炸成型過程進(jìn)行仿真。

1.2 幾何模型

建立某波紋管轉(zhuǎn)向柱仿真模型。波紋管內(nèi)徑80 mm,外徑92 mm,波高6 mm,波距10 mm,彎曲半徑12 mm,共設(shè)置4個波紋節(jié),管壁厚2 mm,長100 mm,內(nèi)徑76 mm,外徑80 mm。炸藥在整體模型的正中間區(qū)域,面積為40 mm×40 mm。水介質(zhì)位于鋼管和炸藥中間,充滿整個鋼管并包圍炸藥,模型1/4平面圖及三維網(wǎng)格圖,如圖1所示。

圖1 模型及網(wǎng)格

1.3 材料特性

算例中波紋管材料為碳鋼,彈性模量為21 GPa,泊松比為0.26,密度為7.9×103 kg/m3,鋼管模型則選擇能夠承受大變形,能滿足實(shí)際工作中的加工硬化和應(yīng)變率的JOHNSON＿COOK模型,JOHNSON＿COOK在大變形高應(yīng)變率和高溫條件下的本構(gòu)結(jié)構(gòu)表達(dá)式為:

其中: ε 為等效塑性應(yīng)變一般取值 1.0/s),無量綱溫度 T?＝(T－Tr)/(Tm－Tr),其中:Tr為參考溫度(一般取為室溫),T為當(dāng)前溫度,Tm為材料的熔點(diǎn)溫度。其他五個參數(shù)A,B,n,C和m均為材料常數(shù)。

炸藥選用TNT炸藥,水采用NULL模型模擬。模具采用剛體材料。為減小穿透,剛體的輸入與鋼管相同的彈性模量。

1.4 成型過程仿真

對模具邊界位移進(jìn)行約束,并設(shè)置水的邊界設(shè)置表面無反射條件。接觸方法采取面－面雙向接觸搜索,為防止出現(xiàn)嚴(yán)重的穿透,罰因子取0.8,計算時間為0.05 s,成型過程如圖2所示(壓力云圖)。

圖2 爆炸成型過程

圖3給出了靠近鋼管某點(diǎn)的水單元壓力曲線圖。由圖3可知,水介質(zhì)產(chǎn)生的壓力值有較大波動,載荷傳遞的數(shù)值不穩(wěn),使不同位置處生成的表面質(zhì)量發(fā)生較大的不同。壓力值在0~0.09 MPa間波動。因此,爆炸成型過程比較難以控制。

圖3 靠近鋼管的水單元的壓力曲線圖

圖4給出了最終成型時的應(yīng)力分布云圖。由圖4可知,通過爆炸成型制成的波紋型轉(zhuǎn)向柱應(yīng)力值分布不均且應(yīng)力在波峰波谷出集中的現(xiàn)象,可能導(dǎo)致產(chǎn)品的厚度不均或在波峰處發(fā)生失效。

圖4 最終狀態(tài)應(yīng)力云圖

1.5 結(jié)果分析

爆炸成型有以下特點(diǎn):1)成型過程不容易控制,傳遞的載荷具有一定的隨機(jī)性,導(dǎo)致產(chǎn)品的厚度不均勻。2)易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致波紋型轉(zhuǎn)向柱波峰處失效。

2 液壓成型仿真

2.1 基本原理

液壓成形是利用液體介質(zhì)代替凸模或凹模,靠液體介質(zhì)的壓力使材料成形的一種加工工藝。適用于復(fù)雜零件結(jié)構(gòu),且能提高零件品質(zhì),減少成形工序降低加工成本[6]。本節(jié)主要通過流固耦合方法對某波紋管轉(zhuǎn)向柱的液壓成型過程進(jìn)行分析。

2.2 模型建立

波紋轉(zhuǎn)向柱模型尺寸如前所述,1/4的波紋節(jié)幾何模型及有限元模型如圖5所示。

圖5 四分之一的波紋節(jié)初始模型

2.3 材料參數(shù)仿真

定義模具的材料為剛體材料,密度、楊氏模量和泊松比分別為 7.8×103 kg/m3,2E11 pa,0.3。 不考慮鋼管材料的破壞,定義鋼管的材料模型為彈性模型,密度,楊氏模量、泊松比、屈服應(yīng)力和切向模量分別為7.8×103 kg/m3,2E11 pa,0.3,100e6 pa,8.85e5 pa。 模具采用剛體材料,對剛體模型外邊界施加位移約束,為減小計算量,簡化模型,通過施加面載荷來模擬水壓的效果,水壓加載的時間－壓力加載曲線如圖6 所示,其中:t＝0.005 s,F＝3.0e8 Pa。

2.4 成型過程

定義接觸的過程及計算時間與爆炸成型相同,接觸定義為面－面雙向接觸。計算時間為0.05 s。仿真結(jié)果如圖7所示,為方便觀察,圖中未顯示剛性模具。

圖6 水壓加載曲線

圖8給出波紋管模型上任選三處A、B、C處的壓力曲線圖。由圖可知,不同位置成型過程中載荷的變化量和變化率穩(wěn)定力曲線基本一致,因此,成型過程比較穩(wěn)定。

圖7 液壓成型過程

圖8 不同位置網(wǎng)格收到的壓力曲線

圖9給出波紋管模型上任選三處A、B、C處的塑性變形曲線。由圖9可知,液壓成型加工過程中各點(diǎn)的塑性變形無論在時間和數(shù)值上差別不大,因此成型結(jié)構(gòu)均勻,有效避免了應(yīng)力集中和波峰位置的失效。

圖9 不同位置處的塑性變形曲線

2.5 結(jié)果分析

通過液壓成型過程仿真分析可知,液壓成型具有以下特點(diǎn):1)成型過程比較穩(wěn)定,加工完成后產(chǎn)生的回彈現(xiàn)象比較少;2)加工過程中應(yīng)力分布均勻,產(chǎn)品厚度變化均勻,且無失效現(xiàn)象。

3 結(jié)語

通過上述仿真分析可見,液壓成型方法較爆炸成型方法具有成型過程穩(wěn)定,成型品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)。因此,在實(shí)際應(yīng)用中推薦使用液壓成型方法。

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