基于PAM-STAMP的進油管成形有限元分析

中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 蔣佳華 黃樂 李松 王帥

航空發動機加力總管的進油管結構較為特殊，發動機導管成形時由于受設計結構、材料等因素影響，常常產生難以成形、加工質量較差等問題。本文以某型發動機的加力燃油總管的進油管為例，借助專業金屬板料成形的有限元模擬分析軟件PAMSTAMP，對其彎曲成形過程進行數值模擬分析，對軟件計算得到的成形結果進行分析，為實際加工工藝的制定和模具的設計提供了重要的指導。

一、引言

導管彎曲成形是管子完成所需形狀尺寸的二次塑性加工，是一種典型的材料非線性、幾何非線性、邊界條件非線性的多重非線性耦合變形，其彎曲過程屬于三維非穩定變形。彎曲時管子大部分形面為無約束自由表面，沿彎曲半徑方向材料中斷而失去相互約束和支撐，材料流動變形易于形成壁厚減薄、波紋度超差及圓度超差等彎曲缺陷。加力總管的成形質量直接關系到后續裝配質量以及使用性能。以某型加力總管的進油管為例，利用專業金屬板料成形的有限元模擬分析軟件PAM-STAMP對其彎曲成形過程進行了數值模擬分析，以得到工藝可行性、工裝可行性以及成形危險區域等結果，為后續的工藝制定提供了重要的指導作用。

二、有限元仿真分析在導管彎曲中的應用

采用傳統的導管彎曲成形工藝設計經驗，或根據簡單的成形極限規則能夠預估彎管生產中出現的質量問題如管子拉裂、褶皺、圓度超差和回彈等，但此類質量問題是否發生、何時發生或發生程度等都需要大量的重復實操實測得來。但這樣不僅導致生產周期延長，還導致大量廢品產生，造成不必要的成本浪費。

目前，在導管成形工藝的評審編制階段引入有限元仿真分析技術，可以快速地模擬分析出成形過程中可能發生的缺陷，通過將分析結果和實際生產經驗結合，可以合理有效地調整工藝參數和成形條件以保證產品的質量，從而很大程度上減少模具調試和產品試制周期，不僅節約了大量的開發成本，也更符合現代產品開發技術發展的需求，隨著導管彎曲理論研究的不斷深入，以及各種仿真軟件中彎管成形模塊的建立，導管彎曲成形的仿真精度也越來越高。有限元仿真技術已經嵌入到彎管零件的前期開發和后期改進中，對彎管類零件的生產制造工藝發揮著越來越重要的輔助分析和指導作用。

三、進油管的成形特點分析

進油管位于加力筒體內，是連接加力泵與加力總管的重要零件。為了提高進油的穩定性以及后續的使用強度，進油管必須具有良好的圓度以及力學強度。

進油管的成形工藝特點：（1）兩個折彎半徑不一致，分別為40mm、60mm，如圖1所示。（2）兩個折彎連續相切，折彎之間無直線段。基于以上成形特點，傳統的彎曲手段無法實現，因此需要開發專用模具進行制造。

四、工藝方案的制定

該進油管導管外徑尺寸為Φ14mm，壁厚為1.1mm，材料牌號為GH536，使用伊頓公司的數控彎管機VB25進行彎曲，工藝流程為首先對折彎半徑40mm，圓心角度61°28’的折彎進行彎曲。再重新裝夾，對折彎半徑60mm，圓心角度為71°28’的折彎進行彎曲。

圖1

根據成形順序及零件結構特點，結合彎曲順序以及半成品狀態，設計了兩套數控彎模，使用UG軟件對工裝進行建模如圖2、圖3所示。

圖2

使用圖2所示結構彎模對第一個折彎進行彎曲，再使用圖3所示結構彎模對第二個折彎進行彎曲。

圖3

五、彎曲成形仿真模擬

1.模型的導入及網格劃分

在完成了模具及直管料的創建后，將模型從UG中以IGS格式導出，導出時注意坐標系的選定。

在PAM-STAMP中將模具模型及導管模型分開導入。網格劃分是有限元分析過程極其重要的環節，合理控制網格密度是合理劃分網格的關鍵，劃分的網格越密，計算結果的精度就越高，但也同時會增加計算時間。這本例中，網格劃分時模具網格比例系數設定為0.5，直管料的比例系數設定為0.1，管子網格最大自適應劃分系數為2。如圖4、圖5所示。

圖4

圖5

2.精確成形模擬

彎曲過程采用回轉牽引彎曲方式。摩擦條件對導管彎曲工藝具有重要的影響，因此在仿真過程中有必要引入合理的摩擦模型，在導管成形過程中，各模具與導管管胚的接觸主要有以下幾種：導管-彎模、導管-鉗夾、導管-壓力模等。在本例中將導管與模具之間的摩擦系數設置為0.2。

有限元仿真模型中的邊界條件主要為約束，約束模型保持固定不變即為零位移，或非零位移時僅能移動規定量的位移，在導管彎曲成形里，管子實際完全處于自由狀態，約束均定義在模具上，有限元模型中各模具的運動方式要依據實際彎曲加工時進行設置。其中，彎模只具有圍繞彎曲旋轉中心的轉動運動，具有一定的旋轉速度。鉗夾在加工時與彎模保持一致，即隨著彎模一起旋轉。壓力模在只進行壓緊時，不具有任何自由度，但當其具有助推作用時，應具有助推一側的運動自由度，并具有一定的助推速度。需要特殊注意的是，不管彎模、鉗夾的旋轉角速度還是壓模的助推移動速度，都應盡量使用參數曲線進行定義，以便保證在速度加載過程中不會發生慣性效應。

在本例中我們參照伊頓公司的VB25型數控彎管機的實際的運動狀態結合以往的彎曲成形過程經驗參數對PAMSTAMP內相對應參數進行賦值，將彎模、鉗夾的回轉速度設定為0.124rad/s，壓力模移動速度設定為4mm/s。成形過程分為兩個階段，分別對應折彎半徑40mm，圓心角度61°28’以及對折彎半徑60mm，圓心角度為71°28’的兩個成形過程，如圖6所示。

圖6

使用求解器對彎曲過程進行求解，本例使用PAMAUTOSTAMP顯示算法求解器，能夠提供在實際工業環境下，如考慮重力影響、壓料過程、多步成形、各種拉延、切邊、翻邊和回彈等復雜情況下可視化的沖壓成形模擬。能夠提供非常精確的成形結果，幫助技術人員在公差范圍內對模具進行全面質量控制，有效地解決了昂貴而又耗時的修模調試時間。

而在成形分析中我們一般選用罰函數接觸算法，該方法在成形模擬中是最為有效、最為穩定的接觸問題處理方法，具有允許初始穿透、能夠適應模具網格質量低等特點。

3.仿真結果分析

使用求解器對彎曲過程進行求解，求解后分別得到兩個過程的仿真結果。通過軟件的后處理分析功能，我們可以很方便地得到導管形變后彎曲部位的圓度值、彎曲部位的壁厚減薄情況，以及應力、應變等物理量的變化情況。通過分析我們可得，在完成第一個折彎（折彎半徑40mm，圓心角度61°28’）后，導管的圓度值為0.45mm，符合標準規定（不大于0.75）如圖7所示。

圖7

從壁厚變化分布云圖我們可以查知導管背側壁厚減薄量為0.08mm，符合標準規定（不大于壁厚值的20%）如圖8所示。對管子截面進行剖視后，未見可測量褶皺產生，彎曲內側過渡光滑，未產生褶皺堆積，波紋度合格，如圖9所示。

圖8

圖9

依據以上分析結果，我們可得第一個折彎彎曲后，管子三項檢驗指標均合格。

對第二個折彎進行同樣的三項檢驗指標進行分析。第二處折彎圓度值為0.25mm，壁厚減薄量最大值為0.8mm如圖10所示，剖視圖未見可測量褶皺產生，彎曲內側過渡光滑。

通過對成形極限圖進行分析可知，整根導管均處在安全區域內如圖11所示。

圖10

圖11

六、結語

從以上的仿真結果分析我們可得出結論，對于該型進油管，采用特殊結構的成套數控彎模進行分步數控彎曲，能夠滿足彎曲要求，其各項質量檢驗內容均符合相關的質量標準。后續的模具設計可按仿真時的模具結構進行設計、制造。相應的工藝內容參數亦可參照前處理設置的參數。

目前，我國的航空產品研制、批產周期不斷地縮短，這就需要相關的設計人員、工藝人員對出現的問題做出快速的反應，這也突顯了有限元分析技術在產品研發階段的重要作用。通過采用有限元分析法在對零件成形的工藝進行評判，來提出相應的改進方案，設計、工藝人員能夠快速準確地敲定設計結構以及工藝制造方案，也能夠地縮短工裝調試、零件試制周期，進而有效地提高工藝穩定性、降低生產成本。

利用有限元分析法可以有效地解決導管彎曲變形中的各種復雜問題，但其依托的導管彎曲理論仍發展緩慢，只有完善相應的工程理論才能將有限元分析法在彎曲模擬中發揮到極致。