基于DYNAFORM對航空鋁殼體進行折彎回彈有限元分析

2017-09-15 06:08:47張伯榮趙連玉盧燕超

制造業自動化 2017年8期

關鍵詞：有限元分析

張伯榮，趙連玉，盧燕超

（天津理工大學機械工程學院天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384）

基于DYNAFORM對航空鋁殼體進行折彎回彈有限元分析

張伯榮1，趙連玉1，盧燕超2

（天津理工大學機械工程學院天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384）

鋁制殼體在航空航天領域的應用不斷提升，進一步提高了航空航天飛行器的綜合性能。高精度是航空航天制造業的研究重點和難點。鋁合金結構件越來越呈現出大尺寸、薄壁曲面等復雜情況。所以，對航空材料進行折彎回彈分析有著重大意義。本文分析了加工中工件發生彎曲回彈的原因，闡述了影響因子，并對仿真結果進行了優化，對實際加工具有一定的指導意義。

折彎；回彈；鋁合金盒形件；有限元

0 引言

航空航天零部件制造是整個航空制造產業鏈核心的部分，既要保證殼體零件的本身質量，還要保證整個裝配件功效的可靠性和耐久性。鋁合金具有低密度、高比強度、使用溫度范圍寬、耐蝕和可焊等諸多優點，是航空航天飛行器輕量化和提高綜合性能的最佳用材。鋁合金智能精密成形技術將是航空航天制造技術的研究重點。

鋁合金盒形件一般有兩種形式，一是板料整體沖壓成形，二是板料折彎焊接成形。根據企業要求本次研究針對第二種情況，應用于航天電子元件的保護殼。本文將針對航空用鋁6061和2A12進行折彎回彈仿真分析。通過對不同尺寸，不同厚度，相同形狀的板材進行仿真分析，將結果進行優化，進而選出合適的材料進行加工成型，最大化降低成本，提高航空件的可靠度。

1 材料屬性

1）6061

6061鋁合金是經熱處理預拉伸工藝生產的高品

質鋁合金,含鎂、硅合金特性多，具有加工性能極佳、優良的焊接性、電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形等特點。用于制作飛機蒙皮、機身框架、大梁、旋翼、螺旋槳、油箱、壁板和起落架支柱等。

參數如下[1]：

彈性模量E=70Gpa

泊松比ε=0.3

密度ρ=2.70t/m3

表1

表2

各項異性系數R00=0.38，R45=0.48，R90=0.66

彎曲極限強度228Mpa

2）2A12

2A12鋁合金是一種高強度硬鋁，可以進行熱處理強化。其點焊焊接性良好，用氣焊和氬弧焊時有形成晶間裂紋的傾向，在冷作硬化后可切削性能尚好。主要用于制作各種高負荷的零件和構件，如飛機上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，鉚釘等。

參數如下：

彈性模量E=75.4Gpa

泊松比ε=0.33

密度ρ=2.78t/m3

各項異性系數R00=0.803，R45=0.89，R90=0.641

硬化系數P1(K)=281

硬化指數P2(N)=0.179

2 有限元理論

2.1 有限單元法的基本思想

有限單元法（FEM）是一種用于連續場分析的數值模擬技術[2]，其基礎是變分原理和加權余量法，其基本思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，選擇其內合適的節點作為求解函數的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數的節點值，通過變分原理和加權余量法將微分方程離散求解。

解題步驟可歸納如下：

1）根據變分原理建立積分方程；

2）劃分區域單元；

3）確定單元基函數；

4）進行單元分析；

5）總體合成；

6）處理邊界條件；

7）求解有限元方程。

2.2 有限元求解算法

高效的算法是開發使用板料成形模擬系統最基本，最重要的條件[3]。目前，根據有限元程序中采用的時間積分算法的不同，分為靜力隱式算法、靜力顯示算法和動力顯示算法。后來又出現一步成形法。本文主要采用靜力隱式算法和動力顯示算法。

2.2.1 靜力隱式算法

靜力隱式算法忽略了速度和加速度對模擬過程的影響，采用靜力平衡方程顯得其更加自然準確。本次仿真將采用靜態隱式算法進行回彈分析。

2.2.2 動力顯示算法

動力顯示算法采用中心差分進行求解，計算速度快，克服了隱式算法的確定啊。本次仿真將采用此算法進行成形模擬。

不考慮阻尼的影響，M為對角陣，采用中心差分法得到動態顯示算法的遞推公式：

式中，Tmin是結構的最小固有振動周期。

2.3 DYNAFORM軟件簡介

DYNAFORM軟件是由美國ETA公司和LSTC公司聯合開發的用于板料成形數值模擬的軟件，是LS-DYNA求解器與ETA/FEMB處理器的完美結合，是當下主流的CAE軟件之一。該軟件可為成形模擬提供眾多單元類型，模擬各種接觸條件，提供多種沖壓材料。模擬簡單的拉延到多工步成形過程，從而得到分布應力圖、厚向應變圖、成形極限圖和成形過程動畫等。通過DYNAFORM軟件進行模擬，可以縮短模具的開發周期，降低成本得到更大的利潤空間，同時增加了設計的可靠度。

圖1 DYNAFORM分析的一般流程

圖2 盒形件A（260*180*100）

圖2 盒形件A展開（200*180*100）

圖2 盒形件B（200*150*80）

圖2 盒形件實物圖

3 折彎回彈分析

3.1 CAD模型--SolidWorks

通過SolidWorks建立三維模型，盒形件尺寸分別設定為A:260*180*100和B:200*150*80，轉換成鈑金件，并展開，預留焊縫（后期再DYNAFORM還要優化改進）。設定三組不同的板材厚度0.8mm、1.0mm、1.2mm分別應用于下面兩種尺寸的盒形件。

3.2 DYNAFORM仿真

將SolidWorks軟件中建立的三維模型另存為IGES格式導入DYNAFORM軟件中進行沖壓折彎仿真。由于DYNAFORM中默認的沖壓方向是Z軸方向，所以在建立三維模型的時候要盡量把沖壓面沿Z軸方向[4]。

3.2.1 折彎計算

1）導入模型

模型有兩種分別為A和B，此處以A為例。

2）網格劃分

將坯料板（BLANK）的網格劃分為1*1單位，由于沖壓方向為Z軸負方向，所以單位法向向下。下模（DIE）的網格劃分最大尺寸設置為4，最小尺寸為1。弦高誤差0.15，角度20，間隙公差2.5。

3）屬性設置

拉延類型選擇為單動成形（倒裝），已知下模并固定。將下模、板料、壓邊圈分別按層設置。由于是折彎成形而不是沖壓，材料的流動相對較小，所以不需要設置拉延筋。將上文中的材料屬性輸入并編輯，工具運動速度設置為2500，壓邊圈閉合速度設為1000，下壓邊力不需要太大。應用并預覽動畫，檢查模擬運動是否和預期的一致。

4）分析求解

提交任務，先進行LS-Dyna輸入文件的設置，選擇輸出DYNAIN文件，控制參數和自適應參數選擇缺省，規定內存為256Mb，采用動力顯示算法[6]。

3.2.2 回彈計算

1）導入模型

以模型A為例.

2）設置材料參數

注意回彈計算的材料參數和沖壓折彎過程的材料參數一定要一致，否則會計算出錯。

3）分析求解

回彈計算選擇單步隱式算法，這種算法有利于折彎回彈的分析。在網格處理中選用網格粗化，允許把相鄰的法向夾角小于給定角度（8°）的單元合并，這樣可以減少計算時間和不穩定性，且有利于回彈計算的收斂[5]。設置約束時，在底面選擇三個不共線的點且不能在折彎邊界處，三個點之間的距離也不易太遠。

3.3 仿真結果分析

由于仿真分析對比圖較多，本文中將以下四種類型為示例。

3.3.1 FLD成形極限圖

圖3 2A12--1.0mm(A)

圖3 6061--1.0mm(A)

圖3 6061--0.8mm(A)

圖3 2A12--0.8mm(B)

通過分析FLD圖可以得出以下結論：

對于材料2A12，隨著厚度的增加，應變越分散，不確定因素增加，且當厚度≥1.2mm時，更加明顯，從左半部分的拉--壓區向右半部分的拉--拉區擴散，模型尺寸對其影響不是很大。1.0mm的板材起皺集中在四個底角處，折彎處沒有斷裂趨勢較為安全；0.8mm的板材長邊折彎處受到的力較大，但處在安全范圍內，短邊處起皺嚴重，并向底面擴散。

對于材料6061，模型尺寸和厚度對其都有明顯影響。0.8mm的A型尺寸，板材的嚴重起皺集中在四個底角，整體都較為安全。1.0mm的A型尺寸，短變折彎處受力大與長邊，長邊有起皺，四個底角所受應力增加，但處于安全狀態。1.2mm的B型尺寸和0.8mm的A型尺寸受力很相似。

對于1.0mm A型板材，2A12比6061較為理想；1.2mm B型板材，6061比2A12受力要更均勻。

3.3.2 Thickness變薄檢查