基于有限元的农用拖拉机挡泥板弯曲成形分析及优化.pdf
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1、山东农业大学学报(自然科学版),2023,54(5):782-791VOL.54 NO.5 2023Journal of ShandongAgricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2023.05.019基于有限元的农用拖拉机挡泥板弯曲成形分析及优化基于有限元的农用拖拉机挡泥板弯曲成形分析及优化王 硕,吴 艳*,马炎漫,曾如铁,熊锦林武汉轻工大学机械工程学院,湖北 武汉 430048摘摘 要要:借助 DYNAFORM 有限元软件建立农用拖拉机挡泥板弯曲成形的有限元模型,分析厚度、压边力
2、、冲压速度、摩擦系数和凹凸模间隙对其弯曲回弹的影响规律,研究 6061 铝合金农用拖拉机挡泥板的回弹问题。在数值模拟的基础上,通过正交优化分析得出:在一定范围内,农用拖拉机挡泥板的回弹量与厚度、压边力、冲压速度、摩擦系数呈现负相关关系,与凸凹模间隙呈现先负后正相关关系;影响回弹量的因素排列次序为压边力、凹凸模间隙、厚度、摩擦系数、冲压速度;最优参数组合为厚度 2 mm,压边力 300 kN,冲压速度 5000 mms-1,摩擦系数 0.65 及凹凸模间隙 1.65 mm。同时,基于工艺参数优化,采用等效拉延筋和回弹补偿策略共同控制该制件的回弹,结果分析表明:等效拉延筋起到降低回弹程度的作用;回
3、弹补偿策略能够有效地减小回弹量。本项研究表明,采用工艺参数控制法、等效拉延筋法和回弹补偿策略能够有效地控制农用拖拉机挡泥板的弯曲回弹程度,为挡泥板实际生产加工过程提供坚实的理论基础与可靠的数值依据。关键词关键词:农用拖拉机挡泥板;数值模拟;正交试验;回弹优化及补偿中图法分类号中图法分类号:TG389文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1000-2324(2023)05-0782-10Finite Element-basedAnalysis and Optimization ofAgriculturalTractor Fender BendingWANG Shuo,WU Yan*,MAYa
4、n-man,ZENG Ru-tie,XIONG Jin-linCollege of Mechanical Engineering/Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430048,ChinaAbstract:With the help of Dynaform finite element software to establish the finite element model of agricultural tractorfender bending and forming,we analyzed the thickness,crimping force,
5、stamping speed,friction coefficient and concave andconvex mode gap,and studied the resilience of 6061 aluminum alloy agricultural tractor fender.On the basis of numericalsimulation,through orthogonal optimization analysis,it is concluded that,within a certain range,the rebound quantity ofagricultura
6、l tractor fender is negatively correlated with the thickness,crimping force,stamping speed and friction coefficient,and negatively correlated with the concave-convex mold gap;the factors affecting the rebound quantity are in the order ofcrimping force,concave-convex mold gap,thickness,friction coeff
7、icient,stamping speed,the optimal parameter combinationof the thickness of 2 mm,crimping force of 300 kN,concave-convex mold gap,friction coefficient,stamping speed.Theoptimal parameter combination is thickness of 2 mm,crimping force of 300 kN,stamping speed of 5000 mms-1,frictioncoefficient of 0.65
8、 and die clearance of 1.65 mm.Meanwhile,based on the optimization of process parameters,the reboundof the part is controlled by the equivalent stretching bar and the rebound compensation strategy,the results shows that:theequivalent stretching bar plays a role in reducing the degree of rebound;the r
9、ebound compensation strategy can effectivelyreduce the amount of rebound.This study shows that the process parameter control method,the equivalent stretching barmethod and the rebound compensation strategy can effectively control the degree of bending rebound of the agriculturaltractor fender,and pr
10、ovide a solid theoretical basis and a reliable numerical basis for the actual production process of thefender plate.Keywords:Agricultural tractor fender;numerical simulation;orthogonal testing;rebound optimization and compensation随着汽车轻量化进程的不断推进,冲压成形工艺在汽车零件生产中得到了广泛应用。近年来,材料轻量化问题备受关注,研究表明,通过减轻汽车质量 10%
11、,可实现油耗降低 6%7%1。实现汽车质量减轻的主要途径之一是采用轻量化材料替代传统钢板,而铝合金因其低密度、轻重量、高比强度、高比刚度、强耐腐蚀性以及高回收率等优点,被公认为是最具研究价值的轻量化材料之一2。因此,铝合金在汽车轻量化技术中逐渐替代汽车钢板并得到广泛应用3。同时,农用拖拉机作为农收稿日期收稿日期:2023-10-27修回日期修回日期:2023-11-11基金项目基金项目:混晶调控改善再结晶纳米变形镁合金热稳定性机制模型研究(D20221606)第第 1 作者简介作者简介:王 硕(2000-),男,硕士研究生,主要研究方向:金属材料冲压成形工艺.E-mail:*通讯作者通讯作者:
12、Author for correspondence.E-mail:第 5 期王 硕等:基于有限元的农用拖拉机挡泥板弯曲成形分析及优化783业中不可或缺的设备,其挡泥板作为必要零件,其成形过程存在着起皱、破裂及回弹等问题,这些缺陷在一定程度上制约了农用拖拉机在汽车轻量化进程中的发展与推广。在这些缺陷中,回弹被认定为弯曲成形过程中最难控制的缺陷之一4。汽车零件的回弹优化与补偿问题一直都是学者研究的热点。例如,艾锋5以某汽车挡泥板为研究对象,基于 Design-exper 软件建立摩擦系数、压边力、拉延筋阻力系数与板料拉裂、起皱之间关系的数学模型,以解决板料成形中起皱、破裂及回弹的问题;王大鹏6等人
13、为解决某汽车纵梁冲压成形过程中存在的破裂、起皱和回弹等缺陷,采用基于正交试验设计、数值模拟、克里金模型和遗传算法相结合的优化策略,并使用 DYNAFORM 有限元软件对某汽车纵梁进行了工艺优化和回弹补偿;苟春梅7等人研究了某汽车后地板零件的回弹控制问题,采用 AutoForm 软件对某汽车后地板零件进行工艺优化和回弹补偿。这些研究都属于采用数值模拟技术模拟金属板料成形过程,并进行缺陷预测与改善的领域。实际研究表明,不同结构的制件成形过程存在着截然不同的变化规律,各工艺参数对于制件成形质量有着不同的影响1。农用拖拉机挡泥板在弯曲成形过程中容易出现回弹现象,该难题严重影响着农用拖拉机挡泥板的成形质
14、量、尺寸精度与使用寿命等。本文主要从优化工艺参数和改善铝合金板料弯曲性能两个角度出发,通过对 6061 铝合金挡泥板弯曲成形进行数值模拟,考察厚度、压边力、冲压速度、摩擦系数和凹凸模间隙等工艺参数对其弯曲回弹的影响,结合优化设计理念,从而达到改善农用拖拉机挡泥板成形质量的目的,为解决 6061铝合金板料回弹提供理论基础与数值依据,这对于提高弯曲件的产品质量和生产效率具有重要意义。1材料及零件模型材料及零件模型1.1材料参数和模型材料参数和模型在大多数情况下,农用拖拉机挡泥板主要采用钢材等重质材料进行制造。6061 铝合金虽然不常作为生产挡泥板等关键零件的首选材料,但考虑到减轻整体重量的需求,选
15、用其作为挡泥板材料。此外,6061 铝合金具备优异的强度、耐腐蚀性和可加工性等特性,这些特性使其能够满足挡泥板在实际使用中的基本需求。采用 6061 铝合金作为农用拖拉机挡泥板材料,其化学成分如表 1 所示8。通过 6061 铝合金板料单向拉伸试验获得力学性能数据,拟合数据输入至 DYNAFORM 软件中的 36号材料模型(3 参数 Barlat 材料模型)。36 号材料模型特别适合应用于任何金属薄板冲压成形分析中,能够更好地反映出各向异性对冲压成形的影响,从而获得更可靠的分析结果9,10,故 6061 铝合金材料须采用此模型进行分析。表表 1 6061 铝合金化学成分表铝合金化学成分表Tab
16、le 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy元素Si/%Fe/%Cu/%Mn/%Mg/%Cr/%Zn/%Ti/%Al/%含量0.400.700.150.150.61.20.050.350.250.1余量在 DYNAFORM 软件中创建 6061 铝合金材料模型,其力学性能参数如表 2 所示,应力-应变曲线及成形极限曲线如图 1 所示8。表表 2 6061 铝合金力学性能参数表铝合金力学性能参数表Table 2 Mechanical property parameters of 6061 aluminum alloy参数杨氏模量 E/GPa泊松
17、比屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%各向异性参数r0r45r90数值700.3123217250.380.480.66图图 1 应力应力-应变曲线应变曲线(a)及成形极限曲线及成形极限曲线(b)Fig.1 Stress-strain curve(a)and forming limit curve(b)784山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷1.2成形工艺分析成形工艺分析本文研究的是 400-12 型号的农用拖拉机前轮挡泥板,该挡泥板适配时风和福田品牌的小型农用拖拉机,成形工艺为翻边-弯曲。弯曲毛坯件的尺寸计算11:(1)(2)(3)式中,弯曲半径 为 300 mm;应变中性层位
18、移系数为 0.5;材料厚度 为 0.1 mm;应变中性层半径为 300.05 mm;弯曲角度为 60;弯曲件圆弧展开部分长度=314.05233 mm;弯曲件直线部分展开长度为 200 mm,弯曲件毛坯展开总长度为 514.05233 mm。这种挡泥板是标准的对称型零件,根据实际生产要求将部分尺寸近似取整数,以便于后期的有限元分析。弯曲毛坯件总长度为 520 mm,宽度 为 100 mm,弯曲后的板料高度为 105 mm,板料凸起部分与板料连接处圆角 为1 mm。这些参数为设计和制造这类零件提供了明确的规格要求,农用拖拉机挡泥板工件如图 2 所示。图图 2 农用拖拉机挡泥板工件图农用拖拉机挡泥
19、板工件图Fig.2Agricultural tractor fender workpiece drawing1.3有限元模型有限元模型运用 CATIA 软件设计出农用拖拉机挡泥板的三维模型,并且将其进行相应处理后,导入DYNAFORM 软件中进行网格划分。采用双动成形技术,利用 DYNAFORM 模面工程(DFE)模块,自动生成凸模、凹模和压边圈工具,并对相应的参数及成形工序进行了定义与设置。有限元分析中的网格质量是确保模拟准确性和计算效率的关键9。在 DYNAFORM 软件中,壳元网格适用于薄壁结构成形模拟,能够有效捕捉材料的厚度变化。结合自动、手动网格划分及其局部细化,允许仿真初步验证后逐
20、步提高网格密集度,增强模拟仿真的精度,使设计验证和性能预测更为精确。在板料弯曲冲压过程中,凸模下行,压边圈与凹模首先贴合并压紧板料,凸模继续下行完成弯曲冲压。模拟过程中不考虑板料与模具之间的热交换问题,即将其视为等温问题8。6061 铝合金农用拖拉机挡泥板弯曲成形有限元光照模型,如图 3 所示。图图 3 农用拖拉机挡泥板弯曲成形有限元光照模型农用拖拉机挡泥板弯曲成形有限元光照模型Fig.3 Finite element light modeling of agricultural tractor fender bending and forming第 5 期王 硕等:基于有限元的农用拖拉机挡泥
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