考虑周向波形特性的航空管路弯曲成形起皱理论建模与临界成形半径分析.pdf
《考虑周向波形特性的航空管路弯曲成形起皱理论建模与临界成形半径分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《考虑周向波形特性的航空管路弯曲成形起皱理论建模与临界成形半径分析.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 卷 第 期中 国 机 械 工 程V o l N o 年月CH I NA ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N Gp p 考虑周向波形特性的航空管路弯曲成形起皱理论建模与临界成形半径分析刘衡汪志能,宾光富林伟明林姚辰,马雁翔湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室,湘潭,浙江金马逊智能制造股份有限公司,丽水,浙江省航空航天金属导管塑性成形技术与装备重点实验室,丽水,摘要:针对传统弯曲起皱理论模型忽略管材周向波形特性造成预测精度不高的难题,基于理论推导和参数拟合建立了管材起皱周向波形函数,结合管材弯曲应力特性建立了其成形起皱机理模型,采用有限元仿真以及实验方
2、法验证了该理论模型的正确性.研究结果表明:新建理论模型的管材起皱预测准确度达到了 ,较传统模型提高了,改善了传统模型预测精度不高的难题;弯曲半径越小,管材越易起皱.工程中为避免起皱,临界弯曲成形半径不应小于 倍管道直径.关键词:失稳起皱;临界变形;能量法;数值计算中图分类号:T G ;V D O I:/j i s s n X 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):T h e o r e t i c a lW r i n k l i n gM o d e l i n ga n dC r i t i c a lF o r m i n gR a d i u sA n a l y s i so
3、 fA v i a t i o nT u b eB e n d i n gF o r m i n gC o n s i d e r i n gC i r c u m f e r e n t i a lW a v e f o r mC h a r a c t e r i s t i c sL I U H e n gW A N G Z h i n e n g,B I NG u a n g f uL I N W e i m i n gL I NY a o c h e n,MAY a n x i a n g H u n a nP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t
4、o r yo fH e a l t hM a i n t e n a n c e f o rM e c h a n i c a lE q u i p m e n t,H u n a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,X i a n g t a n,H u n a n,Z h e j i a n gK i n g M a z o nI n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n gC o,L t d,L i s h u i,Z h e j i a n g,Z h e
5、j i a n gP r o v i n c eK e yL a b o r a t o r yo fA e r o s p a c eM e t a lT u b eF o r m i n gT e c h n o l o g ya n dE q u i p m e n t,L i s h u i,Z h e j i a n g,A b s t r a c t:T h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec i r c u m f e r e n t i a lw a v e f o r mo f t u b e s
6、w e r e i g n o r e db yt h e t r a d i t i o n a l t h e o r e t i c a lm o d e l so fb e n d i n gw r i n k l i n g,r e s u l t i n gi nl o wp r e d i c t i o na c c u r a c y A i m i n ga t s u c hap r o b l e m,t h ec i r c u m f e r e n t i a lw a v e f o r mf u n c t i o n so ft u b ew r i n k
7、 l i n gw a v ew e r ee s t a b l i s h e db a s e do np a r a m e t e r f i t t i n gm e t h o da n dt h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n,t h em e c h a n i s m m o d e l so f t u b eb e n d i n gw r i n k l i n gw e r e e s t a b l i s h e d i nc o m b i n a t i o nw i t h t h e t u b eb e n
8、d i n gs t r e s sm o d e l s T h e c o r r e c t n e s so f t h et h e o r e t i c a lm o d e l sw e r ev e r i f i e dt h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep r e d i c t i o na c c u r a c yo f t h en e wt h
9、e o r e t i c a lm o d e l sf o rt u b ew r i n k l i n gr e a c h e s ,w h i c hi s h i g h e r t h a nt h a t o f t h e t r a d i t i o n a lm o d e l s a n ds o l v e s t h ep r o b l e mo f l o wa c c u r a c yo f t h et r a d i t i o n a l p r e d i c t i o nm o d e l s I na d d i t i o n,t h e
10、s m a l l e rt h eb e n d i n gr a d i u si s,t h ee a s i e ri t i sf o rt h et u b e t ow r i n k l e T oa v o i dw r i n k l i n g,t h ec r i t i c a lb e n d i n gf o r m i n gr a d i u ss h o u l dn o tb e l e s st h a n t i m e so f t h ep i p ed i a m e t e r K e yw o r d s:i n s t a b i l i
11、t ya n dw r i n k l i n g;c r i t i c a l d e f o r m a t i o n;e n e r g ym e t h o d;n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n收稿日期:基金项目:浙江金马逊智能制造股份有限公司科技攻关项目(D );湖南省科技创新人才计划科 技创新领军人才 项目(R C )引言航空管路制造缺陷严重威胁飞机服役安全性能.据相关资料,、两年间,我国某型歼击机由于管路缺陷产生的飞行事故占到失事总数的;年某公司一架空客A 飞机在起飞前,因管路问题导致飞行计划取消.这些航空事故引起全球对航空管路缺
12、陷的广泛关注.大量学者对航空管路缺陷进行统计,发现管路制造过程起皱缺陷出现概率极大.该缺陷诱发管路油液冲击、疲劳断裂,严重影响飞机服役的可靠性.为保障安全飞行,需严格保证航空管路制造无起皱缺陷.管材起皱缺陷形成是一个非常复杂的弹塑性流动过程.大量工程实践 表明,起皱受弯曲半径的影响极大.文献 对钛合金管材进行弯曲极限研究,发现C P T i大口径薄壁管材(直径 mm,壁厚 mm)在弯曲半径小于 mm时出现失稳起皱.文献 通过对弯曲工艺参数的研究和实验分析,采用数字分析和有限元建模仿真的方法,获得了 C r N i 管材无芯冷弯成形极限.文献 对铝合金管材进行了起皱分析,实验研究了直径 mm、壁
13、厚mm的 T 管材在进行自由弯曲时的成形极限.为了解释弯曲半径对不同管材弯曲成形起皱规律的影响,文献 采用有限元方法从力学机理上分析了起皱过程应力与应变.这些研究表明,管材起皱是一个应力做功与理论起皱能的平衡过程.一旦应力做功超过起皱能,管材流动失稳,就发生起皱现象.因此,要揭示弯曲半径对起皱的影响机理,需构建出精准的应力做功与起皱能理论模型.对于应力做功,部分研究人员将该应力功近似为管材弯曲过程外部电机的输入功,实际上电机输入功率不完全用于内侧管材压缩成形,还用于外侧管材拉伸成形.文献 基于中性层偏移理论分析了管材拉伸塑性变形区与压缩塑性变形区.在此基础之上,文献 建立了压缩塑性变形区应力与
14、应变理论模型,结合压缩塑性变形区面积、应力与应变模型,形成了应力做功模型.对于起皱能,其数值大小与管材起皱变形程度相关.文献 对板材弯曲起皱变形进行了研究,发现板材起皱在弯曲方向上呈余弦连续波动,在法向方向上呈线性衰减特性,并以此构建了弯曲方向连续波动与法向方向线性衰减的二维波形函数.结合该二维波形函数,文献 建立了矩形板弯曲起皱能函数,并较为精准地预测了矩形板起皱.文献 将该矩形板波形函数引入管材,建立了管材起皱能理论模型,在一定程度上对工程起皱预测起到了较好的指导作用,但仍存在预测精度不高的问题.实际上,管材起皱波形与板材起皱波形存在着较大的差异.大量工程实践表明,管材起皱仅在轴向上呈连续
15、波动特性,在周向方向呈单峰波形特征.现有管材起皱理论模型大多没有考虑管材周向起皱波形特性.为此,考虑管材周向起皱波形特性,本文对管材起皱波形特性进行了分析,提出了一种轴向连续波动、周向呈单峰波形函数分布的波形函数,构建起皱能理论模型,结合管材弯曲应力变化特性,建立了应力做功模型.依据能量准则,推导弯曲过程临界起皱判定依据,在此基础上,研究弯曲半径对管材成形中起皱的影响机制.管材起皱理论建模管材起皱波形函数构建管材弯曲原理如图所示,管材围绕轮模弯曲成形过程中外侧不断受拉,内侧不断受压.其中,管材中性层在弯曲过程中发生内移.在极限弯曲状态下,内侧受压材料流动易失稳,发生失稳起皱现象.(a)弯曲原理
16、示意图(b)中性层偏移示意图图弯曲原理图及中心层偏移图F i g B e n d i n g s c h e m a t i cd i a g r a ma n dc e n t e r l a y e rm i g r a t i o nd i a g r a m众多研究者 采用板材起皱波形函数描述管材波形特性:w(by)s i n(mx/l)()式中,w为板材起皱波形函数;为起皱的波高;b为起皱的宽度;m为半波数;l为起皱时投影在二维平面的弧长;x为板带 长 度 方 向 上 的 位 置;y为 板 带 宽 度 方 向 上 的位置.板材起皱在弯曲方向上呈连续余弦波动特性,在法向上呈线性变化特性
17、,而管材起皱波形与板材存在着较大的差异,其变化如图所示,在周向上并非呈现矩形板的线性衰减特性.大量实践考虑周向波形特性的航空管路弯曲成形起皱理论建模与临界成形半径分析 刘衡汪志能宾光富等数据 表明,弯管在周向方向上呈单峰波形函数波动特性.通过有限元仿真获得管材弯曲成形起皱数据,管材相关仿真参数如下:管径 mm,壁厚mm,弯曲半径 mm.为研究管材起皱区周向波形特征,选取起皱区一个横截面,其周向厚度特性如图所示.(a)管材起皱实物图(b)板材起皱实物图 图起皱实物图F i g W r i n k l e dp h y s i c a l p i c t u r e图周向管壁起皱波线形和波形函数拟
18、合图F i g L i n e s h a p ea n dw a v e f o r mf u n c t i o nf i t t i n gd i a g r a mo f c i r c u m f e r e n t i a l p i p ew a l lw r i n k l e dw a v e s为描述周向波动规律,在后续拟合处理时,将图中的厚度波动数据减去了初始厚度值mm.从材料变形过程中质量守恒原理上讲,材料周向起皱波形与轴向起皱波形具有类似特征.实际上,大量研究已经证明管材起皱波在轴向呈余弦变化特性,那么,基于体积不变原理,周向波形也应呈余弦波动特性.为此,将起皱周向波
19、形数据导入MAT L A B拟合工具,通过自定义函数对数据点进行拟合,结合现有的轴向波动公式,可形成管材轴向 周向的波动函数:wR r()mR c o s()Rs i n(m)()R Rrc o s式中,w为管材的起皱波形函数;R为管材的弯曲半径;为圆周向角;r为管材的半径;为管材弯曲的角度;、分别为起皱区域外圆周起始角和最终角,一般地,(图).为对比传统的周向线性波形函数式()和新建的周向波动波形函数式()的拟合效果,对周向线性波形函数式()进行拟合:首先根据线性拟合曲线找到横坐标截距,该截距就是起皱的宽度b;其次,拟合曲线的纵坐标截距即为起皱的宽度与起皱的波高的乘积 b,根据起皱的宽度b,
20、可计算获得起皱的波高.同样,可对新建的周向波动波形函数式()进行拟合.通过对比可知,有限元仿真数据与式()吻合精度极高,达到了.起皱力学分析管材弯曲过程应力分布如图所示,基于力平衡关系,周向应力与轴向应力满足关系cxl nc o s()式中,x为轴向应力;c为周向应力;为弯曲半径与管径的比值,R/(r).图管材弯曲的应力应变与几何参数F i g T h e s t r e s s s t r a i na n dg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so fp i p eb e n d i n g轴向应变可表示为xl nRrc o sRe()式中,x为轴
21、向应变;e为中心线偏移距离,e r/.管材弯曲过程采用v o nM i s e s屈服准则,屈服函数为fe(xc)(rc)(xr)()式中,f为屈服函数;e为材料的屈服点;为等效应力;r为径向应力,径向应力极小,相对轴向应力和周向应力可忽略不计,r.由式()、式()可得e|x|()中国机械工程 第 卷 第 期 年月下半月l nc o s应力状态进入塑形阶段需用到增量理论,可表示为x,r,cfx,r,c()式中,为正标量常数(与材料硬化有关);下标x、r、c分别表示轴向、径向、周向三方向.依据式()、式()、式()可得fxfrfc()依据式()可以得到个方向应变的比例关系:xcr()()()()
22、依据式()、式()以及畸变能理论 可得等效应变()|x|()航空管材可选用幂强化材料模型 描述材料塑性流动特征:K n()式中,K为强度系数;n为硬化指数.联立式()、式()、式(),可求解管材弯曲过程轴向应力xK()n()n/|l nRrs i nRe|n()同理,可求解周向应力cK()n()n/|l nRrs i nRe|n()基于波形函数的管材临界起皱判定管材在弯管成形过程中,塑性稳定流动状态的条件为:外力做功T小于材料内部起皱能U.一旦外力 做 功T超 过 起 皱 能U,管 材 将 失 稳起皱.对于起皱区,外力做功量为Tt|x|rc o sdd()式中,t为管材厚度.内部起皱能与波形函
23、数相关.林艳 提出内部起皱能与波形函数满足如下关系:Ut Es(w(R)wrwR r)R rdd tEr(rwwr)(R)ws i nR rww(R)(rwwr)(R)ws i nR rww(R)()(R rws i n(R)w)R rdd()Es/EtErE Et(EEt)式中,Es为割线模量;Et为切线模量;Er为折减模量;E、分别为管材的弹性模量和泊松比.管材横截面的圆周向角形成的压应力作用区域依赖于中性层面的偏移,a r c c o s rR,/.当管材弯曲 时,根据最小能量原则,管材内能虚拟增量为FUTmKKK/m()KR r tEr r(R)Rc o sd()KR r tEr(R)
24、Rs i n(rs i nRs i n)R R rrc o sRc o s(rs i nRs i n)R Rc o s()(R)R r(rs i nRs i n)c o s()(R)Rs i n(rs i nRs i n)()r(R)Rs i nc o s(r(R)RR r)c o sdt|x|rc o sd()KR r t Es(rR(R)R rR R)c o sdR r tEr(R)R rs i nc o s(rs i nRs i n)rRc o src o s Rc o s(rs i nRs i n)R Rc o sR R rs i nc o s(rs i nRs i n)rc o s
25、Rc o s(rs i nRs i n)R Rc o s(r(R)R(R)R rR r)c o sR(s i n(R)r)(rs i nRs i n)R(RrR)rc o sRc o s(rs i nRs i n)R Rc o s d()起皱判定条件为|K|mKK/m()此时管材不发生起皱,且临界波数mc rKK考虑周向波形特性的航空管路弯曲成形起皱理论建模与临界成形半径分析 刘衡汪志能宾光富等有限元验证借助A B AQU S有限元软件,建立管材绕弯成形过程有限元分析模型.绕弯成形模具结构参数如表所示.管材材料为L F M,管材的材料模型采用幂强化材料模型,管材的材料参数如下:密度 k g/m
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 考虑 波形 特性 航空 管路 弯曲 成形 起皱 理论 建模 临界 半径 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。