CN112058995B - 一种液室压力加载区间计算方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种液室压力加载区间计算方法,包括以下步骤:S1:采集零件形状参数、材料参数及模具参数,并预设增量显式参数;S2:判断缺陷类型及缺陷类型的边界,获得缺陷类型的加载区间及边界值;S3:根据增量显式参数调整模具位移,计算该模具位移下的所述边界值;S4:如果达到最大模具位移则结束计算;如果未达到最大模具位移则返回步骤S3。本公开还提供了一种液室压力加载区间计算装置及存储器。通过本公开提供的方案,所属领域技术人员能够根据每次位移获得的边界值绘制出模具位移—液室压力图,从而为充液成形工艺提供更精确的工艺参数设计指导,达到减小试错次数、节省时间与成本的技术效果。
Description
技术领域
本公开涉及金属塑性成形技术领域,尤其涉及一种液室压力加载区间计算方法、装置及存储介质。
背景技术
板料充液成形是一种柔性介质辅助成型技术。该技术采用液态的油或水等作为传力介质代替传统刚性的凹模或凸模,使坯料在传力介质的压力作用下贴合凸模或凹模而成形。板料充液成形生产出的零件具有整体结构好、回弹量小的特点,能够使复杂形状零件生产简化,达到柔性化程度高并大幅度降低模具套数和成本的技术效果。因此,该技术在航空航天领域、汽车制造工业、核能应用技术等高新科技产业中具有广泛的应用前景。
板料充液成形过程中,将产生液室压力。液室压力随模具位移的变化情况形成了液室压力加载路径。液室压力加载路径必须保持一定的区间范围内,称为液室压力加载区间,液室压力加载路径如果超出此区间,零件在成形过程中便会出现破裂、起皱等缺陷,因此液室压力加载区间对零件成形质量起着重要的作用。
目前,液室压力加载区间的确定缺乏科学的、系统的指导。普遍存在以下问题:
(1)精度较差。工程人员主要依赖经验估计,且工艺人员个人经验和能力具有差异,设计往往存在随意性大、科学性差的缺点,无法获得最佳方案。
(2)效率低。工程人员往往需要多次反复试错才能形成可靠的制造方案。这直接制约了我国航空工业生产制造的进步与发展。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个,本公开提供了一种液室压力加载区间计算方法,发掘液室压力与成形零件之间的作用关系,为充液成形工艺提供更精确的工艺参数设计指导,减小试错次数,节省时间与成本。本公开的目的采用以下技术方案实现:
一种液室压力加载区间计算方法,包括以下步骤:
S1:采集零件形状及材料参数、模具参数,并预设增量显式参数;
S2:判断缺陷类型及缺陷类型的边界,获得缺陷类型的加载区间及边界值;
S3:根据增量显式参数调整模具位移,计算该模具位移下的所述边界值;
S4:如果达到最大模具位移则结束计算;如果未达到最大模具位移则返回步骤S3。
进一步地,所述增量显式参数包括预设的模具初始位移、模具增量位移、模具初始曲率半径及模具增量曲率半径。
进一步地,所述缺陷类型包括破裂及起皱,所述边界包括上界及下界。
进一步地,当所述缺陷类型为破裂且所述缺陷类型的边界为上界时,步骤S3还包括根据增量显式参数调整模具曲率半径,根据调整后的模具位移、调整后的模具曲率半径、平均厚向异性系数、材料应力、材料应变、凸模半径、材料厚度、凸模圆角半径、凹模圆角半径、板料圆角区曲率半径及零件侧壁角度计算该模具位移及模具曲率半径下的所述边界值。
进一步地,当所述缺陷类型为破裂且所述缺陷类型的边界为下界时,步骤S3还包括根据调整后的模具位移、平均厚向异性系数、材料应力、材料应变、凸模半径、材料厚度、凹模圆角半径及零件侧壁角度计算该模具位移下的所述边界值。
进一步地,当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为上界时,步骤S3还包括根据调整后的模具位移、材料屈服强度、凹模半径、压边圈半径、材料厚度、材料应力、材料应变计算该模具位移下的所述边界值。
进一步地,当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为下界时,步骤S3还包括根据增量显式参数调整模具曲率半径,根据调整后的模具位移、调整后的模具曲率半径、切向方向皱纹数量、起皱的角度、凸模半径、板料圆角区曲率半径、零件侧壁角度、压边圈半径计算该模具位移及模具曲率半径下的所述边界值。
进一步地,根据σ=Kεn获得材料K值和n值,其中σ为材料应力,ε为材料应变;
当所述缺陷类型为破裂且所述缺陷类型的边界为上界时,联立方程获得破裂加载区间上界pcrh:
当所述缺陷类型为破裂且所述缺陷类型的边界为下界时,获得破裂加载区间下界pcrl:
当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为上界时,获得起皱加载区间上界pwrh:
当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为下界时:
其中,
本公开为了解决上述技术问题还提供了一种液室压力加载区间计算装置,包括数据采集部、数据处理部及数据输出部;所述数据采集部用于采集零件形状及材料参数、模具参数,并预设增量显式参数;所述数据处理部判断缺陷类型及缺陷类型的边界,获得缺陷类型的加载区间及边界值;根据增量显式参数反复调整模具位移,计算该模具位移下的所述边界值,至达到最大模具位移停止计算;所述输出部根据反复计算的数据绘制模具位移—液室压力图。
本公开为了解决上述技术问题还提供了一种存储器,其上具有可执行指令,所述可执行指令被执行以实现所述的液室压力加载区间计算方法。
相比于现有技术本公开的优势在于:本公开采集了零件形状参数、材料参数及模具参数,并预设增量显式参数等,从客观获取数据的角度出发,并根据缺陷类型区分不同的计算方法,采用模具不断移动的方式,计算每个位置点的加载区间及边界值。所属领域技术人员能够根据每次位移获得的边界值绘制出模具位移—液室压力图,从而为充液成形工艺提供更精确的工艺参数设计指导,达到减小试错次数、节省时间与成本的技术效果。并且本公开的方法计算过程包含有试验确定的材料参数,计算精度高,适用于各类材料,针对特定材料可求出特定的加载区间。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式,并与其说明一起用于解释本公开的原理,其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解,并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开一种液室压力加载区间计算方法流程图;
图2是图1流程图进一步细化的流程图;
图3是利用液室压力加载区间计算方法计算结果图;
图4是图3加载区间内选择液室压力加载路径图;
图5是图3不同液室压力加载路径充液成形结果图。
其中:110、破裂加载区间上界;120、破裂加载区间下界;130、起皱加载区间上界;140、起皱加载区间下界;210、第一加载路径;220、第二加载路径;230、第三加载路径;240、第四加载路径;300、交汇区域;410、凸模圆角破裂区域;420、凹模圆角破裂区域;430、侧壁起皱区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容,而非对本公开的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种充液成形液室压力加载区间计算方法,包括以下步骤(附图1):
S1:采集零件形状及材料参数、模具参数,并预设增量显式参数。
S2:判断缺陷类型及缺陷类型的边界,获得缺陷类型的加载区间及边界值。
S3:根据增量显式参数调整模具位移,计算该模具位移下的所述边界值。
S4:如果达到最大模具位移则结束计算;如果未达到最大模具位移则返回步骤S3。
通过上述方法从客观获取数据的角度出发,并根据缺陷类型区分不同的计算方法,采用模具不断移动的方式,计算每个位置点的加载区间及边界值。所属领域技术人员能够根据每次位移获得的边界值绘制出模具位移—液室压力图,从而为充液成形工艺提供更精确的工艺参数设计指导,达到减小试错次数、节省时间与成本的技术效果。
通过分析,本公开对缺陷类型进行了分类,分为破裂及起皱(附图2),并根据液室压力加载区间分析是通过上界计算还是通过下界进行计算。具体地,当产生起皱缺陷时,采用液室压力加载区间下界进行计算;当产生破裂缺陷时,采用液室压力加载区间上界进行计算。准确地判断缺陷类型并采用不同的算法进行适配,能够有效地提高计算精度并对充液成形工艺提供参数设计指导。根据不同的缺陷类型及计算边界,采用的参数不一致。本公开根据对技术方案的优化,优选地采用了以下采集参数进行计算,能够有效地提高计算效率,保障计算精度。参见附图2,采集的零件材料及形状参数包括了:材料厚度t、切向方向皱纹数量m、起皱的角度材料K值、材料n值、厚向异性系数R(采用《GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法》国标确定)、材料屈服强度σs、平均厚向异性系数
其中,根据公式(1)拟合0°方向单向拉伸试验曲线结果,可求出出材料K值和n值。
σ=Kεn (1)
其中σ为材料应力,ε为材料应变,σ与ε能够通过《GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法》国家标准确定。
采集的模具参数包括了:凸模半径Rp、凹模半径Rd、压边圈半径Rb、凸模圆角半径rp、凹模圆角半径rd及零件侧壁角度α。
本公开需要根据不断调整模具的位移,以便于计算调整后的缺陷加载区间及边界值,因此必须设置模具初始位移以及每次的增量位移。本公开的方案需要技术人员输入的增量显式计算参数包括:模具初始位移h0、模具增量位移Δh、模具初始曲率半径ρ0、模具增量曲率半径Δρ。
每次调整模具位移及模具曲率半径时有:
hi+1=hi+Δh (3)
ρi+1=ρi+Δρ (4)
根据每次调整的调整模具位移及模具曲率半径,计算该模具位移下的缺陷的边界值,以形成构造模具位移—液室压力图的系列数据。
下文将对两种缺陷类型的上界、下界计算方法进行详细描述。当所述缺陷类型为破裂且所述缺陷类型的边界为上界时,步骤S3需要使用的数据包括模具位移、调整后的模具曲率半径、平均厚向异性系数、材料应力、材料应变、凸模半径、材料厚度、凸模圆角半径、凹模圆角半径、板料圆角区曲率半径及零件侧壁角度计算该模具位移及模具曲率半径下的所述边界值。详细的计算方法如下:
输入特定模具位移h值,计算破裂加载区间上界pcrh,当液室压力超过所述破裂加载区间上界pcrh时零件发生破裂缺陷。板料破裂时材料所受应力σcrh为:
此时为求得破裂加载区间上界pcrh需要联立下列几个公式
上述几个式子中,Rp为凸模半径,t为材料厚度,rp为凸模圆角半径,rd为凹模圆角半径,ρ为板料圆角区曲率半径,α为零件侧壁角度,pc为液室压力,r为零件上某一点距离零件中心的距离,I代表变形过程中的零件法兰区,II表示成形过程中零件上的悬空区,μ为模具与板料之间的摩擦系数(可根据《YB/T 4286-2012金属材料薄板和薄带摩擦系数试验方法》获得);对于破裂上界pc=pcrh。可以看出,式(6)至式(12)可以求出特定模具位移h下的曲率半径ρ,进而求出破裂加载区间上界pcrh。
当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为上界时,步骤S3根据调整后的模具位移、材料屈服强度、凹模半径、压边圈半径、材料厚度、材料应力、材料应变计算该模具位移下的所述边界值。即计算特定模具位移h下的破裂加载区间下界pcrl,当液室压力低于所述破裂加载区间下界pcrl时零件发生破裂缺陷。
当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为下界时,步骤S3根据增量显式参数调整模具曲率半径,根据调整后的模具位移、调整后的模具曲率半径、切向方向皱纹数量、起皱的角度、凸模半径、板料圆角区曲率半径、零件侧壁角度、压边圈半径计算该模具位移及模具曲率半径下的所述边界值。即计算特定模具位移h下的起皱加载区间上界pwrh,当液室压力超过所述起皱加载区间上界pwrh时零件发生破裂缺陷。
其中Rd为凹模半径,Rb为压边圈半径,σs为材料屈服强度。
当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为下界时,步骤S3根据增量显式参数调整模具曲率半径,根据调整后的模具位移、调整后的模具曲率半径、切向方向皱纹数量、起皱的角度、凸模半径、板料圆角区曲率半径、零件侧壁角度、压边圈半径计算该模具位移及模具曲率半径下的所述边界值。即计算特定模具位移h下的起皱加载区间下界pwrl,当液室压力低于所述起皱加载区间下界pwrl时零件发生起皱缺陷,计算公式为:
式中:
其中m表示切向方向皱纹数量,表示起皱的角度,D表示塑性切线模量,即屈服极限和强度极限之间的斜率。一般来说某点的切线模量由该点附近应力变化量与应变变化量之比进行计算。悬空区(II区)起皱条件:切向压应力所做功Uθ大于悬空锥壁起皱的弯曲能Uw,对于某一模具位移h时,由于式(15)中含有σr,而σr与液室压力P有关,求取式(15)最小值,并令其等于0,得到悬空区起皱时的板料曲率半径ρ,进而通过式(10)求解悬空区起皱时刻的液室压力pc,即求解起皱加载区间下界pwrl。
上述4种情况均针对特定模具位移h的加载区间上下界进行了计算,并且将模具位移从0加载到最大值过程中的起皱和破裂加载区间上下界进行计算,从而最终得到模具位移—液室压力图。并参见图3获得4条加载区间线,包括破裂加载区间上界110、破裂加载区间下界120、起皱加载区间上界130及起皱加载区间下界140。本公开优选的方案采用了Matlab软件编写增量显式计算方法进行求解。以计算破裂加载区间上界pcrh为例进行说明,首先输入零件形状及材料参数、模具参数、增量显式计算参数。所述增量显式计算参数包括模具起始位移h0、起始曲率半径ρ0、模具位移步长Δh、曲率半径步长Δρ,所述四个参数根据零件的尺寸大小来确定,零件尺寸越小,上述四个参数取值越小。然后依次选择计算破裂加载区间、计算上界。采用循环的方式依次计算模具位移为h1、h2、h3…时的曲率半径ρ1、ρ2、ρ3…,按照步骤(2)中的公式计算出对应的pcrh1、pcrh2、pcrh3…,模具位移达到充液成形的最大模具位移时停止,此时在模具位移—液室压力图上绘制(h1,pcrh1)、(h2,pcrh2)、(h3,pcrh3)…等一系列点并连接成线即可求出破裂加载区间上界pcrh。
破裂加载区间下界pcrl、起皱加载区间上界pwrh、起皱加载区间下界pwrl的计算方式与计算破裂加载区间上界pcrh相同,不再赘述。采用Matlab软件编写增量显式计算方法,计算效率高,根据计算出的液室压力加载区间可设计出更合理的液室压力加载路径,大大减少了零件实际生产过程中的试错次数,可节省大量时间与成本。
本公开还提供了一种液室压力加载区间计算装置,包括数据采集部、数据处理部及数据输出部;所述数据采集部用于采集零件形状及材料参数、模具参数,并预设增量显式参数;所述数据处理部判断缺陷类型及缺陷类型的边界,获得缺陷类型的加载区间及边界值;根据增量显式参数反复调整模具位移,计算该模具位移下的所述边界值,至达到最大模具位移停止计算;所述输出部根据反复计算的数据绘制模具位移—液室压力图。可以理解的是,所述数据采集部执行液室压力加载区间计算方法步骤S1的方法;所述数据处理部主要执行了逻辑处理,即进行了液室压力加载区间计算方法步骤S2至S4的方法;所述输出部即显示装置,其包括但不限于使用Matlab的显示界面、显示器。
本公开还提供了一种存储器,其上具有可执行指令,所述可执行指令被执行以实现所述的液室压力加载区间计算方法。
本公开一具体的计算实施例说明本公开的提供的充液成形液室压力加载区间计算方法。
零件形状及材料参数:
材料厚度t=1.2mm 切向方向皱纹数量m=3
材料屈服强度σs=450MPa
模具参数:
凸模半径Rp=8.8mm 凹模半径Rd=18mm
压边圈半径Rb=28mm 凸模圆角半径rp=5mm
凹模圆角半径rd=5mm 零件侧壁角度α=30°
增量显式计算参数:
模具初始位移h0=0.5mm 模具增量位移Δh=0.5mm
模具初始曲率半径ρ0=0.5mm 模具增量曲率半径Δρ=1mm
模具初始位移h0、模具增量位移Δh、模具初始曲率半径ρ、模具增量曲率半径Δρ。
破裂加载区间下界pcrl、起皱加载区间上界pwrh、起皱加载区间下界pwrl的计算方式与计算破裂加载区间上界pcrh相同,最终得到模具位移—液室压力图上的4条加载区间线如图3所示。在图4中的加载区间内选择液室压力加载路径,能够成形完好的零件,否则会出现破裂或起皱失效等缺陷。为了验证所计算加载区间的准确性与可靠性,按照图4中所示4条液室压力加载路径:第一加载路径210、第二加载路径220、第三加载路径230、第四加载路径240分别进行充液成形有限元仿真和工艺试验,模拟与试验结果如图5所示。
从图4中可以看出,第一液加载路径210是在加载区间内选择的,以第一液加载路径210为工艺参数进行的有限元模拟和工艺试验均能获得没有破裂或起皱缺陷的锥形零件。第二加载路径220前期压力过小,与破裂临界液室压力下限曲线相交,即在凸模圆角破裂区域410有交汇区域300,按照第二加载路径220进行的有限元和试验结果可以发现,成形初期凸模圆角附近板料破裂失稳。而第三加载路径230后期压力过大则与破裂临界压力上限曲线相交,即在凹模圆角破裂区域420有交汇区域300(图4、图5b),按照第三加载路径230进行的有限元和试验结果可以发现,在成形末期,凹模圆角附近的板料发生破裂失稳(图4、图5c)。第四加载路径240则与临界液室压力上限相交,在侧壁起皱区域430有交汇区域300(图4、图5d),按照第四加载路径240进行的有限元和试验结果可以发现,在成形中后期,圆角区的板料发生起皱失稳。有限元仿真和试验结果均与所计算的液室压力加载区间相吻合,说明所计算的液室压力加载区间准确可靠。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解,上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开,而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言,在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型,并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。
Claims (8)
1.一种液室压力加载区间计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:采集零件形状及材料参数、模具参数,并预设增量显式参数,所述增量显式参数包括预设的模具初始位移、模具增量位移、模具初始曲率半径及模具增量曲率半径;
S2:判断缺陷类型及缺陷类型的边界,获得缺陷类型的加载区间及边界值,所述缺陷类型包括破裂及起皱,所述边界包括上界及下界;
S3:根据增量显式参数调整模具位移,计算该模具位移下的所述边界值;
S4:如果达到最大模具位移则结束计算;如果未达到最大模具位移则返回步骤S3。
2.如权利要求1所述的一种液室压力加载区间计算方法,其特征在于:当所述缺陷类型为破裂且所述缺陷类型的边界为上界时,步骤S3还包括根据增量显式参数调整模具曲率半径,根据调整后的模具位移、调整后的模具曲率半径、平均厚向异性系数、材料应力、材料应变、凸模半径、材料厚度、凸模圆角半径、凹模圆角半径、板料圆角区曲率半径及零件侧壁角度计算该模具位移及模具曲率半径下的所述边界值。
3.如权利要求1所述的一种液室压力加载区间计算方法,其特征在于:当所述缺陷类型为破裂且所述缺陷类型的边界为下界时,步骤S3还包括根据调整后的模具位移、平均厚向异性系数、材料应力、材料应变、凸模半径、材料厚度、凹模圆角半径及零件侧壁角度计算该模具位移下的所述边界值。
4.如权利要求1所述的一种液室压力加载区间计算方法,其特征在于:当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为上界时,步骤S3还包括根据调整后的模具位移、材料屈服强度、凹模半径、压边圈半径、材料厚度、材料应力、材料应变计算该模具位移下的所述边界值。
5.如权利要求1所述的一种液室压力加载区间计算方法,其特征在于:当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为下界时,步骤S3还包括根据增量显式参数调整模具曲率半径,根据调整后的模具位移、调整后的模具曲率半径、切向方向皱纹数量、起皱的角度、凸模半径、板料圆角区曲率半径、零件侧壁角度、压边圈半径计算该模具位移及模具曲率半径下的所述边界值。
6.如权利要求1所述的一种液室压力加载区间计算方法,其特征在于:
根据σ=Kεn获得材料K值和n值,其中σ为材料应力,ε为材料应变;
当所述缺陷类型为破裂且所述缺陷类型的边界为上界时,联立方程获得破裂加载区间上界pcrh:
当所述缺陷类型为破裂且所述缺陷类型的边界为下界时,获得破裂加载区间下界pcrl:
当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为上界时,获得起皱加载区间上界pwrh:
当所述缺陷类型为起皱且所述缺陷类型的边界为下界时,对以下方程求最小值并令其为0,获得破裂起皱加载区间下界pwrl:
式(15),其中,
其中,m表示切向方向皱纹数量,表示起皱的角度,某点的切线模量由该点附近应力变化量与应变变化量之比进行计算,悬空区即II区起皱条件:切向压应力所做功Uθ大于悬空锥壁起皱的弯曲能Uw,对于某一模具位移h时,由于式(15)中含有σr,而σr与液室压力P有关,求取式(15)最小值,并令其等于0,得到悬空区起皱时的板料曲率半径ρ,进而通过以下式(10):
求解悬空区起皱时刻的液室压力pc,即求解起皱加载区间下界pwrl。
7.一种液室压力加载区间计算装置,其特征在于:包括数据采集部、数据处理部及数据输出部;
所述数据采集部用于采集零件形状及材料参数、模具参数,并预设增量显式参数;
所述数据处理部判断缺陷类型及缺陷类型的边界,获得缺陷类型的加载区间及边界值;根据增量显式参数反复调整模具位移,计算该模具位移下的所述边界值,至达到最大模具位移停止计算;
所述输出部根据反复计算的数据绘制模具位移—液室压力图。
8.一种存储器,其特征在于:其上具有可执行指令,所述可执行指令被执行以实现权利要求1-6任意一项所述的液室压力加载区间计算方法。
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