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薄壁管材因为拥有低重量、高刚度的特性,在航空航天、汽车、石油、船舶和其他工业中得到了广泛的应用。随着社会的发展与技术的进步,人们对弯管的加工效率及弯曲成形精度与质量提出了越来越高的要求。薄壁管在弯曲成形过程中,易产生截面扁平化,通常都会采取有芯旋转模弯的弯曲工艺。管材在弯曲后,会产生回弹和伸长,严重影响管材弯曲的质量和加工效率。在实际生产中,由于没有系统完整的理论支持,管件的回弹和伸长量通常由熟练技工根据经验来确定。本文主要针对薄壁管有芯旋转模弯工艺,运用弹塑性弯曲理论和数值模拟,对管件的回弹和伸长进行了比较系统的研究。论文的主要工作如下:
首先概述了国内外管材弯曲研究的现状,对其研究内容和方法进行了总结,提出了本文研究的主要内容,并指出了研究的目的及意义。随后运用弹塑性弯曲理论的基本假设,近似演算了管材纯弯曲的回弹和和伸长。对回弹的分析:表明在一定范围内,回弹与弯曲角度之间,呈线性关系。对伸长的分析,说明了在一定范围内,管件的伸长量与弯曲成形角之间,呈线性关系。
其次,基于动力显式算法和静力隐式算法,建立了完整的管材弯曲成形和卸载回弹有限元模型。阐述了弯管有限元数值模拟中的一些关键技术及处理,提出了伸长的测量方法,并推导了相应的计算公式。分析了弯曲过程中管材的应力应变的变行行为,对回弹的应力变化的分析表明:回弹的发生,除了来自弹性区累积的弹性回复外,还包括塑性变形区的塑性回弹。
重点研究了在有芯旋转模弯中,弯曲角度、相对弯曲半径、相对壁厚、管径对回弹与伸长的影响。结果表明:(1)回弹角随弯曲角、相对弯曲半径的增大而增大,伸长量随弯曲角的增大而增大,随相对弯曲半径的增大而减小;(2)对于薄壁管件,壁厚对回弹和伸长的影响,可以忽略不计;(3)相对弯曲半径一致的情况下,管径小的管件的回弹值略大于管径大管件的回弹值,伸长量随着管径的增大而增大。最后在无芯弯曲回弹和伸长计算公式的基础上,引入芯轴影响因子,得到了特定芯轴条件下有芯弯曲回弹和伸长的计算公式。
最后,设计弯曲实验实验设备的关键零部件。分析了有芯弯管的实验结果,并与之前的计算公式进行比较。结果表明:实验的回弹和伸长与有芯弯曲公式计算的结果保持了较好的一致性。并简述了研究成果在实际生产中的具体应用。