基于离散元法的固体颗粒介质传力特性研究

固体颗粒介质成形工艺是采用固体颗粒介质代替刚性凸模(凹模)的作用,对金属板料、管材拉深胀形的先进工艺,在复杂零件精密成形、难加工材料成形、温热成形等方面具有独特优势.为揭示该工艺中固体颗粒介质的传力特性,采用离散元法(Discrete/distinct element method,DEM)数值模拟固体颗粒介质在单轴压缩下的受力过程,从力链角度分析固体颗粒介质在压缩过程中细观结构的变化规律,并以直径1mm不锈钢球为传力介质,自行设计颗粒介质传力性能试验,数值模拟结果与实测值吻合较好.研究发现颗粒配位数与体积份额呈幂函数关系,侧压系数与压应力亦呈幂函数关系,且当内部力链结构趋于稳定时,侧压系数趋于定值.应用散体力学研究方法推导出固体颗粒介质压力衰减规律,进而得到介质传力极限距离,这对如何准确控制成形中颗粒介质压力分布,提高加工工件的成形性能具有重要意义.     

盒形件固体颗粒介质板材成形工艺研究

固体颗粒介质板材成形工艺是采用固体颗粒微珠代替刚性凸(凹)模(或弹性体、液体)的作用对板材拉深成形的新工艺。选用非金属固体颗粒介质——GM颗粒作为研究对象,以固体颗粒介质在高应力水平下的体积压缩试验和摩擦强度试验为基础,应用散体力学理论中扩展的Drucker-Prager线性模型构建固体颗粒介质有限元材料模型。以具有非轴对称性的方盒形件为代表,进行固体颗粒介质成形工艺的有限元模拟,研究成形过程中板材的流动特征和壁厚分布规律。工艺试验成功得到方盒形零件,将加载曲线、成形过程变形特征和壁厚分布曲线与数值模拟结果比对较为吻合。分析表明,采用以散体力学为基础建立的固体颗粒介质材料模型进行工艺模拟,能够得到与试验较为接近的变形特征和力能参数,可以应用于制定工艺方案的依据,为该技术在板材成形中的应用起到指导和借鉴作用。     

凸环管件颗粒介质内高压成形工艺理论解析

离散体颗粒介质使颗粒介质内高压成形工艺中的传压具有非均匀性、颗粒介质与管件之间摩擦作用显著等特征,基于此,建立了颗粒介质非均匀载荷传压模型,对凸环管件胀形工艺过程进行了理论推导和数值解析,探讨了内压状况和摩擦条件对管件成形性能的影响,并通过工艺试验对理论分析结果进行了验证。分析结果表明,颗粒介质内高压成形工艺所具有的内压非均匀性、介质与管坯摩擦作用显著两大特征可有效减小胀形过程中的壁厚减薄和成形压力。对比试验与理论分析结果表明,壁厚分布和成形压力的理论计算结果与试验结果一致,颗粒介质非均匀载荷传压模型的构建策略可用于管件成形的预测和分析。     

基于固体颗粒介质成形工艺筒形件拉深力学分析

将固体颗粒介质成形工艺应用于金属板材圆筒件的拉深成形,建立相应的板材拉深力学模型。在固体颗粒传力衰减模型的基础上,通过对工件直壁区的力学分析,得到拉深过程中所需压头单位压力的函数关系式。该关系式表明,当筒形件的直壁段成形后,随着拉深系数的增加,压头最大单位压力呈线性逐渐减小;板材与凹模表面间摩擦因数增大将导致压头单位压力加大,并且该增加趋势非常明显;颗粒介质与板材之间的摩擦因数增大却可以减小压头单位压力;随着颗粒介质初始装料高度的增加,压头单位压力相应增加,这是颗粒介质所传递的应力随传递距离增加而逐渐衰减的结果。并以镁合金板材为研究对象,进行基于颗粒介质成形工艺的拉深试验和有限元模拟验证。研究结果表明,试验、模拟结果与理论值基本吻合。     

AA7075-T6圆筒形零件热态颗粒介质压力成形过程的力学分析

基于颗粒介质传压性能试验和AA7075-T6板材材料性能试验,对采用热态颗粒介质压力成形(HGMF)工艺拉深成形圆筒形件的法兰区、传力区和自由变形区进行了塑性力学分析,求解得到内压非均匀分布条件下成形压力的函数关系式,并与实测数据进行比对。分析结果表明,在成形中后期产生较大的偏差,理论求解最大成形力低于实测值24.6%。工艺试验研究表明,在成形温度为250℃条件下,采用HGMF工艺可一道次成形AA7075-T6圆筒形零件(底部为自由变形区)的极限拉伸比(LDR)为1.71。HGMF工艺操作便捷,装置简单,可在通用压力设备上实现轻合金板材件热成形,适用于航空、航天和军工等领域中小批量产品。     

AA5083管件颗粒介质非均匀内压温热胀形工艺性能解析

基于管件热单向拉伸试验、颗粒介质传压性能试验和外摩擦因数试验,分析了采用温热颗粒介质压力成形工艺时,在非均匀内压下AA5083管材自由胀形区的受力情况,探讨了颗粒介质与管件内壁摩擦作用对管件胀形区壁厚分布和胀形极限的影响。理论分析和工艺试验表明,温热颗粒介质压力成形工艺中颗粒介质与管坯之间存在的有益摩擦有效抑制了管件减薄,提高了管件胀形极限。     

固体颗粒介质成形新工艺试验研究与应力分析

自行设计制造了固体颗粒介质传压性能试验与测试装置,通过试验测得到了固体颗粒的传压规律.建立了板料在拉深力作用下的两种力学模型:线性分布载荷和二次函数分布载荷的力学模型.自行设计制造了板料成形试验模具与装置,通过对成形试验件的测量与分析,建立了自由变形抛物线函数变形模型.对固体颗粒介质板料拉胀成形未贴模时塑性变形阶段进行了塑性变形分析,推导出了自由变形区的应力分布计算公式,为固体颗粒介质板料拉胀成形塑性理论研究奠定了基础.     

薄壁深抛物线形零件固体颗粒介质成形工艺

薄壁抛物线形壳体成形过程为拉深和胀形两种变形模式的复合,极易发生起皱和破裂。固体颗粒介质成形是采用固体颗粒代替刚性凸模或凹模(或弹性体、液体)对板料进行成形的工艺。板材在颗粒介质内压的作用下成形,可以有效防止抛物线形件拉深成形过程中侧壁的起皱;由于颗粒内压是非均匀分布的,故可以有效控制抛物线形件成形过程中的破裂,提高板材的成形极限。根据固体颗粒介质成形工艺的特点,提出了两次成形薄壁深壳体零件的工艺,建立了数值分析模型,通过数值模拟和试验对该成形过程和工艺参数进行了分析。结果表明,采用固体颗粒介质成形工艺过程简单、成形工件壁厚分布均匀、表面质量好、回弹小。     

管材固体颗粒介质成形新工艺

传统的软模成形技术促进了管材成形技术的发展,但也存在许多不足。针对传统软模成形的缺点提出管材固体颗粒介质成形新工艺(Solid granules medium forming technology, SGMF)。该新工艺既可解决流体介质、粘性介质的密封难题,又具有内压非均匀分布,便于控制工件成形,提高材料成形极限的优点,为材料的制备和加工提供了新的方法和手段。针对固体颗粒介质传压特点,提出线性载荷模型和余弦载荷模型。采用塑性理论对非均匀内压作用下的管材成形过程中,自由变形区塑性变形进行研究,建立在非均匀内压作用下的管材成形塑性理论,得到自由变形区应力、应变、厚度计算公式,并通过试验进行实际验证。     

板材粘性介质压力成形粘性附着力影响因素试验研究

针对粘性介质压力成形过程是粘性介质与板材耦合的变形过程,不易确定板材在粘着应力作用下变形行为的情况,自行设计了粘性附着力拉伸试验装置,将粘着应力作为板材拉伸力,直接测量粘着应力对板材变形的作用。采用聚甲基乙烯基聚合物作为成形传力介质,初步研究了粘性附着力拉伸过程板材受到的粘性介质粘性附着力对板材变形的影响以及粘性附着力的影响因素。试验结果表明,增大板材表面压力差、提高粘性介质流动速度及提高粘性介质压力有利于提高粘性附着力的作用。研究结果可为合理利用粘性附着应力作用,提高板材成形性提供理论基础。     

固体颗粒介质成形工艺变形模型研究

介绍了固体颗粒介质成形新工艺,即采用固体颗粒介质代替刚性凸模(或弹性体、液体)的作用对板料进行软模成形的工艺,并阐述了新工艺的优点。自行设计制造了板料成形试验模具与装置,通过成形试验成功试制出子午面为抛物线与锥形两种典型曲面类零件。对成形件外轮廓的测量分析可知,固体颗粒介质成形过程中,自由变形区的形状可用抛物线函数非常精确地表示。通过建立抛物线函数变形模型,推导出两种典型零件成形中压头压入行程与板料最大变形量的函数关系。通过对板材固体颗粒介质成形新工艺进行数值模拟,进一步验证了抛物线函数变形模型。     

抛物线壳体软模成形FEM-DEM耦合仿真研究

针对一些形状复杂、具有局部特征的难变形薄壁构件的成形问题,提出固体颗粒介质成形(Solid granules medium forming, SGMF)技术。并以薄壁的抛物线壳体零件为例,分析零件的特征及成形难点;基于ABAQUS平台,自行编制程序对抛物线壳体SGMF成形过程进行有限元法(Finite element method, FEM)和离散元法(Discrete element method, DEM)耦合仿真分析,探究不同摩擦因数对工件SGMF的影响。研究表明,FEM-DEM耦合分析技术兼顾离散颗粒介质与连续体板材各自的变形特点,能较准确模拟金属板材SGMF成形过程,并采用该耦合分析技术确定该抛物线壳体零件的最佳成形工艺参数;最后在模拟结果的基础上,开展抛物线壳体零件的颗粒介质成形试验研究,并成功试制出合格工件,试验结果与FEM-DEM耦合模拟结果基本吻合。     

加载路径对汽车顶盖充液拉深成形影响数值模拟

板材充液拉深（hydromechanical deep drawing,HDD）是在拉深凹模中以一定压力液体作为传力介质代替刚性凹模传递载荷,使坯料在液体压力作用下贴靠凸模拟实现金属板材零件的成形。与传统拉深工艺相比,板料成形性显著提高,成形表面质量好,模具寿命长。随着成形设备和相关技术的发展,充液拉深工艺被广泛应用于汽车、飞机制造业。     

板料固体颗粒介质成形新工艺及其数值模拟

在板料成形技术中,板料软模成形是板料成形工艺中发展最快的工艺。但传统的板料软模成形工艺存在着许多缺点。为此,提出了既能克服现有软模成形工艺的缺点,又汲取各自优点的新的软模成形工艺——板料固体颗粒介质成形新工艺。板料固体颗粒介质成形新工艺是采用固体颗粒介质代替刚性凸模(或弹性体、液体)的作用对板料进行软模成形的先进工艺。该工艺具有模具结构简单,零件表面质量好,能够有效提高板材成形极限,节省多套模具和设备等优点。应用本工艺成功试制出深曲面类典型零件。通过将固体颗粒介质作为连续体介质处理,建立了子午面为抛物线形件的有限元模型。模拟和实测结果对比表明,应用连续体材料模型的模拟结果和实测结果较为接近。     

加载路径对AA5083管件热态非金属颗粒介质成形性能的影响

将颗粒介质作为传力介质,应用于铝合金管件内高压热成形工艺。通过热单向拉伸试验建立AA5083板材的本构模型。通过管材热态颗粒介质胀形数值模拟,结合AA5083理论成形极限图的分析,研究了不同加载路径对管件壁厚分布、管端缩料量和主应变曲线的影响规律,并进行了相应的工艺试验验证。研究结果表明,合理匹配初始压头力和管端进给量参数,使预成形管坯在胀形区形成有益皱纹,可为胀形区管坯变形提供聚料作用,从而提高管件成形质量和胀形极限。     

板材软模成形二维断面有限元分析界面接触摩擦处理

板材软模成形是板材和柔性传力介质耦合变形过程,存在板材和刚性模具及板材和柔性传力介质两种类型的界面接触。采用罚函数法计算接触力,推导了Mindlin轴对称壳单元和实体单元两种不同单元类型之间接触摩擦的有限元列式。采用静力显式的时间积分方法,通过控制载荷步长保持接触状态稳定。粘弹塑性软模材料的板材变形数值算例表明该算法是有效的。该算法也适用于其他类型软模材料的板材变形接触摩擦问题的处理。     

多点压边圈压力分布的理论模型与数值分析

根据理论计算得到了法向压力分布的简化模型，并结合有限元数值模拟对多点压边圈上的压力传递问题进行了分析。结果表明：在整个压边圈上施加均匀分布力时，其下表面所得到的压边力与施加载荷基本相等；而在压边圈上施加不均匀压力时，则得到变化显著的压边力分布曲线。该结果为板材零件的粘性介质压力成形实验研究奠定了基础。     

板件粘性介质压力成形新工艺

粘性介质压力成形是一种新的板料软模成形技术，与常规冲压相比节约了一半的模具费用，且零件研制周期大大缩短而整体性能得到提高，因而降低了能源消耗。成形过程中的传力介质是一种半固态、可流动且具有应变速率敏感性的高分子化合物，对人体无害，对环境没有污染，对试件无腐蚀作用，而且粘性介质可以反复使用。因此，粘性介质压力成形是一种环保节能的新工艺。     

离心式污水泵叶轮磨损的数值模拟

针对离心污水泵内固液两相流动比较复杂的情况,用含沙水为工作介质,通过改变沙粒粒径和含沙水颗粒浓度的方法,对小粒径颗粒在离心污水泵内的流动进行了数值模拟。借助弄清内流场的速度、压力与颗粒分布,分析了粒径大小对泵内固体颗粒运动的影响和进口初始颗粒浓度对泵内压力和固相分布的影响,得出压力沿叶轮吸力面和压力面的分布规律以及固体颗粒沿叶片吸力面和压力面的分布规律,并在此基础上得出了离心污水泵叶轮的磨损特性。     

粒度及其分布对颗粒介质摩擦副摩擦学特性的影响

利用基于离散单元法的数值模型对颗粒粒度及其分布开展了理论研究,对宏微观尺度的力、能量、摩擦等特性进行了探讨。离散单元法的理论基础是非连续介质力学,这可使颗粒介质摩擦副在力学及摩擦学特性上的非连续、非均匀特点获得较好的展现,可以判断其内部存在的运动和力的随机性及结构突变。较大粒径的颗粒具有更大的承载力和摩擦因数,更容易形成准直线形的强力链,导致摩擦特性的随机现象和结构突变增加。粒径的均匀分布和高斯分布使颗粒间的力分布趋向均匀,摩擦副运动更加平稳,摩擦因数有所减小。