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基于数值模拟和回归正交设计的AA5754铝合金温成形回弹特性

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2017年第10期

论文作者:赵坤民 申国哲 葛永鹏 刘立忠

文章页码:2590 - 2597

关键词:数值模拟;回归正交试验;铝合金;温成形;回弹;回归模型

Key words:numerical simulation; regression orthogonal test; aluminum alloy; warm forming; springback; regression model

摘    要:以圆筒温拉深切环实验为基础,采用数值模拟与回归正交试验相结合的方法,建立铝合金温成形过程中板料成形初始温度、摩擦因数、压边力、凹模圆角半径和凸凹模间隙与回弹之间的回归模型,得出各工艺参数对制件回弹的影响规律,确定最优工艺参数组合。通过回归模型进行回弹预测,并与相同工艺条件下4种温度的实验结果和数值模拟结果进行比较。研究结果表明:回归模型显著性明显,拟合度高,预测结果具有较高的可信度。

Abstract: Based on the split-ring experiment for cylindrical drawing cups, a regression model of relationship between springback and process parameters, including initial forming temperature of blank, friction coefficient, blank holder force, die radius and clearance between punch and die, was established for warm forming of aluminum alloy by numerical simulation method in conjunction with the regression orthogonal test. The effect of process parameters on springback was investigated, and the optimal combination of process parameters was determined. The regression model was applied to predict the springback, whose results were compared with those of test and numerical simulation at four kinds of temperatures. The results show that with high significance and fitting degree, the regression model is reliable.



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DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.10.005

基于数值模拟和回归正交设计的AA5754铝合金温成形回弹特性

申国哲1, 2,葛永鹏2,刘立忠3,赵坤民1, 2

(1. 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁 大连,116024;

2. 大连理工大学 汽车工程学院,辽宁 大连,116024;

3. 东北大学 材料科学与工程学院,辽宁 沈阳,110819)

摘要:以圆筒温拉深切环实验为基础,采用数值模拟与回归正交试验相结合的方法,建立铝合金温成形过程中板料成形初始温度、摩擦因数、压边力、凹模圆角半径和凸凹模间隙与回弹之间的回归模型,得出各工艺参数对制件回弹的影响规律,确定最优工艺参数组合。通过回归模型进行回弹预测,并与相同工艺条件下4种温度的实验结果和数值模拟结果进行比较。研究结果表明:回归模型显著性明显,拟合度高,预测结果具有较高的可信度。

关键词:数值模拟;回归正交试验;铝合金;温成形;回弹;回归模型

中图分类号:TG376.2        文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2017)10-2590-07

Springback analysis of warm forming for aluminum alloy AA5754 by numerical simulation method in conjunction with regression orthogonal design

SHEN Guozhe1, 2, GE Yongpeng2, LIU Lizhong3, ZHAO Kunmin1, 2

(1. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

2. School of Automotive Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

3. School of Material Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Abstract: Based on the split-ring experiment for cylindrical drawing cups, a regression model of relationship between springback and process parameters, including initial forming temperature of blank, friction coefficient, blank holder force, die radius and clearance between punch and die, was established for warm forming of aluminum alloy by numerical simulation method in conjunction with the regression orthogonal test. The effect of process parameters on springback was investigated, and the optimal combination of process parameters was determined. The regression model was applied to predict the springback, whose results were compared with those of test and numerical simulation at four kinds of temperatures. The results show that with high significance and fitting degree, the regression model is reliable.

Key words: numerical simulation; regression orthogonal test; aluminum alloy; warm forming; springback; regression model

铝合金板具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强等优点,成为目前替代汽车用钢板的主要轻量化材料[1-3]。但它在室温条件下塑性低,成形性能差,直接影响到制件的形状和尺寸精度。铝合金的温成形工艺因其能显著提高板料塑性、明显改善回弹现象从而受到国内外研究者的广泛关注。ABEDRABBO等[4]进行了不同温度、不同应变速率下的铝合金温成形实验,建立了与温度和应变速率相关的各向异性材料模型。王孟君等[5]采用差温拉伸实验,得出了铝合金温拉伸时的流变行为以及极限拉伸比随变形温度、拉伸速率和压边力的变化规律。铝合金温成形的趋势是精密成形,然而,针对其在温成形工艺条件下的回弹研究目前还很少涉及,大多数处于简单的弯曲变形研究上[6]。为此,本文作者以[7]的铝合金圆筒温拉深切环实验为基础,采用数值模拟与回归正交试验相结合的方法,研究板料成形初始温度、摩擦因数、压边力、凹模圆角半径和凸凹模间隙对制件回弹的影响,建立温成形工艺中铝合金制件回弹的多元回归模型,揭示其回弹规律。

1  实验方法的确定

回归正交设计是正交试验设计和回归分析的有机结合,不仅有合理的试验设计和较少的试验次数,而且能建立有效的数学模型。它可以在因素的试验范围内选择适当的试验点,用较少的试验建立1个精度高、统计性质好的回归方程,并能解决试验优化问题,广泛应用于实际生产和科学试验[8-10]。由于试验涉及的影响因素较多,本文采用一次回归正交试验的方法进行分析,试验设计流程如图1所示。建立试验指标y与m个因素x1, x2, …, xm之间的一次回归数学模型:

;       (1)

式中:为交互项;a为常数项;为各变量和交互项的偏回归系数。

2  有限元模型的建立与实验结果验证

2.1  有限元模型的建立

[7]提出的圆筒温拉深切环实验为基础,利用板料冲压成形仿真软件Dynaform对实验过程进行数值模拟。圆筒拉深具有轴对称性,为提高计算效率,取板料的1/2建立有限元模型,温成形有限元模型如图2所示。其中板料为弹塑性变形体,凸凹模及压边圈为刚性体,板料单元采用全积分壳单元。

图1  回归正交试验设计流程图

Fig. 1  Flow chart of regression orthogonal test design

图2  温成形有限元模型

Fig. 2  Finite element model in warm forming

铝合金材料的本构模型采用3参数Barlat-Lian厚向异性屈服准则[11-14]。数值模拟需要设定热边界条件,本模型的热边界条件是设置模具温度,使凸模、凹模和压边圈的温度在温成形过程中保持恒定,始终与板料的成形初始温度相等。在拉深过程中,板料在塑性变形的同时发生动态回复,温度发生变化,从而与模具发生热交换。模拟热交换需要定义热接触条件,通常用热传递系数来定义,本模型根据模具和板料的间隙来定义可变的热传递系数。为简化计算,当模具与板料距离小于0.5 mm时,热传递系数设为5 500 W/(m2·℃)[15];当模具与板料的距离超过0.5 mm时,认为模具与板料之间无热传递发生。数值模拟过程与实验过程一致,分为成形、空冷、切割和回弹4步,模拟流程如图3所示。

图3  数值模拟流程

Fig. 3  Flow diagram of numerical simulation

2.2  实验结果验证

引用[7]的圆筒温拉深切环实验,取其实验结果及数值模拟结果与本文在相同工艺条件下所得回弹量数值模拟结果进行比较,如表1所示。

从表1可以看出:本文回弹量数值模拟中回弹的计算精度要远远高于[7]的计算精度。这是因为[7]在数值模拟中采用的单元类型为三维实体单元,而体单元在板料成形模拟中存在缺陷。为了平衡计算精度与计算效率的影响效应,体单元的长宽比相对较大,导致板料网格质量较差,回弹量数值模拟精度降低。而本文数值模拟中采用的壳单元则不存在上述缺陷,因此,回弹量计算精度较高。同时,壳单元在板料成形数值模拟中的优越性也得到了进一步体现。此外,本文回弹量数值模拟结果与实验结果较接近,说明数值模拟结果可靠,并且所建立的有限元模型正确,为后续数值模拟结果的正确性提供了保证。

表1  实验与数值模拟结果

Table 1  Results of experiment and numerical simulation

3  回归模型的建立和检验

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