基于多参数优化的液压胀管技术研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.82MB 63 页 15积分
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摘 要
液压胀管成形技术作为变截面管成形件的一种先进技术，拥有成形零件质量
轻，强度和刚度高，精度高，可减少后续组装焊接量等优点，在各领域的应用都
很广，尤其是在汽车制造产业、航空航天行业领域。液压胀管是一种较新的成形
技术，其成形原理非常复杂，国内对它的研究比较少，而且国际上也没有成熟的
理论和经验用来参考，所以对液压胀管成形技术的研究，拥有十分的重要意义。
首先，给出了液压胀管成形的工艺过程和主要工艺参数的一般计算方法，分
析了成形过程中可能出现的缺陷形式，壁厚的分布规律，各成形阶段的应力应变
状态及在屈服椭圆上的位置。
其次，运用有限元分析软件 DYNAFORM 对液压胀管成形过程进行模拟分析。
针对影响零件液压成形的内压力和轴向力的匹配关系、管件与模具之间的摩擦系
数及冲头速度等因素进行模拟与分析，得到了在不同工艺条件下工件的成形状态
和壁厚分布等规律，也分析了不同的工艺参数对工艺过程的影响。
随后，在工艺参数组合优化的问题上，首先以最大壁厚减薄率和壁厚均匀性
为考核目标，通过数值模拟和正交优化方法，对比分析不同方案下最大壁厚减薄
率和壁厚均匀性，确定了最优方案，以提高变截面管的成形性能。结果表明，轴
向压力对管件成形的影响最大，内压力次之，摩擦系数的影响最小。在此最佳方
案上，结合了 MATLAB 的神经网络工具箱和遗传算法工具箱，建立了液压胀管成
形的神经网络模型，并对直线路径和折线路径进行了组合优化。结果表明：神经
网络结合遗传算法是一种可行稳定的智能优化方法，可以解决液压成形中的工艺
参数优化问题。
对液压胀管多参数优化的研究，不仅提高了成形性能，而且为实际应用的成
形质量得到明显提高提供了理论基础，更主要为汽车轻量化行业提供了技术支持。
关键词：液压胀管 数值模拟 正交试验 神经网络 遗传算法
ABSTRACT
The hydroforming technology as an advanced technology of manufacturing hollow light
structures is now widely applied in fields of automobile and aerospace industry. The
parts formed by hydroforming technology have many advantages, such as lightweight,
less components, high rigidity, less subsequent machining time and shorter welding
assembling cycle, etc. The tube hydroforming technology is related to many factors,
among which, the loading path of the process parameters and matching relationship of
internal pressure and axial force are particularly important. So how to design the loading
paths and how to match them is the key point in practical application of hydroforming
technology.
Firstly, the tube hydroforming process and the general calculation method of main
process parameters were briefly introduced. The form of defects in the forming process,
the thickness distribution and forming stage of the stress-strain state and the position of
in the yield ellipse were analyzed.
The finite element software DYNAFORM was applied to simulate the whole tube
hydroforming process. Two main failure types in the process of hydroforming are
wrinkling and bursting. The strain distribution and thickness distribution at different
process parameters were presented. Not only friction coefficient but also the effect of
different matching of internal pressure and axial force was simulated and analyzed. In
addition, the velocity of punch was considered too.
In the process parameters on the combinatorial optimization problems, first of all,
numerical simulation was made on parameters like internal pressure and axial force as
well as friction coefficient of tube that affect the formation of variable cross-section
tube. Through numerical simulation and orthogonal optimization, the most thickness
reduction ratio and thickness uniformity on different conditions were contrasted and
analyzed. An optimum scheme was obtained and it could improve the formability of
variable cross-section tube. The result indicates that the axial force plays the most
important role on thickness reduction ratio. And then, by means of Neural Network
toolbox and Genetic Arithmetic toolbox in MATLAB, the Neural Network model of
tube hydroforming technology was built, and the optimization match of straight line and
fold line loading paths were also done. Results show that combined use of Neural
Network with Genetic Arithmetic is a stable, feasible and intelligent optimization
method, which can provide a new way to solve the process parameters optimization
problem in tube hydroforming technology.
Research on Multi-parameters optimization of tube hydroforming, not only improves
formability but also provides theoretical basis for improving forming quality in the
practical application, mainly promotes the application of tube hydroforming technology
in the lightweight car.
Key Words: Tube hydroforming process, Numerical simulation,
Orthogonal Experiment, Neural Network, Genetic
Arithmetic
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 引言 .................................................................................................................1
§1.2 液压胀管技术和应用 .....................................................................................1
§1.2.1 液压胀管的原理 ...................................................................................1
§1.2.2 液压胀管的特点 ...................................................................................2
§1.2.3 液压胀管的应用 ...................................................................................3
§1.3 液压胀管的研究现状 ....................................................................................4
§1.3.1 国内外液压胀管技术的研究现状 .......................................................4
§1.3.2 液压胀管技术的问题 ...........................................................................5
§1.4 本课题的主要研究内容 .................................................................................5
第二章 液压胀管技术 .....................................................................................................7
§2.1 工艺过程 ..........................................................................................................7
§2.2 确定主要工艺参数 .........................................................................................8
§2.2.1 初始屈服压力 .......................................................................................8
§2.2.2 开裂压力 ...............................................................................................8
§2.2.3 整形压力 ...............................................................................................8
§2.2.4 轴向进给力 ...........................................................................................9
§2.2.5 合模力 .................................................................................................10
§2.2.6 轴向起皱临界应力 .............................................................................10
§2.2.7 补料量 .................................................................................................11
§2.3 缺陷形式以及极限膨胀率 ...........................................................................12
§2.3.1 缺陷形式 .............................................................................................12
§2.3.2 极限膨胀率 .........................................................................................12
§2.4 管件的壁厚分布规律和影响因素 ...............................................................13
§2.4.1 壁厚的分布规律 .................................................................................13
§2.4.2 厚度分界圆 .........................................................................................14
§2.5 液压胀管应力应变状态及在屈服椭圆上的位置 .......................................15
§2.5.1 初始填充阶段 .....................................................................................16
§2.5.2 成形阶段 .............................................................................................17
§2.5.3 整形阶段 .............................................................................................19
§2.6 本章小结 .......................................................................................................20
第三章 液压胀管的数值模拟与分析 ...........................................................................21
§3.1 有限元仿真模型的建立 ...............................................................................21
§3.1.1 产品建模 .............................................................................................21
§3.1.2 有限元模型的网络划分 ......................................................................21
§3.1.3 选择单元类型 .....................................................................................22
§3.1.4 确定材料参数 .....................................................................................23
§3.1.5 选择边界条件 .....................................................................................23
§3.1.6 定义求解时间和输出步数 .................................................................23
§3.2 影响液压胀管性能的主要因素 ...................................................................24
§3.2.1 内压力与轴向压力的匹配关系影响 ..................................................24
§3.2.2 管件和模具之间摩擦系数对成形质量的影响 .................................28
§3.2.3 冲头速度大小对成形质量的影响 .....................................................29
§3.3 本章小结 .......................................................................................................31
第四章 基于正交试验的液压胀管多工艺参数优化 ...................................................32
§4.1 正交试验 .......................................................................................................32
§4.2 正交试验结果的分析方法 ...........................................................................32
§4.3 液压胀管的正交设计试验 ...........................................................................33
§4.4 分析试验结果 ...............................................................................................34
§4.5 本章小结 .......................................................................................................39
第五章 液压胀管工艺参数的优化 ...............................................................................40
§5.1 人工神经网络 ...............................................................................................40
§5.2 遗传算法（GA）.........................................................................................43
§5.3 液压胀管多参数的优化 ...............................................................................45
§5.3.1 优化思路 .............................................................................................45
§5.3.2 选择汇编语言 .....................................................................................46
§5.3.3 建立神经网络的模型 .........................................................................47
§5.3.4 确定遗传算法的目标函数 .................................................................48
§5.3.5 归一化处理输入输出向量 ...............................................................49
§5.3.6 神经网络和遗传算法的优化程序 .....................................................49
§5.3.7 讨论优化结果 .....................................................................................50
§5.4 本章小结 .......................................................................................................52
第六章 结论与展望 .......................................................................................................53
§6.1 结论 ................................................................................................................53
§6.2 展望 ................................................................................................................54
参考文献 .........................................................................................................................55
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................58
致 谢 ...............................................................................................................................59
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 引言
随着汽车工业和电子行业的迅速发展，对通过降低产品的重量来降低能源消
耗和减少污染，提出了紧迫的要求，轻巧的绿色环保材料将作为人类的首选。未
来制造行业的重要发展趋势之一是轻量化，以汽车行业为例，就是在保证汽车的
强度以及安全的前提下，尽量减轻汽车的整车质量，进而提高汽车的能动性，降
低燃料的消耗和减少废气污染[1-4]。汽车总质量中汽车车身约占 30%，但相对空载
而言，其 30%车身质量却耗油约 70%左右，所以，减轻汽车自重对车身的轻质化，
增加整车燃料效率至关重要[5]。
随着计算机技术的快速发展和市场竞争的日趋激烈，人们对管材的力学性能、
尺寸精度、生产成本、产品质量以及开发周期要求的不断提高，应用计算机仿真
技术来模拟管材的整个胀形过程，预报产品制造可行性及产品精度已成为汽车行
业增强市场竞争力的必要手段。为了实现管材生产、加工过程中以最佳的工艺参
数、孔型设计参数和设备参数进行生产加工，减少材料浪费、降低成本、提高效
率，可以使用计算机辅助设计与制造的方法[6]。
变截面技术是当前一个研究热点，它可以表述为：在满足材料的使用要求条
件下，根据等强度理论，尽可能地降低材料消耗，提高材料利用率。变截面有两
种类型：一是连续变截面；二是非连续变截面。连续变截面技术可以分为两类：
连续变截面板（Tailor Rolled Blanks 简称 TRB）和连续变截面棒（Tailor Rolled Rods
简称 TRR）。由于变截面结构具有优良的减材和轻量化效果，目前被广泛地应用于
汽车领域[7-9]，在一些汽车制造业发达的国家，TRB 已经被广泛应用于汽车产业的
实际生产之中[10]。相对于 TRB 而言，管材的液压成形目前还可以有待研究，而管
材比板材拥有更广泛的应用领域。因此，探索管材的液压成形技术无疑是变截面
技术的一次重大突破，并能有效推广到其他领域。
§1.2 液压胀管技术和应用
§1.2.1 液压胀管的原理
液压胀管是管材生产加工过程中的一种工艺方法，它主要是通过对管材的内
部进行充液使其加压，并轴向进给力补料，然后将管坯压入设计好的模具型腔使
管坯成形。其基本工艺过程如下：(1)将管坯放入模具；(2)对管坯材料内部进行充
摘要：

摘要液压胀管成形技术作为变截面管成形件的一种先进技术，拥有成形零件质量轻，强度和刚度高，精度高，可减少后续组装焊接量等优点，在各领域的应用都很广，尤其是在汽车制造产业、航空航天行业领域。液压胀管是一种较新的成形技术，其成形原理非常复杂，国内对它的研究比较少，而且国际上也没有成熟的理论和经验用来参考，所以对液压胀管成形技术的研究，拥有十分的重要意义。首先，给出了液压胀管成形的工艺过程和主要工艺参数的一般计算方法，分析了成形过程中可能出现的缺陷形式，壁厚的分布规律，各成形阶段的应力应变状态及在屈服椭圆上的位置。其次，运用有限元分析软件DYNAFORM对液压胀管成形过程进行模拟分析。针对影响零件液压...

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