內高壓脹形技術具有成形產品剛度好、質量輕和生產效率高等特點,因此該技術在航天和汽車等領域具有廣闊的市場前景。內高壓成形的本質是典型的流-固耦合問題,在實際流場與管件進行耦合作用的過程中,其內部流場特性具有一定的復雜性。采用流-固耦合方法研究內高壓成形過程較傳統(tǒng)的通過向管件內壁施加等效均布載荷的分析方法更具優(yōu)勢。利用流-固耦合方法對汽車發(fā)動機橫梁內高壓成形進行分析,能夠將管內流體流速的波動、壓力的衰減等復雜的物理現象考慮在內,模擬真實流場載荷下的成形過程,為發(fā)動機橫梁等汽車復雜異形管類零部件內高壓成形技術的實際工程應用提供有力指導。本文采用實驗與仿真相結合的方式對汽車發(fā)動機橫梁內高壓成形進行分析研究。首先自行設計并搭建典型充液結構實驗測試系統(tǒng),通過實驗與仿真結果的對比驗證流-固耦合數值計算方法和模擬液體流動程序的正確性。隨后,分別開展了20#鋼矩形截面管件無軸向進給的液壓脹形實驗以及對應工況下基于流-固耦合方法的數值模擬,通過實驗與數值計算結果的對比驗證了流-固耦合方法在管件內高壓成形建模和數值計算的正確性,并分析了典型截面管件內高壓成形過程中關鍵參數對成形質量的影響規(guī)律。以此為基礎,建立汽車發(fā)動機橫梁內高壓成形流-固耦合有限元模型,擬定主要工藝參數并進行數值模擬,分析不同成形壓力、液壓加載時間和液壓加載路徑對成形質量的影響規(guī)律。結果表明,隨著內壓力升高,橫梁減薄率增大,當成形壓力值達到200 MPa時,橫梁已完成貼模,壁厚基本不再發(fā)生變化;液壓加載時間越久,減薄率會隨之下降,當加載時間為2.5 s時,橫截面A減薄率降為最低21.0%,成形質量最佳;先緩慢后快速的液壓加載方式有助于管件前期材料的流動,從而提高橫梁成形壁厚的均勻性,降低壁厚減薄率,改善成形質量。本文通過實驗與仿真相結合的方法,完成了基于流-固耦合方法的汽車發(fā)動機橫梁內高壓成形研究,為發(fā)動機橫梁內高壓成形技術的工程應用提供了指導和參考。
【學位單位】：廣西科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：U464
【部分圖文】：

內高壓成形技術及流-固耦合方法 內高壓成形技術概況內高壓成形（Internal High Pressure Forming, 簡稱 IHPF）是制造空心變截件和鈑金件整體成形的主流工藝之一[11]。具有降低結構質量、節(jié)省材料、和零件數量、提高材料使用率、降低生產成本和提升產品剛度與強度等內高壓成形過程技術原理如圖 1-2 所示，為了能夠將管件更好的放入預成，金屬板卷管件經過彎管工藝加工成初步具備外形結構的彎管。對于技術形截面管件首先需進行第一步的預成形處理，其目的是有助于提高產品的量。將預成形后的管件放入具有產品結構的模具型腔中，持續(xù)向管內注入，同時在管件兩端沿軸向施加推力進行軸向補料，在內壓力和軸向推力的下，管件發(fā)生塑性變形并與模具內壁貼合，脹形為所要求截面尺寸的產品內高壓成形后的零部件進行沖孔、裁邊等加工處理，得到最終產品零部件

管坯在液體介質的作用下發(fā)生形變并與模具內壁貼合，從而成形出所件的加工工藝。作為能夠從技術層面有效降低汽車金屬結構件質量的途管件內高壓脹形技術在汽車、機械和航空領域得到了廣泛的應用[14]。如圖 1-3 汽車排氣系統(tǒng)在傳統(tǒng)沖壓焊接工藝和內高壓成形工藝下的對比圖可以看出，與傳統(tǒng)的沖壓焊接排氣系統(tǒng)相比，采用內高壓成形技術的排氣件不僅可以減少焊接和裁邊帶來的自身重量的增加和材料的浪費；由于一可降低零部件的應力集中，因此還能夠有效提高剛度和強度，尤其是產品度；在產品質量上，內高壓成形技術能夠提高汽車零部件的成形精度，同續(xù)進行零件裝配過程中的誤差；在汽車排氣系統(tǒng)的內高壓成形過程中，所部件被整體成形件取代，因而成形模具數量更少，生產成本得到降低。通成形技術可以制備各式各樣的結構尺寸靈活的排氣系統(tǒng)零部件，如圖 1-4不同車型下的汽車排氣系統(tǒng)結構件，采用內高壓技術使得復雜異形中空結排氣系統(tǒng)的生產成為可能，為汽車產業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了空間，光滑的不僅提升了產品的美觀性，其內部流體的流動特性也將得到改善[15]。

部件被整體成形件取代，因而成形模具數量更少，生產成本得到降低。通成形技術可以制備各式各樣的結構尺寸靈活的排氣系統(tǒng)零部件，如圖 1-4不同車型下的汽車排氣系統(tǒng)結構件，采用內高壓技術使得復雜異形中空結排氣系統(tǒng)的生產成為可能，為汽車產業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了空間，光滑的不僅提升了產品的美觀性，其內部流體的流動特性也將得到改善[15]。(a) 沖壓焊接工藝 (b) 內高壓成形工藝(a) Stamping process (b) Tube hydroforming process圖 1-3 排氣系統(tǒng)在不同工藝下對比Figure 1-3 Comparation of the exhaust system under different processes
【參考文獻】

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本文編號：2844624