基于LSDYNA的液压胀型仿真技术解析

随着科技的进步，塑性加工技术在成形加工中的地位越来越重要。塑性加工技术适应产品的轻量化、高强度、高刚度和低能耗的要求，计算机仿真技术发展为推动国内现代化进程起着重要作用。

为了满足汽车和航空轻量化和节能化需求，具有高强度、高刚度的异形截面管件得到推广。但是异形截面管件焊接件质量得不到保证，为了解决异型截面管件的加工问题，液压胀形技术被提出来并得到迅速发展。

液压胀形是塑性加工中的一种冷加工技术，成形过程是先把预成形管件放入模具，首先完成合模动作，然后边施加轴向力边向管内注入水或其他液体，最后管件在液压力和轴向力的作用下发生塑性变形，最终得到与模具形状相同的成形件，能够满足沿管件轴线具有不同截面形状的空心零件加工需要，截面形状不受限制，能满足汽车轻量化要求。

比传统工艺相比有精度高、成本低等优点，在汽车、航天等行业得到广泛推广。虽然液压胀形技术发展较快，但是由于起步晚，如何有效的提高管件液压成形性成为当前国际学术研究的前沿问题

在液压胀形的仿真和优化过程中，使用的软件主要包括UG，HYPERMESH、LS-DYNA.主要是通过UG软件建立几何模型，利用HYPERMESH软件进行网格划分和前处理，利用LS-DYNA软件进行计算。本文进行了鼓形管件的液压胀型仿真。

鼓形管件CAD模型如下图所示，由模具和管坯两部分组成，模型选用四边形网格划分，并且为了节省计算时间，将模具部分设置为刚体，不考虑模具受力后的变形。网格划分完之后共有节点1569个，单元1553个。

成形仿真中的边界条件和载荷共同定义了模型的运动情况，为了避免穿透，液压力均与施加在管坯单元上，轴向力以施加到管坯端面单元方式施加，并且需要约束管坯节点沿x,y,z三个方向的转动。

管坯材料选用材料库MAT24，模具为刚体。主要材料参数如下图所示：

时间步的大小影响计算的精度，大的时间步会节省计算成本，但是仿真的过程不够细致，另外大的时间步会影响加载曲线下力和位移的施加，过大的时间步会导致位移加载的失真，直接反应为模具在最后的时间步放弃仿真动作。LS-DYNA运用直接积分显式格式的中心差分法。临界时间步长由LS-DYNA自动计算。

沙漏现象的存在会使模拟结果失真，单元的扭曲失真，甚至会使计算无法进行。沙漏模式导致一种在数学上是稳定的、但在物理上无法实现的状态。它们通常没有刚度，变形呈现锯齿形网格。

沙漏是一种以比结构全局高得多的频率震荡的零能变形模式，是单元刚度矩阵秩不足导致的，而沙漏现象本身是由缩减积分引起的。通过*CONTROL HOURGLASS选择合理的沙漏控制形式。

以上为管坯随时间的应力分布及变形图，可以看出关键的液压胀型可以通过LS-DYNA实现并取得较好的结果。

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