橢圓形封頭爆炸成形的數(shù)值模擬研究

     二十世紀(jì)七十年代，有限元法開(kāi)始被用于橢圓形封頭板料成形的研究， 初主要分析一些簡(jiǎn)單的軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。1973年，剛塑性有限元法被提出并用于分析沖壓成形問(wèn)題，這是人們首次使用有限元方法來(lái)分析橢圓形封頭沖壓成形過(guò)程。在數(shù)值模擬被用于板材塑性成形分析之前，人們主要通過(guò)試驗(yàn)分析方法來(lái)摸索金屬板材的塑性成形性能，為工藝條件的設(shè)定提供依據(jù)【19]。經(jīng)過(guò)幾十年的不斷努力，國(guó)內(nèi)外諸多科研人員，尤其是工程界人士，進(jìn)行了大量有限元法在板材成形過(guò)程中的研究。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和試驗(yàn)研究不斷取得進(jìn)展以及工業(yè)生產(chǎn)上的一系列成功應(yīng)用實(shí)例，橢圓形封頭板料成形有限元數(shù)值模擬技術(shù)也日臻完備并逐漸走向成熟。目前，板料成形數(shù)值模擬技術(shù)正在從分散研究到集中研究、從理論研究到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變時(shí)期。如PAM-STAMP、LS-DYNA3D、AUTOFORM、OPTRIS、ABAQUS/EXPLICIT、DYNAFORM等軟件絕大部分具有完整直觀的前、后置處理功能，可以直觀地在觀察到材料變形和流動(dòng)的詳細(xì)過(guò)程，了解橢圓形封頭材料的應(yīng)變分布、料厚變化、破裂及起皺的形成經(jīng)過(guò)，獲得成形所需要載荷及零件成形后的回彈和殘余應(yīng)力分布。這種用可視化技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)制造環(huán)境不僅模擬了零件的成形過(guò)程， 重要的是形象地揭示了材料的變形機(jī)理，因而可以使設(shè)計(jì)人員根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)整模具參數(shù)及成形工藝、修改坯料形狀和尺寸，大大縮短試模和修模的時(shí)間，有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。應(yīng)用這類(lèi)軟件指導(dǎo)板料成形件的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。橢圓形封頭板料成形過(guò)程是一個(gè)典型的接觸碰撞問(wèn)題，涉及金屬板在拉深和彎曲等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的塑性流動(dòng)、塑性強(qiáng)化、以及引起的起皺、破裂和回彈等問(wèn)題。同時(shí)過(guò)程本身也是一個(gè)復(fù)雜的多體接觸的力學(xué)分析問(wèn)題。因此單憑經(jīng)驗(yàn)很難預(yù)先估計(jì)板材成形性，往往要等模具加工后試模時(shí)問(wèn)題才能暴露出來(lái)，這是一個(gè)試錯(cuò)逼近的過(guò)程，需要人力、物力和財(cái)力的大量消耗，生產(chǎn)本高，周期長(zhǎng)。板料成形計(jì)算機(jī)模擬 是應(yīng)用數(shù)值方法研究板料塑性成形問(wèn)題。作為數(shù)值分析方法中應(yīng)用 廣并且 有生命力的一種方法，有限元法己成為目前板料成形數(shù)值模擬 有效的方法。板料成形過(guò)程的有限元模擬技術(shù)是評(píng)估橢圓形封頭板材成形性和模具設(shè)計(jì)正確性的有效工具，在工業(yè)發(fā)達(dá) 己得到 的應(yīng)用。該方法可在多方面對(duì)板料成形提供有力的技術(shù)支持：在設(shè)計(jì)工作的早期階段，用計(jì)算機(jī)模擬替代或減少工件的現(xiàn)場(chǎng)試制，分析和預(yù)測(cè)成形件及其模具設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)的可行性；通過(guò)建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算來(lái)確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性， 產(chǎn)品設(shè)計(jì)曩在試沖試模階段，進(jìn)行故障分析和解決實(shí)際發(fā)生的問(wèn)題；在批量生產(chǎn)階段，用于零件的缺陷分析i改善生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)可用來(lái)調(diào)整材料選擇，降低成本。目前，計(jì)算機(jī)模擬成形技術(shù) 應(yīng)用于常規(guī)的橢圓形封頭沖壓成形[20-24]，而在爆炸成形方面則比較少。

 

    橢圓形封頭爆炸成形與沖壓成形在某些方面有著相似之處，如同樣面臨著起皺、破裂、回彈等常見(jiàn)的問(wèn)題。但也有著很大的不同，如加載方式、板料變形速率等。因而具有較大的不穩(wěn)定性，在實(shí)際試驗(yàn)前，借助計(jì)算機(jī)數(shù)值分析模擬確保設(shè)計(jì)的合理性則顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外的一些研究人員已經(jīng)將這一新型技術(shù)應(yīng)用于爆炸成形的實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用。S.A.A.Akbari Mousavic2.J對(duì)圓錨坯料的爆炸自由成形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，利用LS-DYNA模塊中的Johnson-Cook和Zerilli-Armsfrong方程定義坯料的材料屬性，橢圓形封頭爆炸過(guò)程采用JWL狀態(tài)方程，對(duì)坯料 終成形的形狀做了預(yù)測(cè)。試驗(yàn)表明結(jié)果與模擬預(yù)測(cè)相當(dāng)吻合，同時(shí)還給出了UD的 比為0.167。盂會(huì)林、孫新利等人【26]利用LS-DYNA非線性動(dòng)力有限元程序中的ALE算法和顯式一隱式連續(xù)求解功能，對(duì)球內(nèi)接錐臺(tái)殼體在爆炸沖擊載荷作用下無(wú)模成形及回彈過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，獲得了橢圓形封頭球殼的變形圖、應(yīng)力應(yīng)變圖以及殼體質(zhì)點(diǎn)·時(shí)間歷程曲線等大量結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。包七十三、佟錚等人【27]對(duì)具有復(fù)雜曲面的航天飛機(jī)平臺(tái)罩建立了顯性動(dòng)力學(xué)彈塑性力學(xué)模型，并做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，成功地對(duì)飛行平臺(tái)罩爆炸拉深過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，對(duì)制定工藝參數(shù)、改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)和坯料尺寸提供了重要依據(jù)。陳英杰28]引入有限元變形回彈反耦聯(lián)系統(tǒng)和反耦聯(lián)方程的概念，由回彈勢(shì)能原理建立了板成形的大撓度回彈有限元法，并應(yīng)用此方法對(duì)板的成形回彈進(jìn)行了成功的模擬計(jì)算預(yù)測(cè)。丁彥軍、佟錚等人29]應(yīng)用ANSYS軟件中的LS-DANY模塊對(duì)方管結(jié)晶器的橢圓形封頭爆炸成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)爆炸載荷的作用形式進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，獲得了合理的布藥結(jié)構(gòu)。爆炸成形數(shù)值模擬的關(guān)鍵是建立能夠正確反映該過(guò)程的數(shù)理模型，但是由于橢圓形封頭爆炸成形技術(shù)本身的 點(diǎn)和所研究問(wèn)題的復(fù)雜性，導(dǎo)致目前在這方面的成果不是很多。因此，橢圓形封頭爆炸成形的數(shù)值模擬還有許多工作要做。