的几何参数可以分为固定和可变参数。固定参数的相关管的制造,滚子和芯棒。因此,他们不能更改后生产。作为一个例子,管外径等参数 d o ),管初始厚度( t 我 )、辊直径( d r )和芯棒曲率( r 米 )都被认为是固定的。另一方面,相关变量参数的设置过程。他们通常可以调整机器的管端关闭流程执行,如接触深度( ε ′ )、辊倾角( α )和芯深度( ε 米 )。过程中涉及的主要几何参数在表中定义 1。

接触深度( ε ′ )是基本变量参数基于所有其他变量参数决定。图 3显示了接触辊位置深度的依赖( ε ′ )和辊倾角的影响( α )。一般的滚子倾斜一个角度的位置 α 可以定义的中心距( C ′ )和接触深度( ε ),这是接触深度 α = 0 ,见以下方程: (1) ε = ε ′ − d o 2 棕褐色 α , (2) C ′ = d o 2 因为 α + d r 2 。

如图 3辊的位置是第一个原始辊内定义的平面( α = 0 )通过定义接触深度( ε ),这是点的偏移量(一)管的脸。然后,原平面转换一个角度 α 对点(o)斜辊面。所需的接触深度( ε ′ 基于点(定义) 一个 ′ ),这是真正的管和辊间接触点。

另一方面,从管芯棒的抵消的脸( ε 米 )应控制,提供内在支持管对不受欢迎的形式的变形,同时考虑到管厚度在整个过程中。数据 4(一)和 4 (b)显示两个不同的芯棒的设计,而芯深度( ε 米 )针对每种情况决定从以下方程: (3) 米 一个 n d r e l 1 : ε 米 = ε + r 米 因为 α − 棕褐色 α + 棕褐色 α 罪 α − 1 + d 米 2 棕褐色 α + t 我 因为 α , (4) 米 一个 n d r e l 2 : ε 米 = ε + t 我 + r 米 1 − c o 年代 α 因为 α

的方程,它可以注意到心轴深度( ε 米 )是接触深度的函数( ε )、心轴曲率( r 米 )、辊倾角( α )和管厚度( t 我 )。

有两种基本运动参与管一端关闭过程:管旋转和辊翻译。类似于金属旋压过程中,管一端关闭可以把机器上执行,只需把管轴和安装辊附件运输。本研究工作的兴趣之一是研究管转速的影响( N )在不同的反应过程。另一方面,辊的进给速率应调整在一个中间值(2.1毫米/秒),以防止高应变率。的行驶距离辊在整个过程中必须保证辊超过管中心。它还应该考虑辊开始变形管在管达到所需的转速。辊的进给速率在整个管一端关闭过程呈现在图 5。

管材料的属性无疑是其中的一个基本参数,影响管一端关闭过程。获得AL6061-T6提供FE-solver至关重要的属性数值分析所需的材料信息。因此,一个实验性的标准试样进行拉伸试验的AL6061-T6合金如图 6(一)。实验拉伸试验已经重复三次三标本。结果在杨氏模量( E ),屈服应力( σ y )和最大应力( σ u )如表所示 2。

然而,FE-solver只接受真正的有效应力和等效塑性应变( ϵ p )值 11]。因此,实验数据转换为满足这一需求,最后,可塑性AL6061-T6定义的特征。进行验证,明确分析拉伸试验是进行LS-Dyna 4.3©使用分段线性塑性模型(MAT_024)材料模型,并生成的试验得到的结果相比。相似的数值和实验结果如图 6 (b)证明材料模型的准确性。

研究复杂力学参与管端关闭过程分析是不够的。此外,实验技术也有限,因为存在多个参数的影响过程,这使得研究过程每次参数变化非常昂贵。相反,一个有限元模型,可以准确地模拟现实生活中的过程可以为研究提供一种有效的工具。在本节中,管一端关闭的有限元模型是使用LS-Dyna开发4.3©。等基本项目参与开发有限元模型,网格设置,材料建模、边界条件,都进行了讨论。

随着管端关闭过程中材料的行为非常的非线性,采用显式动态分析。一般来说,明确的时间步分析主要取决于网格的质量。句话说,当地时间最少的步骤通常对应于元素的质量,而反过来,全球系统的时间步是有限的这个值( 12]。在以上基础上,选择合适的元素类型和适当的网格大小和长宽比是。从这个方面,管是关键部分,因为它是唯一的变形,而辊和芯棒是假定为刚性。是刚性的,壳元素无疑是适合模型轧辊和芯棒最小化模型的大小。然而,决定使用shell或固体元素模型管需要一个简短的研究性质的元素类型,以及如何适用每一个管的情况下。

一般来说,壳元素适合平面应力的情况下(薄膜应力),这使得他们的共同选择对于大多数金属成形过程模拟。所示( 5),平面应力的情况下任何应力分量与当地有关 z 方向被认为是零,使模型规模相对较低。在正常和剪切应力方程用( σ )和( τ ),分别。各向同性材料的本构方程显示在平面应力情况下的应力-应变关系(所示 6, 13]。在用正常和剪切菌株( ϵ )和( γ ),分别。换句话说,壳元素在合适的情况下,全厚度变化不感兴趣的。另一方面,固体元素的能力是无限的,六个独立的压力组件都被认为是在本构方程所示( 7]。比较使用壳牌和固体元素建模管如图 7。 (5) σ z = τ y z = τ x z = 0 , (6) σ x σ y τ x y = E 1 + υ 1 − 2 υ 1 − υ 0 0 0 1 − υ 0 0 0 1 − 2 υ / 2 ∊ x ∊ y γ x y , (7) σ x σ y σ z τ x y τ y z τ x z = E 1 + υ 1 − 2 υ 1 − υ υ υ 0 0 0 υ 1 − υ υ 0 0 0 υ υ 1 − υ 0 0 0 0 0 0 1 − 2 υ / 2 0 0 0 0 0 0 1 − 2 υ / 2 0 0 0 0 0 0 1 − 2 υ / 2 ∊ x ∊ y ∊ z γ x y γ y z γ x z 。

基于以上,随着压力变化通过管子厚度不能被认为是微不足道的,固体元素选择模型。管的结束是该地区暴露在最高的变形,这是建模使用细网格的大小。此外,管的周长分为100部门获得坚实的四边形元素的映射网格。管厚度分为4个元素后mesh-independent以后测试进行了讨论。管的啮合,滚子和芯棒呈现在图 8。

在前面的小节中,得到了AL6061-T6实验的性质,数据转换为适合FE-solvers的标准。然后使用这些数据来提供管选择的材料模型,即分段线性塑性模型(MAT_024)等所有必需材料数据密度,杨氏模量、泊松比、屈服应力和各向同性硬化曲线。应该注意的是,这种材料的失效准则模型只适用于单轴拉伸的情况下,这并不是这项研究的情况。相反,局部变细标准是用来得到成形极限图的盛名,稍后讨论。

心轴和辊都认为刚性,材料模型(MAT_RIGID)找到足够的制造商建议的和朱 14]。这种材料模型提供的自由度定义部分关于全球坐标。因此,芯棒将只允许旋转 z 设在。相反,滚子的自由度不能对全球坐标定义,因为它是倾向于在某些情况下。相反,辊将只允许移动平移对一个矢量,这是预定义的基于倾角。心轴的转速,这是相同的管,加上辊的平移运动,既定义为刚体运动使用(BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID)基于先前获得的数据部分 2。另一方面,管的边界设置应考虑以下几点:(1)管自由旋转 z 设在,(2)内的节点的位移 x y 飞机允许允许变形,和(3)的翻译管作为一个刚体 x 或 y 设在禁止。已经成功地满足这三个条件使用(PRESCRIBED_MOTION_SET)和(SPC_SET)。最后,接触辊和管之间设置使用(FORMING_ONE_WAY)启用了滑动选择和定义0.2摩擦系数。

通过管厚度更大数量的元素,更精确的结果,而且更大的模型的大小。选择最优数量的元素通过管厚度,mesh-independent测试进行了如图 9。一般来说,mesh-independent测试的目的是检查数值模拟相对应的变化只是敏感模拟的过程,没有任何不良的噪音。通过管厚度变化的元素数量从1到4,和最大的价值 ϵ p 每次都是观察。如图 9,最后两个迭代显示最大值 ϵ p 值2.94和3内满足收敛性只有2%。因此,有限元模型被证明是mesh-independent。

评估管一端关闭过程中,应该明确定义的故障判据。应力状态的变化使得它不足以依靠只有一个故障判据[ 15]。相反,盛名,它主要是一个次要的情节和主要真正的菌株,采用如图所示的图 10。除了应变路径,盛名还包含一个安全系数曲线和成形极限曲线。在LS-Dyna©,两条曲线绘制基于以下几点:(1)薄板厚度,也就是1.778毫米;(2)材料特性,特别是硬化指数,这对于AL6061-T6是0.235。主要和次要的情节紧张远离颈缩区域,管端关闭过程被证明是成功的。

管一端关闭过程的数值模拟是下列条件下进行:[ ε ′ = 6.5 毫米, α = 7.5 ° , r 米 = 50 毫米, d r = 140年 毫米, N = 800年 rpm),这项研究的结果发表在数字 (11日)- - - - - - 11 (d)。的最大 ϵ p 记录结束时管为3.11。此外,厚度分布沿着路径末尾的管显示的最大厚度为2.56毫米位于圆变形管的边缘,这表明增厚的比例44%。此外,最大合成负载生成辊之间的接触点和管17.8 kN, 5.4秒后发生从流程开始。最后,异型管的内部能量达到最大的过程,因为它超过1000 J。内部能量通常是用来找出所需的能力的机器的金属成形工艺。然后重复的数值分析,然而在不同深度的接触(3.5、5、8和9.5毫米),而持有的其余部分输入参数相同。这些分析的结果提出了在接下来的部分。

在这项研究中,管端关闭过程执行实验在车床上。管和芯棒都是固定的三爪卡盘,转速是由直流电机控制,通常是把操作的情况。控制接触深度和辊的进给速率,辊是安装在车床的马车,但是通过一个特殊的依恋,允许旋转运动。此外,通过附加轮马车,滚筒的倾角可以控制。

辊是一个圆盘形的140毫米直径和制造钢铁K110镀镍铬外表面获得高硬度。至于管,2米长杆管使用,每次实验后和突出的部分是新的。根据管标准,管制造AL6061-T6和外直径31.75毫米和1.778毫米厚度。外管的伸出长度查克将30 mm,消除弯曲管尽可能多。润滑剂是用来提供一个光滑管之间的联系和在整个过程中辊。管一端关闭过程的实验装置如图 12。

在这项研究中,五个实验进行了在不同深度接触 ε ′ 而持有的其余部分输入参数如下:[ α = 7.5 ° , r 米 = 50 毫米, d r = 140年 毫米, N = 800年 rpm)。接触深度 ε ′ 改变从3.5毫米到9.5毫米1.5毫米的一步。本研究过程响应的兴趣是管直径 d f 。异型管从五个实验获得图所示 13。

作为基本的实验目的是验证有限元模型的结果,数值和实验分析的结果是相互绘制图形如图所示 14。此外,表 3礼物的价值管直径 d f 对应于每个联系人深度。最后,验证有限元模型的成功结果的平均误差是1.87%,这是在接受范围内。

在本节中,统计分析研究中涉及的参数进行管端关闭过程。通过前面部分,验证有限元模型,可以模拟现实生活中的过程已经开发成功。因此,这种有限元模型可以用来分析各种输入参数的影响在一组感兴趣的反应过程。然而,由于存在不同的输入参数,研究了使用有限元模型输入和输出变量之间的关系是昂贵的。相反,称为响应面法(RSM)的统计方法用于开发一个可以替换原来的代理模型。这个代理模型是一个简单的数学关系,为真正的关系提供了一个近似独立的输入变量和响应过程中的误差最小。因此,数学模型的求解过程取决于取代而不是解决一个完整的有限元问题。数学关系主要包括三个方面:线性、二次,和交互方面,见 8]。 (8) y = β o + ∑ 我 = 1 k β 我 x 我 + ∑ 我 = 1 k β 我 我 x 我 2 + ∑ 我 ∑ j β 我 j x 我 x j ,

在哪里 β o 是一个恒定值, β 我 是线性项的系数, β 我 我 二次项的系数, β 我 j 是交互项系数, k 是独立变量的数量。

创建所需的数学关系,实验设计能源部首次执行。能源部是用来创建一组实验各有特定的可控变量的值。美国能源部有两种主要方法,中心复合设计CCD bdd和Box-Behnken设计。在这项研究中,CCD面心选项被选中,并没有复制,这意味着共有27个实验需要解决。尽管会有很多输入参数参与管一端关闭过程中,在这个分析中,只有五个参数选为可控变量,辊倾角( α ),接触深度( ε ′ )、心轴曲率( r 米 )、辊直径( d r )和管转速( N )。边界设计水平(水平)在表列出了每个可控变量 4。

选择的响应变量在这项研究管直径 d f 和最大合成载荷 F 征求 。设计表创建使用Minitab19©。它包含27个测试和可控变量的编码值如表所示 5。它还显示了响应变量的值通过解决有限元模型。

测试结果见表 5使用方差分析进行了分析。方差分析的目的是学习是多么重要的每个输入变量的响应变量。变量有显著影响被归类为“有效的变量,而忽略那些微不足道的影响和消除从模型。指定一个术语的有效性通过比较其相应的“ P 价值”的“信心”,这通常是0.05。置信水平表示结果的最大允许误差的预测模型。”一词被认为是有效的,如果 P 值≤0.05”;,它被认为是无效的。越少的 P 价值,更重要的相应的项。此外, T 值给出的另一个指示意义。的绝对值越大 T 价值,更重要的相应的术语( 16]。的符号 T 价值还指示是否一个术语之间的关系和响应变量是直接或逆。表 6代表了回归系数, T 值, P 为响应值为每个术语 d f 和 F 征求 。

从表中,以下可以透露:

至于响应变量 d f : (我)

有效的变量包括线性条件( α , ε ′ , r 米 , 和 N ),二次术语( ε ′ 2 , r 米 2 , N 2 ),和相互影响的条款 α N , ε ′ N ]。其余的条款被认为是无效的

至于响应变量 F 征求 : (我)

有效的变量包括所有线性项,二次术语( ε ′ 2 , r 米 2 ),所有的交互性。其余的条款被认为是无效的

的相关系数 R 2 和 R 邻接的 2 显示约99%的峰值响应变量如表中最后一行所示 6。这表明回归模型的精度高;然而,需要更多的调查确认。

正态概率图如图 15,它可以注意到残差反应遵循一条直线 d f 和 F 征求 并没有注意到差异。此外,剩余块如图 16显示残差的正态分布在零轴,不显示任何特定的模式。基于以上,得到回归模型被证明是准确的,因此,可以用来获得结果,而不是一个完整的有限元问题得到解决。

特定响应变量之间的关系和两个输入变量可以在3 d图称为“响应面”或2 d绘图称为“轮廓图”,而其他输入变量以固定值。响应面和等高线的反应 d f 和 F 征求 与接触深度 ε ′ 和辊倾角 α 如数据所示 (17日), 17 (b), (18日), 18 (b)分别,而其余的输入变量是固定以下值:[ r 米 = 50 毫米, d r = 140年 毫米, N = 800年 rpm)。