3A21鋁合金矩形管變形計算機仿真論文
1.簡化模型與截面變形
通常采用截面變化率δh表示彎曲后矩形管在截面處的變形程度，其可用公式δh=(h-h1)/h×100%表示，其中h、h1分別表示矩形管變形前后截面處的高度。
2.建立有限元模型
2.1模型建立
矩形管坯尺寸為b×h×t=24.9mm×12.3mm×1mm，材料為3A21鋁合金。采用Abaqus軟件建立有限元模型。步驟如下：建立部件的幾何模型、部件進行裝配、設置接觸條件、劃分網格等。
2.2可靠性驗證
采用試驗方法對有限元仿真結果進行驗證，判斷有限元仿真的可靠性，進而對芯模參數影響矩形管截面變形規律進行研究。試驗與模擬中工藝參數設置一致，即：彎曲角度θ=90°，彎曲半徑R=40mm，彎曲速度w=1.567rad/s，芯棒、夾塊及其他模塊與管坯之間的摩擦系數分別為0.01、0.50、0.17，管坯與模具間隙ΔC=0.1mm，芯頭參數為，H=10mm，B=22.88mm，D=3mm，A=60°，n=3，同時要求芯棒無伸出量。對有限元方法與實驗方法得到的截面變化率δh進行對比。可以看出：靠近彎曲兩端部分(0°、90°)時截面變化率比較小，處于彎曲中間部分(40°~80°)時截面變化率較大，且隨著截面位置的增大而增加。對比兩條曲線，發現曲線變化趨勢相同，通過計算可知模擬結果與實驗結果的最大誤差為2.9%。充分說明本文采用的模型可有效的模擬3A21鋁合金矩形管在繞彎成形中的截面變化。
3.模擬結果分析
3.1芯頭個數n影響截面變化
以2.2節中設定的工藝參數為基礎，保證其他參數不變，改變芯頭個數n，分別設置為1、2、3、4，采用文中建立的模型進行仿真模擬，研究芯頭個數n對截面變化的影響。不同時截面變化率沿繞彎方向的曲線對比圖。可以看出，n=1或者n=2時截面變化率δh較大，且在彎曲中間位置(45°左右)取得最大值，分別為37%、34.5%。當n=3時，截面變化率迅速減小，最大截面變化率為6.9%。繼續增大芯頭個數n，當n=4時，截面變化率變化不大，可以判斷當n大于3時，增大芯頭個數對矩形管繞彎成形中截面變化無太大影響，故應選取n=3，矩形彎曲管質量較好。同時，截面變化率在彎曲兩端較小，而在彎曲中間位置較大。由于壓塊、彎曲模與防皺模對矩形管的外壁進行限制，同時芯頭和芯棒對內壁起到支撐作用。在彎曲中間部分，內壁失去了芯頭的支撐作用，外壁沒有壓塊進行限制，故處于懸空狀態，此時截面變形率會較高。矩形管的末端受到夾塊及彎曲模作用，即使沒有了芯頭的支撐作用，其截面的變化也不會很大。
3.2芯頭間距D影響截面變化
保證其他參數不變，改變芯頭間距D，分別設置為3mm、4mm、5mm和6mm，研究芯頭間距D對截面變化的影響。不同芯頭間距D下截面變化率沿繞彎方向的曲線對比圖。可以看出，芯頭間距D為3~5mm時，彎曲始端的δh比末端的明顯小，而D=6mm時兩端的δh相近。截面變化率δh隨著芯頭間距D的增加而逐漸減小。這是由于芯頭間距D增加，芯頭支撐矩形管內壁的角度增大，故δh減小。
3.3芯頭厚度T影響截面變化
改變芯頭厚度T，分別設置為3mm、5mm、7mm和9mm，保證其他參數不變。不同芯頭厚度T時截面變化率沿繞彎方向的曲線對比圖。可以看出，截面變化率δh隨著芯頭厚度T的增加而逐漸減小。T≤7mm，截面變化率δh在矩形管的起始端與末端比中間部分小。T=3mm時，當繞彎角度大于40°時，δh迅速上升，角度在60°時δh達到最大值，隨后逐漸減小。隨著芯頭厚度T逐漸增加，δh隨截面位置變化趨勢也較為平緩。這是由于芯頭厚度較大時，在繞彎過程中芯頭對矩形管的支撐范圍比較大，所以使得截面變化程度較小，綜上選擇T=9mm時矩形管繞彎效果好。3.4芯頭圓弧角度A影響截面變化改變芯頭圓弧角度A，分別設置為60°、90°、120°、180°，保證其他參數不變。不同芯頭圓弧角度A時截面變化率沿繞彎方向的曲線對比圖。可以看出，在彎曲過程中矩形管始端與末端δh較小，在中間位置δh較大。截面變化率δh隨著芯頭圓弧角度A的增加而逐漸增加。這是由于隨著芯頭圓弧角度A的減小，圓弧上的頂點U與末點C之間的高度差Δh減小，芯頭對矩形管的支撐效果越明顯，故截面變化程度越小。但是當圓弧角度A過小時，一套芯模不適合在不同彎曲半徑的多種彎曲模中使用，而A=60°時，芯頭中心與圓弧中心位置一致，方便芯頭的加工。綜合考慮選擇芯頭圓弧角度A為60°。
4.結論
（1）在矩形管的始末端截面變形程度較小，中間位置(40°~80°)截面變形程度較大；增大芯頭數目、芯頭間距、芯頭厚度及減小芯頭圓弧角度，均使得繞彎過程中矩形管截面變化程度降低。
（2）選擇3個芯頭，芯頭間距、厚度和圓弧角度分別為6mm、9mm、60°時，可以生產質量較高的矩形彎管。
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