椭圆形封头爆炸成形的数值模拟研究

     二十世纪七十年代，有限元法开始被用于椭圆形封头板料成形的研究， 初主要分析一些简单的轴对称问题。1973年，刚塑性有限元法被提出并用于分析冲压成形问题，这是人们首次使用有限元方法来分析椭圆形封头冲压成形过程。在数值模拟被用于板材塑性成形分析之前，人们主要通过试验分析方法来摸索金属板材的塑性成形性能，为工艺条件的设定提供依据【19]。经过几十年的不断努力，国内外诸多科研人员，尤其是工程界人士，进行了大量有限元法在板材成形过程中的研究。近年来，随着计算机技术的飞速发展和试验研究不断取得进展以及工业生产上的一系列成功应用实例，椭圆形封头板料成形有限元数值模拟技术也日臻完备并逐渐走向成熟。目前，板料成形数值模拟技术正在从分散研究到集中研究、从理论研究到实际应用的转变时期。如PAM-STAMP、LS-DYNA3D、AUTOFORM、OPTRIS、ABAQUS/EXPLICIT、DYNAFORM等软件绝大部分具有完整直观的前、后置处理功能，可以直观地在观察到材料变形和流动的详细过程，了解椭圆形封头材料的应变分布、料厚变化、破裂及起皱的形成经过，获得成形所需要载荷及零件成形后的回弹和残余应力分布。这种用可视化技术虚拟现实制造环境不仅模拟了零件的成形过程， 重要的是形象地揭示了材料的变形机理，因而可以使设计人员根据已有的经验实时调整模具参数及成形工艺、修改坯料形状和尺寸，大大缩短试模和修模的时间，有效地提高产品质量和生产效率。应用这类软件指导板料成形件的开发和生产，可以产生良好的经济效益。椭圆形封头板料成形过程是一个典型的接触碰撞问题，涉及金属板在拉深和弯曲等复杂应力状态下的塑性流动、塑性强化、以及引起的起皱、破裂和回弹等问题。同时过程本身也是一个复杂的多体接触的力学分析问题。因此单凭经验很难预先估计板材成形性，往往要等模具加工后试模时问题才能暴露出来，这是一个试错逼近的过程，需要人力、物力和财力的大量消耗，生产本高，周期长。板料成形计算机模拟 是应用数值方法研究板料塑性成形问题。作为数值分析方法中应用 广并且 有生命力的一种方法，有限元法己成为目前板料成形数值模拟 有效的方法。板料成形过程的有限元模拟技术是评估椭圆形封头板材成形性和模具设计正确性的有效工具，在工业发达 己得到 的应用。该方法可在多方面对板料成形提供有力的技术支持：在设计工作的早期阶段，用计算机模拟替代或减少工件的现场试制，分析和预测成形件及其模具设计、工艺设计的可行性；通过建立适当的数学模型，借助计算机分析计算来确保产品设计的合理性， 产品设计曩在试冲试模阶段，进行故障分析和解决实际发生的问题；在批量生产阶段，用于零件的缺陷分析i改善生产质量，同时可用来调整材料选择，降低成本。目前，计算机模拟成形技术 应用于常规的椭圆形封头冲压成形[20-24]，而在爆炸成形方面则比较少。

 

    椭圆形封头爆炸成形与冲压成形在某些方面有着相似之处，如同样面临着起皱、破裂、回弹等常见的问题。但也有着很大的不同，如加载方式、板料变形速率等。因而具有较大的不稳定性，在实际试验前，借助计算机数值分析模拟确保设计的合理性则显得尤为重要。目前，国内外的一些研究人员已经将这一新型技术应用于爆炸成形的实验研究和工程应用。S.A.A.Akbari Mousavic2.J对圆锚坯料的爆炸自由成形进行了数值模拟分析，利用LS-DYNA模块中的Johnson-Cook和Zerilli-Armsfrong方程定义坯料的材料属性，椭圆形封头爆炸过程采用JWL状态方程，对坯料 终成形的形状做了预测。试验表明结果与模拟预测相当吻合，同时还给出了UD的 比为0.167。盂会林、孙新利等人【26]利用LS-DYNA非线性动力有限元程序中的ALE算法和显式一隐式连续求解功能，对球内接锥台壳体在爆炸冲击载荷作用下无模成形及回弹过程进行了三维数值模拟，获得了椭圆形封头球壳的变形图、应力应变图以及壳体质点·时间历程曲线等大量结果，并与实验结果进行了对比，结果表明，仿真结果与实验结果基本吻合。包七十三、佟铮等人【27]对具有复杂曲面的航天飞机平台罩建立了显性动力学弹塑性力学模型，并做了适当的简化，成功地对飞行平台罩爆炸拉深过程进行了有限元数值模拟，对制定工艺参数、改进模具结构和坯料尺寸提供了重要依据。陈英杰28]引入有限元变形回弹反耦联系统和反耦联方程的概念，由回弹势能原理建立了板成形的大挠度回弹有限元法，并应用此方法对板的成形回弹进行了成功的模拟计算预测。丁彦军、佟铮等人29]应用ANSYS软件中的LS-DANY模块对方管结晶器的椭圆形封头爆炸成形进行了数值模拟，对爆炸载荷的作用形式进行了合理的简化，获得了合理的布药结构。爆炸成形数值模拟的关键是建立能够正确反映该过程的数理模型，但是由于椭圆形封头爆炸成形技术本身的 点和所研究问题的复杂性，导致目前在这方面的成果不是很多。因此，椭圆形封头爆炸成形的数值模拟还有许多工作要做。