[发明专利]一种管材弯曲回弹角逆向预测和补偿方法

说明书

本发明公开了一种管材弯曲回弹角逆向预测和补偿方法，通过逆向法获得材料″表观弹性模量″，通过采用″表观弹性模量″数值模拟，快速、准确预测回弹角，并求取补偿角度。本发明提出了采用逆向法求取管材弯曲的表观弹性模量实现管材弯曲回弹角精确预测和准确补偿的方法；本发明所提出的回弹角预测和补偿方法预测精度高、操作简单、预测速度快、实用性强；特别是避免了采用复杂材料模型进行有限元数值模拟是模型参数试验表征难、计算量大等缺点；该方法仅需1次试弯和3次数值模拟即可实现回弹角的准确预测和补偿，特别适用于难变形弯管类构件精确成形制造。

技术领域

本发明涉及金属材料塑性成形领域，尤其涉及一种管材弯曲回弹角逆向预测和补偿方法。

背景技术

弯管类构件素有工业血管、发动机动脉之誉，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、能源和化工等工业领域，起着介质传输和结构承力等关键作用。管材塑性弯曲成形技术，能够同时实现材料的成形和改性，是实现金属管材精确弯曲成形的重要成形方式。常见的管材弯曲工艺有压弯、辊弯、推弯、数控绕弯等，然而不论何种采用弯曲方式，回弹是管材弯曲成形不可避免的问题。弯管回弹是指在成形过程中，外部载荷(包括模具、热场、电场等)移除之后，弯管件受到材料自身的弹性能驱动而产生的形状和尺寸偏差，其直接制约着构件的成形精度和后续成形，回弹控制不当将严重影响整体装配和构件服役性能。管材弯曲成形往往受到多场耦合作用和多模具复合约束，涉及几何、材料和边界条件等多重非线性问题，同时成形过程伴随着壁厚减薄甚至开裂、起皱、型面过渡扭曲等诸多成形缺陷，使得回弹机理和规律十分复杂，回弹精确预测和控制十分困难。特别是航空航天用高强钛合金、高强铝合金、高强钢/超高强钢等弯管构件，屈弹比高，回弹十分显著，且服役条件非常苛刻，回弹的精确预测和控制成为挑战性难题。

目前，针对管材弯曲回弹预测和控制方面，国内外学者进行了很多研究。中国专利，专利号为″201210075261.0″，专利名称为″一种数控弯管成形回弹半径和回弹角的精确控制方法″的发明专利，采用回弹角-回弹半径顺序迭代法逼近目标尺寸精度，但该方法高度依赖于单次有限元数值模拟精度，反复迭代易造成模拟误差累积，且反复迭代对于复杂边界弯管回弹计算量大，周期长。中国专利，专利号为″201310377197.6″，专利名称为″小直径厚壁管材二维变曲率弯曲回弹预测方法″的发明专利通过建立小直径厚壁管材弯曲回弹的解析模型，将二维变曲率弯管轴线离散，利用近似纯弯曲回弹实验建立弯曲回弹半径关系式，离散弯管回弹预测，回弹预测离散弯管简单拼接，离散弯管回弹拼接修正，但该方法采用解析近似和离散的方法，但该方法近适用于很小直径管材弯曲，对于中型直径和大直径管材弯曲回弹预测不适用。中国专利，专利号为″201710152143.8″，专利名称为″确定均质管材数控弯曲回弹角的方法″的发明专利采用静力平衡解析法求解了弯管回弹，对有效阐明材料和几何参数对回弹的影响，但该方法同样将弯曲过程近似为纯弯，很难考虑实际生产复杂边界对回弹的影响，使其预测误差难以保证。文献《Springback prediction forrotary-draw bending of rectangular H96 tube based on isotropic，mixed andYoshida-Uemori two-surface hardening models，Mater.Des.，2013，47：200-209》采用Yoshida-Uemori硬化模型考虑了黄铜矩形管数控绕弯中Bauschinger effect以提高回弹的预测精度，但该方法需要复杂的拉伸-压缩循环试验，给该方法的应用增加了困难。文献《Constitutive modeling for path-dependent behavior and its influence on twistspringback，Int.J.Plast.，2017，93：64-88》采用了HAH硬化模型有效提高了铝合金混合矩形管数控绕弯扭曲回弹预测精度，但是HAH模型参数需要依靠不同方向拉伸试验、循环剪切试验、平面拉伸试验进行标定，模型参数获取和数值实现非常复杂，特别是对于圆管，很多试验无法进行，很大程度了限制了该方法的应用。文献《Springback prediction oftitanium tube bending considering Bauschinger effect and Young′s modulusvariation，J.Phys.Conf.Series，734：032113》同时考虑了弹性模量衰减效应才钛管回弹预测中的影响，发现钛管回弹预测精度高度依赖于弹性本构和塑性本构的选用，需要预先研究不同弹性和塑性模型组合下回弹预测精度，以确定合适的材料模型选用。