关键词：流-固耦合;;内高压成形;;发动机横梁;;数值模拟分析;;矩形截面
摘 要：内高压胀形技术具有成形产品刚度好、质量轻和生产效率高等特点,因此该技术在航天和汽车等领域具有广阔的市场前景。内高压成形的本质是典型的流-固耦合问题,在实际流场与管件进行耦合作用的过程中,其内部流场特性具有一定的复杂性。采用流-固耦合方法研究内高压成形过程较传统的通过向管件内壁施加等效均布载荷的分析方法更具优势。利用流-固耦合方法对汽车发动机横梁内高压成形进行分析,能够将管内流体流速的波动、压力的衰减等复杂的物理现象考虑在内,模拟真实流场载荷下的成形过程,为发动机横梁等汽车复杂异形管类零部件内高压成形技术的实际工程应用提供有力指导。本文采用实验与仿真相结合的方式对汽车发动机横梁内高压成形进行分析研究。首先自行设计并搭建典型充液结构实验测试系统,通过实验与仿真结果的对比验证流-固耦合数值计算方法和模拟液体流动程序的正确性。随后,分别开展了20#钢矩形截面管件无轴向进给的液压胀形实验以及对应工况下基于流-固耦合方法的数值模拟,通过实验与数值计算结果的对比验证了流-固耦合方法在管件内高压成形建模和数值计算的正确性,并分析了典型截面管件内高压成形过程中关键参数对成形质量的影响规律。以此为基础,建立汽车发动机横梁内高压成形流-固耦合有限元模型,拟定主要工艺参数并进行数值模拟,分析不同成形压力、液压加载时间和液压加载路径对成形质量的影响规律。结果表明,随着内压力升高,横梁减薄率增大,当成形压力值达到200 MPa时,横梁已完成贴模,壁厚基本不再发生变化;液压加载时间越久,减薄率会随之下降,当加载时间为2.5 s时,横截面A减薄率降为最低21.0%,成形质量最佳;先缓慢后快速的液压加载方式有助于管件前期材料的流动,从而提高横梁成形壁厚的均匀性,降低壁厚减薄率,改善成形质量。本文通过实验与仿真相结合的方法,完成了基于流-固耦合方法的汽车发动机横梁内高压成形研究,为发动机横梁内高压成形技术的工程应用提供了指导和参考。
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