車輛工程研究生學位論文開題報告

車輛工程研究生學位論文開題報告

　　開題報告是學位論文的一個總體規劃和設計，是研究生學位論文工作的重要環節，下面是小編搜集整理的車輛工程研究生學位論文開題報告，供大家閱讀參考。

　　課題名稱：脹壓成形載重3.5 t橋殼預成形的研究

　　1、立論依據

　　課題來源及研究的目的和意義：

　　本課題來源于燕山大學研究項目“汽車橋殼脹壓成形新技術的研究”，針對載重3.5t卡車鋼管脹壓成形橋殼預成形管坯的加載方式和加載路徑進行研究。

　　汽車車橋，也稱車軸，是汽車上傳遞車架和車輪之間各方向的力及其力矩的部件。橋殼是汽車上的主要零件之一，它的功用是支承并保護主減速器、差速器和半軸等，使左右驅動車輪的軸向相對位置固定;與從動橋一起，支承車架及其上各總成的重量 [1]。在動載荷條件下，要求橋殼在具有足夠的強度和剛度的條件下還應力求減小橋殼的質量。此外橋殼還應具備結構簡單，制造成本低，便于保證主減速器拆裝、調整、維修和保養等優點[2]。

　　汽車橋殼屬異型截面復雜管類件，要求有較高的強度剛度，目前主要用鑄造方法、沖壓焊接方法制造。沖焊具有工藝簡單、材料利用率高、質量小、韌性高、彈性好、成本低的優點。但由于沖焊過程中，材料受熱，使得材料分子結構發生了變化，失去了原有的狀態致使強度降低。同時，由于在焊接過程中，不可避免地出現焊接缺陷，而焊接缺陷是影響整體強度的主要原因之一。鑄造橋殼具有剛性好、強度高、塑性變形小、易鑄成等強度梁等優點，但韌性及彈性沒有沖焊橋殼好。

　　針對形狀復雜的汽車橋殼，提出鋼管脹壓成形工藝，脹壓成形工藝是：選擇一定規格的無縫鋼管，先將管坯兩端部縮徑，中間部分液壓脹形，得到軸對稱的預成形管坯，再對預成形管坯內部充液并用模具從上下、前后四個方向同時壓制成形，得到異型截面的樣件。

　　鋼管脹壓成形汽車橋殼的研究中，為了得到強度剛度滿足其要求的成形件，最終壓制成功，壁厚分布必須滿足一定要求，所以，研究壁厚及其分布特性對于壓制成形至關重要。預成形管坯壁厚太薄，壓制后強度剛度不能滿足要求。預成形管坯壁厚分布不合理，壓制后強度剛度也難以達到要求。

　　管坯壁厚分布，主要取決于成形過程中的加載路徑和加載方式，因此研究管坯成形過程中的加載路徑和加載方式，很有必要。目前，研究橋殼液壓脹形的文獻雖多，但沒有給出明顯合理的加載方式，不同的加載方式對汽車橋殼生產的成形性影響怎么樣，尚不清楚，也沒有比較好的確定加載路徑的方法，本文給出了預成形管坯成形的三種加載方式和在這三種加載方式下的加載路徑，通過有限元模擬對比這三種加載方式下的壁厚及其壁厚分布，最后再與生產試驗相結合，給出合適形狀及其壁厚分布合理的預成形管坯。

　　2、文獻綜述

　　國內外研究現狀及分析：

　　管件液壓成形技術是用管坯作為原材，通過對管腔內施加液體壓力及在軸向施加負荷作用，使其在給定模具型腔內發生塑性變形，管壁與模具內表面貼合，從而得到所需形狀零件的成形技術[3]。液體內壓可以通過液壓技術，粘性介質，彈性體和聚氨酯等等來獲得[4]。國內外對液壓脹形各方面的研究也越來越廣泛。液壓成形受多方面的因素影響，國內外各種文獻對此作了說明，下面介紹一些主要的影響因素。

　　2.1材料性質及其幾何參數對成形過程的影響

　　在液壓成形過程中，材料的選取也是至關重要的，如果材料達不到塑性要求可能出現脹裂，或者可能材料太硬而出現斷裂等現象，因此選材既要合理又要經濟。不同材料性能對成形性有著不同的影響。硬化指數n增大時，施加較低的內壓就可以達到同等的成形高度，壁厚分布更均勻，并且能夠獲得更大的膨脹量。苑世劍研究了變徑管內高壓成形送料區壁厚分布規律，研究表明，送料區兩端壁厚差受送料區初始長度、摩擦系數及內壓的影響，隨著送料區初始長度、摩擦系數和內壓的增加，送料區兩端壁厚差會越來越大，即靠近送料區外端點的壁厚增加會更加明顯。因此保證內高壓成形得到的變徑管送料區壁厚增加不明顯的措施是：盡量減小送料區初始長度、減少摩擦，選擇較低的成形內壓[5]。

　　2.2摩擦系數對成形過程影響

　　摩擦力對內高壓成形過程有著至關重要的影響。管坯與成形模腔有較大面積接觸，且隨內壓力的加大，管坯與模腔之間的壓力越來越大，使管坯兩端材料很難流入。這樣不但使中間脹形部分變薄、易脹裂、廢品率高，而且需要兩端的軸向力更大，即需要更高噸位的壓力機才能進行脹形，增加了生產成本。減小摩擦力改善潤滑環境不僅可以提高產品質量，降低成形時所需的軸向力，還可以降低模具的磨損，延長模具使用壽命。為減小摩擦，管坯外表面及成形模腔要盡可能光滑，應在管坯和模腔之間添加合適的潤滑劑【6】。苑文婧等人研究了變徑管內高壓成形的厚度分界圓，研究表明：隨著摩擦系數、 管端軸向應力與內壓之比、送料區相對長度的增加，壁厚不變的厚度分界圓距離管端越來越近，即膨脹區壁厚減薄區域是越來越大的;而隨著管坯相對壁厚的增加，壁厚不變的厚度分界圓距離管端越來越遠，即膨脹區壁厚減薄區域是越來越小的[7]。

　　2.3內壓力及軸向進給量的匹配關系對成形性能的影響

　　當實際生產中軸向推力大小變化不容易控制時，為了方便實際生產，可以選擇液壓力和軸向進給量作為內高壓成形過程中的控制變量。加載路徑對管材液壓脹形過程及零件質量等有較大的影響。加載路徑是指液壓脹形時內壓力 P與管端的軸向載荷 F或軸向位移S的關系曲線【8】。內壓力使管材的脹形區外徑增大，壁厚減薄;而軸向載荷使材料向成形區流動，減緩壁厚減薄。當內壓力加載過快，則會出現破裂缺陷;反之會出現屈曲和起皺缺陷。故內壓力和軸向載荷的合理匹配是影響管材成形性能的關鍵因素。合理的加載路徑不僅可以提高管材的成形能力 (如使管材的壁厚分布均勻、脹形高度大、 材料貼模性好 ) ，還可以提高成形管件的質量和降低對成形設備的要求。所以，研究管材液壓脹形的加載路徑具有理論意義及實用價值，目前成為了研究熱點【9】。Mori 等人通過對純鋁管材的有限元模擬及實驗研究，比較了單調增加內壓力加載方式與脈沖型加載方式下管材成形的模擬和實驗結果，證明脈沖型加載方式可以有效地抑制或消除內高壓成形過程中管材的破裂和起皺【10】。Hama 等人用有限元模擬方法證明，脈沖型液壓加載方式對管材內高壓成形的影響規律類似于摩擦系數的降低。因此，尋找合理的加載方式，比較重要【11】。田仲可開展了薄壁管無模內高壓成形的研究, 指出在軸壓偏高而內壓相對偏低的情況下，降低內壓的增長率有助于抑制皺紋的發展【12】。李洪洋等人就大變形量臺階軸和方截面空心輕體件的內高壓成形進行實驗研究【13】。Jae-bong Yang用Pam-stamp有限元軟件模擬汽車轉向拉桿預彎曲、液壓成形的全過程、指出繞彎半徑、芯棒等對管彎曲質量影響明顯【14】。Kristoffer Trana用顯示有限元軟件Ls-2Dyna模擬轎車A柱的預彎曲、預沖壓和液壓成形全過程，仿真結果與試驗比較表明，要獲得更準確的管件液壓成形，仿真結果必須考慮預成形的影響，并指出芯棒是影響彎曲質量的重要因素。呂簌，孫政元研究了薄壁管料自由脹形的最佳加載路徑，在管料的液壓脹形過程中，為了得到較大的脹形比，需要同時施加一定的軸向壓力，這種軸向壓力和內壓的函數關系構成了加載路徑[15]。

　　液壓脹形方面的研究文章很多，有關汽車橋殼方面的研究文獻也比較多。雷麗萍，陳森燦，

　　研究了汽車后橋殼的液壓脹形工藝及模具設計，對汽車后轎殼的液壓脹形工藝的進一步完善和發展提供了一定的基礎[16]。最后，還推測了液壓脹形這種新型的工藝方法和發展方向。馬偉眾介紹了汽車橋殼零件加工制造方法，指出液壓脹形橋殼比沖壓焊接橋殼強度更高[17]。燕山大學王連東教授等人對液壓脹形橋殼成形極限、加載路徑做了系統的理論分析，數值模擬和實驗研究[18,19,20,21]。繪制出液體脹形壓力與管坯壓縮量不同的匹配關系時的脹形極限圖。

　　總結：基于上面的一些文獻分析和研究，用液壓成形做汽車橋殼，是可行的，并且課題組已經試制成功0.75 t汽車橋殼，在前人已經做成功的基礎上繼續進行，所以本實驗具有必要性和可行性。

　　3、研究內容及方案

　　(1)學術構想與思路、主要研究內容、擬解決的關鍵問題及預期目標

　　1.學術構想與思路

　　用有限元軟件ABAQUS模擬管坯一次縮徑、二次縮徑、脹形，確定縮頸工藝。然后在液壓機上進行實驗，得到預成形樣件，對樣件外形和壁厚進行分析。最后，通過實驗與模擬的對比，得到比較合理的工藝流程，確定比較好的加載方式和加載路徑，驗證模擬正確性。

　　2. 研究內容

　　a. 確定預成形管坯縮徑工藝。

　　b. 確定加載路徑：用液壓脹形方法制造汽車橋殼類制件，脹形量大，加載路徑對成形過程至關重要。加載路徑合適，則對中間部分補料較多，脹形處壁厚減薄量小，壁厚分布較為均勻;否則有可能出現使脹裂部分過薄，甚至出現脹裂、褶皺、屈曲等缺陷。

　　c. 研究加載方式對液壓脹形管坯成形性的影響。

　　3. 解決的關鍵科學問題

　　a. 確定最佳的加載方式。

　　b. 確定最佳加載路徑。

　　4. 預期目標

　　目標是：得到壁厚分布合理的預成形管坯。

　　(2)擬采取的研究方法、技術路線、實施方案及可行性分析

　　1. 研究方法

　　a. 用三維建模軟件UG建立管坯和模具的幾何模型。

　　b. 用ABAQUS進行縮徑、脹形、模擬，尋找合理加載方式，控制軸向進給和內部壓力，以便得到成形效果和壁厚分布較為理想的橋殼。

　　c. 用無縫鋼管液壓脹形做3.5 t汽車橋殼試驗，與仿真結果對比，驗證模擬正確性。

　　2. 技術路線

　　3. 實施方案

　　a. 預成形管坯進行一次、二次縮徑模擬。

　　b. 確定縮頸工藝。

　　c. 一次脹形、二次脹形模擬。

　　d. 確定脹形工藝

　　e. 縮頸、脹形的工藝實驗。分析鋼管脹壓成形工藝過程、成形原理，并通過工藝試驗予以修正與完善。

　　4. 可行性分析

　　a. 理論方面，已經閱讀國內外各種與課題相關的文獻，有一定理論知識，有理論基礎。

　　b. 軟件模擬方面，通過前期準備和學習，現在，已經能夠運用有限元分析軟件ABAQUS進行縮頸、一次脹形、二次脹形，壓制成形的數值模擬。

　　c. 實驗方面，已經和生產廠家建立合作關系，能夠進行相關實驗，為課題研究提供了可行性。

　　(3)課題的創新點

　　研究加載方式對液壓脹形的影響。

　　4、研究基礎

　　(1)前期準備工作

　　a. 理論準備：查閱文獻，學習汽車橋殼及其相關方面的知識;學習金屬塑性成形機理，流動規律，有限元相關知識等。

　　b. 學習軟件：學習UG三維建模軟件，為分析作準備，學習ABAQUS分析軟件，為分析模擬作準備。

　　c. 閱讀文獻：查詢與自己研究課題密切相關的文獻，通過查閱比對，找到自己研究課題實施的方向和目標。

　　(2)研究條件和實驗條件

　　課題組具有完善的研究條件，有必要的計算機和CAD、CAE軟件。與橋殼生產廠家合作，為試驗提供了保障。

　　5、可能遇到的問題及對策

　　(1)研究過程中可能遇到的問題、困難

　　1.理想的成形路徑難以摸索，需要時間和精力大。

　　2.理論與實驗的差距，模擬和實驗結果存在分歧。

　　3.自我知識和經驗的欠缺，對問題的分析和判斷有一定局限和誤差。

　　(2)擬采取的措施

　　1.通過ABAQUS有限元軟件模擬，尋找合理加載路徑和加載方式，選取較為合適的。

　　2.需要對比，分析模擬和實驗結果存在分歧的原因，找出所在，進行修改驗證。

　　3.學習相關理論知識，查閱相關文獻，詢問老師，向同學學習等等彌補相關缺陷。

　　6、進度安排

　　1.學習三維建模軟件UG、CATIA，有限元仿真軟件ANSYS和ABAQUS等。20xx.3-20xx.9

　　2.閱讀文獻 20xx.9-20xx.11

　　3.進行縮徑、脹形仿真模擬，尋找合理加載方式和加載路徑 20xx.11-20xx.3

　　4.到廠實習，完成與課題相關的試驗 20xx.3-20xx.9

　　5.總結以往成果 20xx.9-20xx.12

　　6. 查閱文獻資料，向老師、同學學習，寫畢業論文 2013.1-2013.6

　　7、主要參考文獻

　　1 陳家瑞.汽車構造第二版.機械工業出版社,2001,北京.

　　2 劉唯信.汽車車橋設計.北京,清華大學出版社,2004.

　　3 楊兵,張衛剛,林忠欽等.管件液壓成型技術在汽車制造中的應用研究[J].機械設與研究.2004，20(5):65—67.

　　4 A. Alaswad, A.G. Olabi, K.Y. Benyounis Integration of Finite Element Analysis and Design of Experiments to Analyse the geometrical Factors in Bi-layered Tube Hydro-forming. Materials and Design.

　　5 苑世劍,苑文婧,王小松.變徑管內高壓成形送料區壁厚分布規律.哈爾濱工業大學.材料科學與工程學院.哈爾濱.150001.

　　6 張永,吳利斌,曲輝.內高壓成形技術及主要影響因素的分析.內蒙古農業大學.機電工程學院,呼和浩特.

　　7 苑文婧,王小松,苑世劍.變徑管內高壓成形的厚度分界圓.

　　8 楊兵,張衛剛,林忠欽.一種管件液壓成形加載路徑的設計方法[J].上海交通大學學報, 2006,40(6):8932 897

　　9 吳叢強,楊連發,何玉林,毛獻昌,陳奉軍.加載路徑對液壓脹形管材成形性能的影響. 桂林電子科技大學 機電工程學院.

　　10 王全先,王存源.大螺距螺旋表面零件楔橫軋孔型設計[J].鍛壓技術, 2000 ,25 (3) :39241.

　　11 劉晉平,王寶雨,張康生,等.輥式楔橫軋楔入軋制幾何分析[J].塑性工程學報,2001, 8(1):55258.

　　12 田仲可.薄壁管無模內高壓成形的實驗研究與數值模擬[J].青島科技大學學報,2005,26( 3):242-245.

　　13 李洪洋,苑世劍,王小松,等.軸向補料量對內高壓成形空心三臺階軸影響的實驗研究[J].清華大學學報,2005,45(5):597-600,605.

　　14 Jae-bong Yang, By Ung hee Jeon,Soo2Ik Oh.The tube bending technology of a hydro-forming process for an automotive part[J].2001,111:175～181.

　　15 Kristoffer Trana.Finite element simulation of the tube hydro-forming. process-bending,performing and hydro-forming[J].2002,127 :401～408.

　　16 雷麗萍,陳森燦.汽車后橋殼的液壓脹形工藝及模具設計. 清華大學機械系.

　　17 馬偉眾.汽車橋殼零件制造加工方法.杭州市汽車技工學校.浙江杭州.

　　18 王連東,梁辰等.液壓脹形汽車橋殼成形理論及其試驗研究[J]. 農業機械學報,2003,34(1):124~126,138

　　19 王連東,張濤,等.確定汽車橋殼液壓脹形極限成形系數的初探[J]. 燕山大學學報,2001,25(3):202~208

　　20 崔亞平,王連東,高鵬飛.液壓脹形汽車橋殼的強度分析[J].汽車工程, 2006,28(7) : 692-695

　　21 王連東,程文冬,梁晨,等.汽車橋殼液壓脹形極限成形系數及脹裂判據.機械工程學報.2007,43(5),210~213

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