管材激光弯曲成形有限元工艺仿真及其机理研究

管材激光弯曲成形是一种柔性金属塑性成形方法,将连续的激光光斑简化为一间歇跳跃的方形面热源,并且考虑材料性能参数与温度的相关性,建立了管材激光弯曲成形的热-机耦合有限元工艺仿真模型。有限元仿真结果表明:同板料的激光弯曲成形一样,对应于加热和冷却阶段,管材的激光弯曲成形也分别经历反向弯曲和正向弯曲两个变形阶段,管材激光弯曲成形的内在机理是典型的温度梯度机理。     

材料性能参数与板料激光弯曲成形角度的相关性研究

板料激光弯曲成形是一种柔性、无模成形新工艺，它通过激光扫描金属板料所导致的非均匀热应力使板料产生塑性变形。材料的性能参数(包括力学性能与热物理性能)对激光弯曲成形的影响很大，通过三维热机耦合有限元仿真研究了材料性能参数与板料激光弯曲角度之间的相关性，研究表明，小弹性模量、低屈服强度的材料容易产生大的弯曲变形。热膨胀系数与弯曲角度之间成正比关系，当热膨胀系数趋于零时，弯曲角度也趋于零。小的热传导系数有利于形成大的温度梯度，从而使板料产生大的弯曲变形；比热越小，加热区内材料的温升越大，使板料容易弯曲变形。     

管材激光弯曲成形有限元工艺仿真的技术处理研究

研究了管材激光弯曲成形有限元工艺仿真的技术处理方法 ,针对仿真中单元的选取与处理、激光光束的简化和热载荷的施加、材料吸收系数的选择、边界条件与初始条件的确定、材料性能参数的处理、仿真中时间步长的选取等 ,提出了具体的处理措施和相关技巧 ,从而保证了管材激光弯曲成形有限元工艺仿真的实施     

材料性能参数对板料激光弯曲成形的影响

板料激光变曲成形是通过激光扫描金属板料所导致的非均匀热应力使板料产生塑性变形,材料的性能参数（包括材料的力学性能与热物理性能）对激光弯曲成形的影响很大。本文在实验的基础上,建立了符合实际的三维热机耦合有限元分析模型,对板料激光弯曲成形过程进行了数值仿真,研究了材料性能参数,如弹性模量、屈服强度、热膨胀系数、比热及热传导系数等对成形的影响规律。     

层合板激光往复扫描弯曲中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响层合板激光弯曲成形精度的重要因素,因此研究激光往复扫描过程中的翘曲变形具有重要的实际意义。文中使用ANSYS软件,建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型,通过模拟激光作用下层合板的温度场、应力场分布,结合自由端的变形,分析了单道往复式扫描翘曲变形机理。模拟结果表明:随着往复扫描次数的增加,温度场扫描线两端区域温度交替波动升高使两端热量均衡,中间区域热累积现象使热应力增大。每次激光扫描后,激光作用区板材下表面的残余应力场对下次扫描时的翘曲变形都有一定促进作用,使翘曲变形增大,1~6次扫描后弦高从0.217 mm增大到0.363 mm,但随着扫描次数增加,促进作用减弱,弦高增长量略降低,最大值为0.058 mm。对比实验数据和模拟结果,温度场最大误差为9.85%,翘曲线Z向位移最大误差为4.33%,其中,弦高误差为2.16%,为层合板激光弯曲成形的精确控制提供了计算依据。     

激光弯曲成形数值模拟的研究进展

激光弯曲技术是最近十几年迅速发展起来的新型成形技术.它的基本原理可以归纳为:高能激光束扫描工件产生温度梯度极大的不均匀温度场,由此诱发的局部热应力超过了随温度变化的屈服应力,导致压缩塑性变形使得板料弯曲变形.通过调整激光工艺参数和扫描轨迹可以精确控制板料成形.数值模拟方法是目前解决问题的最佳手段.本文概要介绍了最近几年来有关激光弯曲成形的数学物理模型,并从激光热源模型、移动热源的模拟、边界条件的处理以及材料物性参数的处理等方面叙述了激光弯曲成形数值模拟的研究进展.文章最后对这一领域今后的发展提出了自己的看法.主要是建立真三维复杂曲面成形的数学物理模型,以及如何将多道扫描和曲线扫描数学化.(OE32)     

微尺度激光弯曲成形数值模拟与实验研究

建立了厚度为0.1mm的不锈钢钢箔激光弯曲成形的三维热力耦合有限元模型,并采用有限元软件MSC.Marc模拟计算得到了箔材弯曲变形过程中的温度场、变形场与应力应变场。分析了应力、温度、变形三者之间的内在关系,阐述了激光弯曲成形的温度梯度机制(TGM)。建立了微尺度激光弯曲成形的实验装置,验证了有限元模型(FEM)的可靠性,模拟计算结果与实验结果吻合较好。通过实验分析了激光功率、扫描速度以及激光扫描次数等工艺参数对激光弯曲角度的影响规律,并对影响原因进行了初步分析,为进一步对微尺度激光弯曲成形机制及工艺的研究打下了基础。     

激光弯曲成形设备及其闭环成形过程

在激光弯曲成形基本工艺的基础上,分析了成形加工设备的基本特点和具体要求.提出多功能激光成形机的概念,实现了激光弯曲成形与激光切割或激光焊接的有机复合,并研究了激光成形机上的闭环成形过程,不仅可实现激光弯曲精密成形,而且可实现成形过程的智能化.     

金属复合板激光弯曲过程中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验,建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型,对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布,结合自由端的变形,分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明:激光扫描过程中,受初始温度及边界效应的影响,扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后,扫描线中间区域出现热累积现象,热应力增大,产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知,板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力,其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果,翘曲线最大误差为3.90%,其中,弦高误差为3.33%,为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。     

板料激光弯曲成形角度的解析研究

采用解析方法建立了板料激光弯曲角度的解析表达式,其包含了能量(光束功率、吸收系数、扫描速度、光斑直径)、几何(板料厚度)和材料性能参数(热膨胀系数、热传导系数、比热、密度、弹性模量、屈服强度)等因素。实验验证表明,其具有较高的准确度。得到了激光弯曲成形时能量密度应满足的临界条件,可较准确地预测板料产生弯曲变形所需的最小能量密度。     

金属板材激光弯曲成形规律的研究

用大变形弹塑性有限元法对金属板材柔性成形新工艺——激光弯曲进行了动态数值模拟。论证了板料的几何参数和工艺参数与变形的相互关系。模拟结果与试验吻合较好。     

激光微弯曲成形机理的数值研究

利用自行研制的含热传导、冲击动力学大、变形有限元程序 ,模拟了小尺寸梁在脉冲激光加热条件下的变形过程。在此基础上 ,利用商用程序模拟了冷却及残余应力的产生 ,研究了激光参数 (强度及分布 )等对于微弯曲的影响。数值模拟结果与文献中的实验观察相吻合     

扫描次数对板料激光弯曲成形影响的实验研究

实验研究了扫描次数对板料激光弯曲成形的影响。结果表明：扫描次数与弯曲角度间吴近似的线性关系；在相同的工艺参数、扫描次数下，板料越薄，弯曲角度越大。在重复扫描时，应严格控制加热区的温度，以使加热区材料获得良好的组织与性能。     

板材激光加热弯曲成型实验研究

建立了板材激光加热弯曲成型的温度场模型，利用有限元分析软件Ansys编制了分析激光沿直线扫描板材的仿真软件，并进行了实验研究。研究结果表明，当其它参数不变的情况下，弯曲角度随着板厚的增加逐渐减少；随着板宽增加而增加；随着激光功率增加先增加后减少；随着光斑直径增大而减小；随着扫描速度的增加先增大后减小；板厚或激光扫描速度较大时，板材将发生背向激光束方向的弯曲。最后对板材的激光加热弯曲变形规律从理论上作了进一步的分析。     

外载荷对激光弯曲成形影响的数值研究

为了研究外载荷对板材激光弯曲成形的影响,建立三种数值模拟工况:无外载荷作用下的激光弯曲成形、外载荷协同作用下的激光弯曲成形和外载荷作用后的激光弯曲成形,并采用顺序热应力耦合分析技术进行数值模拟。首先对板材模型进行传热分析获得瞬态温度场,然后将其导入三种模拟工况进行位移场的准静态分析。结果表明:施加朝向激光束工作面的弯矩能够有效提高板材的弯曲程度,其中外载荷作用后的模拟工况提高的效果最为显著;施加背向激光束工作面的弯矩会使板材发生反向弯曲,并在激光束终点的位置产生位移场的边界效应。     

扫描次数对钢板激光弯曲成形影响的模拟

研究了6 mm和9 mm两种厚度的钢板在不同激光工艺参数下扫描次数对激光弯曲成形过程的影响.利用三维热力耦合有限元(FEM)模型模拟计算了激光多次扫描弯曲成形过程的温度场、应力场和弯曲角度的变化.测忖量了成形过程中温度和弯曲角度的变化,模拟结果与实验结果符合较好.模拟结果表明,每次扫描过程中温度场变化基本相同,残余应力和钢板弯曲角度随激光扫描次数的增加而增大.随着扫描次数的增加,6 mm厚钢板的弯曲角度增量减小,而9 mm厚钢板的弯曲角度呈线性增大.激光工艺参数影响钢板下表面的应变强化程度,在不同的激光工艺参数下不同厚度钢板的弯曲角度随扫描次数的增加变化规律不同.     

预约束应力作用下的激光弯曲成形仿真工艺研究

提出了一种预约束应力作用下的激光弯曲成形新工艺 ,研究了不同的加载模型 ,通过施加预载荷 ,使板料加热区材料产生期望的预应力分布。针对激光弯曲成形的特点 ,建立了三维热力耦合模型 ,采用有限元方法实现了预约束应力作用下的激光弯曲成形工艺过程仿真。分析了在预载荷作用下 ,板料的激光弯曲成形机理。研究表明 ,该工艺不仅可大大提高板料的弯曲成形效果 ,而且只要合理控制预载荷的方向和大小 ,即可控制激光弯曲成形的变形方向。板料弯曲角度随预载荷的增加而显著增大 ,两者呈指数关系     

管材激光弯曲规律的试验研究

通过实验研究管状件激光弯曲成形的机理以及成型规律。金属管状零件的激光弯曲成形是一种利用激光加热来实现构件的柔性成形技术,其基本原理是利用高能激光束扫描金属管表面,加热区域材料的热膨胀引起材料产生堆积,冷却后,该区域材料沿轴向上的缩短,导致了金属管朝向激光束的弯曲从而最终实现无模具成形。影响金属管状零件激光弯曲成形的工艺参数主要有激光功率、扫描角度、扫描次数、光斑直径和扫描速度。通过实验研究了工艺参数对弯曲角度的影响。在一定取值范围内,增大激光功率,增大扫描角度,增加扫描次数,降低扫描速度均可以使弯曲角度变大;增大光斑直径,弯曲角度会变小。     

基于Taguchi的铜合金薄板脉冲激光弯曲成形工艺研究

为研究铜合金薄板的脉冲激光弯曲成形工艺,基于Taguchi方法对单道单次扫描成形V形件的工艺进行了正交试验设计。以弯曲角为响应目标,以望大特性的信噪比评估弯曲角的品质特性,得到了最佳工艺参数组合:激光功率P为24 W,扫描速率v为500 mm/min,离焦量L为4 mm,实验测得弯曲角为1.362°。在成形V形件的实验基础上采用多道多次扫描方式进行了预定曲率半径的圆弧曲面成形实验。依据扫描次数与弯曲角之间的关系规划了扫描路径和扫描次数,实验结果与预设目标有较好的一致性;半路径扫描比全路径扫描更能得到理想的变形效果和表面质量。实验中发现,因铜合金薄板热传导率高、厚度小,激光扫描时上下表面的温度梯度不太明显,成形机理以屈曲机理为主。     

激光能量密度对激光弯曲成形的影响

激光弯曲成形是一种热应力成形塑性加工技术.光斑的能量密度的大小对弯曲角度和材料的组织性能影响很大.增加能量密度,板料的弯曲角度显著增大.对于一种材料,总存在一组特定的工艺参数(光束输出功率、扫描速度、光斑大小等)使板料的弯曲角度最大.而且通过合理控制光斑的能量密度,可以显著改善变形区材料的组织和性能.