[发明专利]一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法

说明书

本发明属于热旋压收口技术领域，具体涉及一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法，首先简化三维热力耦合有限元模型，并对有限元模型材料的属性赋值，旋轮的运动轨迹采用精确点坐标控制的方式，采用三维热力耦合模型进行热旋压收口过程计算，并根据温度计算值与实际值的差值对管坯的内外表面换热系数进行优化，从而得到最佳的热旋压收口三维热力耦合有限元模型，根据得到的有限元模型模拟热旋压收口的加工过程，将模拟加工过程所用的加工参数用于实际数控加工过程。本发明方法不仅能获取准确可靠的热旋压收口工艺参数，降低企业实际研发费用和时间成本，而且能够快速确定新产品的热旋压收口加工参数，克服现有有限元模型分析效率和精度低的问题。

技术领域

本发明属于热旋压收口技术领域，具体涉及一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法。

背景技术

近些年，热旋压收口技术已被广泛应用于航空航天储氧气瓶、氢燃料电池汽车的高压储氢容器及压缩天然气(简称CNG)气瓶。热旋压收口成形在变形特性上是一个非常复杂的过程，同时全球制造业对热旋压收口成形的技术要求也越来越高。因此，研究热旋压收口技术具有很好的发展前景。

对于热旋压收口加工参数的制定一直是一个比较困难的课题，控制不当会产生裂纹、鼓包、喇叭口等缺陷。航空航天储氧气瓶利用数控旋压机床进行热旋压加工时，旋轮复杂的运动轨迹和管坯厚度方向应力、应变和温度场分布不均匀是工艺控制不当的主要原因，因此需要反复试验和测量后利用大量的数据进行评估，但是在实际旋压数控机上进行试验的成本及危险性都比较高。

公开号为CN112836414A的专利说明书中公开了一种基于有限元模拟的TC4筒形件无芯模收口旋压的方法，采用斜线拉锥旋压轨迹进行TC4钛合金筒形件的收口旋压，使收口段的厚度能够分布较为均匀，提高无芯模收口旋压件的成型质量，实验中旋压件的外轮廓为光滑的弧线，旋轮的运动轨迹为弧线，该技术方案中有限元计算结果的旋压件外轮廓存在明显的曲折，旋压件的外形几何精度较差；其次，该发明忽略了工件、芯棒和旋轮之间复杂的热效应，实际旋压过程中，温度的分布对应力应变的分布影响较大；同时管坯的内外表面存在温差，不考虑热边界条件会造成热旋压收口有限元分析的精度较低，进而影响管坯温度场和应力应变场的计算。

公开号为CN103514325B的专利说明书中公开了一种轮辐三旋轮错距强力旋压工艺的有限元数值模拟方法，通过建立正确的有限元模型，分析旋压成形过程中轮辐厚度、应力、应变的分布和变化情况，能够及时发现轮辐成形过程中存在的成形质量问题，获得工艺参数和模具设计参数对轮辐产品的质量影响规律，该技术方案没有设置旋轮的转动惯量，无法释放旋轮平面与坯料平行面的转动约束，从而在加工过程中旋轮会因为与坯料接触而无法产生自转，坯料与旋轮的接触时产生更多的切向力，这和实际的旋压过程是不符的；其次，该技术方案的材料属性用一条应力应变曲线定义。在旋压加工中，由于软化、硬化效应和应变率强化效应三者的同时出现，会使得该过程变为极为复杂的非线性过程，仅用一条应力应变曲线不能反应材料在大应变、高应变速率情况下流动应力的变化。

如上示例的现有技术方案中，一种方案是利用已有的产品工艺参数进行预试验，但是都存在新开发品种与预设品种不对应导致研发效率低的问题；另一种方案是针对现有设备建立有限元模型，仿真计算热旋压收口过程中的温度分布和应力应变变化，但是都没对复杂边界条件处理、材料本构关系、换热系数处理、旋轮运动轨迹等关键技术给出比较全面的方案，忽略了工件、芯棒和旋轮之间复杂的热效应，造成热旋压收口有限元分析的效率和精度较低，进而影响了管坯温度场和应力应变场的计算。

发明内容

本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法，包括：

步骤1：建立由数控旋压机床上的旋轮和气瓶管坯组成的三维热力耦合有限元模型；