s型导轨介绍

2024年1月17日发(作者：上汽大众招聘)

摘要

影响车辆的碰撞性能的一个主要的能量吸收构件——侧轨，由于它的形状，让人想起“S”，这也通常被称为一个S形导轨。为提高车辆的抗撞性，在环境压力要求车辆轻量化后，需要更好的理解由两侧的碰撞响应和轻质材料替代的影响参数。

在这项工作中，对S形导轨影响它们的碰撞响应的主要参数和变量进行了辨识，并通过联合实验和数值模拟计划进行评估。尤其是，作为形成性能的铝合金 s 型导轨，对管弯曲和液压胀形制造工艺路线进行了测定。

对于管材弯曲成形，利用碰撞实验进行了检查和评估初始壁厚，强度，几何，弯曲程度对加工硬化的影响，检测两侧的碰撞响应的厚度变化和残余应力。用有限元模型成形过程变量，回弹、 厚度、 应变和力和能量响应的测量实验。

在S-导轨的碰撞响应的相关参数进行了分离和一套设计准则的基础上，建立了以最大化或最小化能量吸收的质量。总体大小是影响 s 轨道的吸能能力的最具影响力的设计参数，接着是初始厚度、 材料强度、 截面几何尺寸、 弯严重性和液压胀形过程，并最终提高弯曲。这项研究所作出的最重要结论是必须考虑形成历史的影响，可以准确地预测 s 轨道的碰撞响应。有其他的结论，对弯管和液压胀形工艺，以及 s 轨道的崩溃响应，这将有助于车辆对具有更好的耐撞性的s 轨道进行设计。

第一章

引言

在汽车行业，设计和制造对轻型车辆来说是一个重大的工程挑战，现在必须考虑铝合金和先进的高强度钢作为低碳钢汽车结构部件潜在的轻质替代品。这样的替代，不得损害结构完整性的成分也不牺牲事故车辆的能量吸收特性。为此，轻型汽车结构碰撞性能对制造过程的影响要更好理解，最终，确保对乘员保护。

车内，通常有沿轴向和/或弯曲破坏模式两个主要类型的能量吸收构件在碰撞。这样的成员往往称为轴向或侧轨（导轨）挤压构造，并在图1所示。轴向挤压件的设计经过连续折叠类型的崩溃（图1.2）吸收大部分冲击能量由于碰撞而孤立的变形车辆的前部或后部的局部区域（前和/或后）的乘员外区。所谓的导轨提供了结构强度，车辆也必须具有良好的能量吸收特性在碰撞事件期间。导轨变形一般是通过弯曲的轴向吸能能力后成分已经疲劳。为了更好地了解全球对车辆碰撞崩溃的反馈，这是第一次分离和调查的两个主要吸能结构的重要组件。研究包括本文研究之间的相互作用与导轨结构碰撞响应的制造。

图1.1：2006克尔维特的框架显示一一片铝导轨采用液压成形正面轴向挤压区位置

图1.2：轴压构件的冲击后

在撞击过程中，一个导轨结构经过一三铰链弯曲模崩溃，如图1.3所示。在导轨铰链位置的最大弯矩发生在局部位置，这是两个弯曲区域和附近的最长的外直段底。通常在车辆中，有许多组件和连接到导轨，在发生碰撞时的能量吸收的

影响。在目前的研究中，对导轨本身的碰撞响应，在力作用下的测量，是主要的焦点和侧向支撑被忽略。一个制造路线制备导轨组件包括弯管的成形。目的本研究旨在了解由铝合金制造的S-导轨碰撞响应参数，焊接管。这里的重点是在管弯曲成形工艺对形成性能的导轨和随后的碰撞响应的影响。

图1.3：崩溃的导轨示意图

汽车制造业是现在开始转变其制造技术结构件对管弯曲成形工艺的影响。在过去，S-导轨一直使用冲压的金属部件焊接在一起，然后制造。随着液压成形技术使封闭截面复杂零件成形的出现，焊接钣金构件制作构件代表劣等手段的使用。当前和今后越来越复杂的形状和尺寸公差要求严格的液压成形部件的附加要求，设置预成形成形加工，如弯管。心轴旋转拉伸弯管是最常见的弯曲工艺，使预成形零件的成形尺寸精度满足要求。一个典型的S形导轨由管坯需要两个或多个弯曲用芯棒旋转拉伸弯管机，加压后，在这之后的预成型件置于液压成形模具传授最终理想的截面形状。

很少有研究对绕弯成形导轨结构和对碰撞性能的影响。这方面的知识，在设计是必要的，特别是在先进的轻质材料，支持采用，如铝合金，进行碰撞条件。研究作为博士论文的部分已分离和鉴定相关的制造参数的管弯曲成形工艺，对导轨结构的碰撞响应的影响。此外，先进的数值模拟技术的开发和利用，以补充实验研究和进一步了解汽车结构碰撞响应。通过这项工作，基础已经到位，桥梁有关制造和碰撞响应之间的相互作用的知识差距，从而更好的为汽车耐撞性设计。

平衡这一章提供了弯管的最先进的审查和评估，液压成形和结构的碰撞研究，其次是在这篇论文中提出的研究现状的介绍。

1.1 弯曲

弯曲过程可分为(i）运动形成，或者（ii）形状的定义工具形成。运动的形成是基于定义的相对运动形成刀具与工件之间，允许各种各样的弯曲轮廓。形成形状定义工具使用的工具和所需的最后部分的几何形状，在卸载回弹后会计，并产生一个高度可重复的产品和加工时间。表1.1 [ 3 ]提供了一个总结这些弯曲过程，进一步分为对外部施加的弯曲力矩和力的性质。弯曲管的最常见的程序是RAM，轧辊，热感应，砂包装和热板形成，和绕弯。这些管材弯曲工艺要求的汽车应用和精度提高一般要求成型工具，引起局部变矩形成。最终，管材弯曲工艺的选择取决于所需的中心线半径，壁厚，弯曲的质量，生产率要求，外径和成本。目前的研究，最常用的弯曲方法用于汽车结构的应用程序，是绕弯。

1.2开卷旋转拉伸弯管

开卷旋转拉伸弯管使用五大工具（图1.4），所有的互动与另一个通过在弯曲的管。该工具是：（i）弯曲模（II）夹蘑；（III）压模（IV）刮模（v）开卷。在启动过程中的弯曲模模具和夹具，模具和压管都是面向彼此平行，显示在图1。模具的刮器是放置在小角度的管轴的，这是通常称为“耙角”。这个角度使摩擦阻力从刮器在协助防止弯曲。该位置的确定是由垂直线的管轴的中心绕弯曲模旋转[ 5,6 ]。防止塌陷的开卷落料管和椭圆管的限制。模具的刮器可能是润滑而弯曲模模具，夹具和模具是减少压力保持在弯曲的干滑剂。刮器的弯曲模和模具夹紧载荷的反应，这有助于防止从开卷的管而塌陷。在弯曲和夹紧模具，然后将同步旋转，弯曲的管周围的模具，在模具的压力应用到开卷轴平行，因此推材料的弯曲区。

图1.4旋转拉伸弯管

当旋转拉伸弯管的讨论过程中，重要的是熟悉在工业常用的术语，在图1.5中提出。当旋转拉伸弯管的讨论过程中。该中心线（CL）的管轴和中性线（NA）是连接到每个连续的参考中心和中性点的横截面的管。该中心的半径（CLR）的地图或”弯头弯曲半径”是指在距离之间的旋转中心和中心线的管。弯曲的程度是条款中描述的比弯曲中心地图对管外直径或半径的OD／OD在公共语言运行库（CLR），是外直径的管。

短形式的符号是在这样的工作是使用R / D比。该线是正切沿着弯曲的线，其中的开始或结束。在弯曲的管壁外，在与内部的弯曲和变厚趋势将对薄膜产生影响。此外，在墙倒塌和走向的中性轴的方法，其中的横截面的椭圆化和移向中心的中性轴的弯曲。开卷旋转拉伸弯管可控和精确的方法，提供了复杂形状的弯曲管，因此它是公共选择数字上弯曲量控制精度高的部分。

图1.5：专业学术术语用来描述弯曲的弯曲管

1.3重大贡献旋转拉伸弯管

1.3.1管的特点和局限性

相关的管弯曲操作主要参数是：（i）该管材料特性；（ii）该管的外直径壁厚；（iii） 墙壁厚度；（iv）在中心地区弯曲半径及（v）弯曲角度。墙壁和弯曲因子这两个关键因素是常用来确定弯曲工艺及模具的可行性选择的因素。华尔因子指的是到该管的直径比外管厚度（A / T），而弯曲的R / D比是弯曲半径的限制（LBR）经常使用的对确定为特定值的华尔因子，弯曲半径的限制取决于在最终的总伸长管的材料和模具的设计。

1.3.2对畸变效应和起皱的细化

对弯曲带开卷管横截面的椭圆化和帮助预防皱纹的弯曲。有很多材料的品种，可用于弯曲，这取决于材料上的R / D比的因子（外直径和壁厚的管壁比），这将进一步讨论在[ 8 ]。指南选择和使用给出了管弯曲模具供应商[ 8 ]。

在管材弯曲起皱现象是由压应力导致在弯曲的内侧达到屈服点，从而瓦解的管壁。皱壁管紧弯曲半径变薄一个更大的问题。弯曲无芯棒可导致屈曲和起皱的管，特别是如果刮模不习惯。传统上，刮模抑制屈曲和起皱的压缩侧（内侧弯曲）

通过防止压缩管壁弯曲在管从屈曲和/或起皱。刮模和管之间的摩擦也阻碍物质流成弯曲的区域，从而降低了压缩应变在里面弯曲。雨刮器模的有效性很大程度上依赖于量的卡力和压模的轴向位移。高提升增加的压缩菌株和起皱的可能性因为更多的材料被推入弯曲。相反，高压模具夹紧载荷增加到雨刷模具界面摩擦，从而进一步延缓物质流和抑制起皱。

杨等人研究了48毫米外径薄壁低碳钢管弯曲在【1】的R / D比管。1.35和1.58采用了旋转式拉弯机。在这项工作中，他们报告说，尽管心轴限制椭圆化和管使用的崩溃，在管壁减薄量较大时采用心轴。在工作中通过嘉兴市[ 13 ]，发现变化从一个实心圆柱心轴心轴与球通过链路连接，改善成形性允许液压无爆裂。保尔森等人[ 12 ]的研究表明，材料的各向异性是一个重要的影响因素对截面畸变当弯曲心轴来说。

与轴相关的另一个现象，称为驼峰，它可以发生在弯曲的外侧。这通常发生在管被压缩在一个球心轴。为了减少这种起皱或驼峰上的弯曲的外侧的外观，研究 [ 11 ]表明，芯棒的位置应调整到心轴座前缘的前方弯曲切点，来提高弯曲半径的增加量。奥利维拉等人的工作[ 5 ]发现，退缩在弯曲过程中“熨平”细纹和皱纹，去除端芯棒在管的外凸块，和较厚的管可以弯曲较大的轴。因为他们不太可能让皱纹沿着弯曲的内部间隙。

1.3.3染色和加工硬化由于弯曲

几个研究人员已经证明，在当地材料的强度或流动应力[ 15,16 ]增加，预应变也增加。因此，一个经历了预应变会有更高的屈服应力后，变形材料比其未变形状态更强。因此，重要的是要考虑和量化前的水平，因为它将影响后续加工的弯曲区域的局部强度性质的材料。由于弯曲操作应变，如液压成形或崩溃。

弯管的局部菌株已被Dyment]和barldelcik等人证明是由弯曲的严重程度在提高弯曲平面。他们发现了弯管的局部应变通过推动和弯曲使较大的R / D比值升高。更具体地，约4-5%的菌株沿着一个预弯管外轴向应变水平增加，应变时弯曲而en-aw5018铝合金2.5的R / D比值和DP600钢管[19,20]。最小的变化，箍株测量和观察更细化的弯曲外较小的R / D比。同样，梅勒[ 11 ]和格力普尔等人【21,22】检查弯曲不锈钢管的范围在4到1.5的R / D比值，和en-aw5018铝合金管在弯曲的分别为R / D = 2.5和2。梅勒[ 11 ]发现，减少在R／D比率导致在轴向多达8%应变的增加，而厚度应变增加至4%株。格力普尔等人[21,22]发现R / D比值下降导致在试验中的拉伸应变的厚度和轴向应变的大小增加了3%。但报告说，在弯曲的外侧，周向应变（应变）并没有明显的变化。类似的变化，应变R／D比率被发现沿着弯曲的内部。

1.3.4 回弹

管材弯曲回弹的弯曲过程是由极其复杂的应力状态引起的，必须获得正确的最后部分的形状。经验的弯曲压应力和拉应力的分别在内侧和外侧。当管从弯曲模具拆除，应力的弹性元件引起的弯曲角度和弯曲半径的减小增加。因此，该管具有可弯折更大的弯曲角度和补偿回弹半径。在一般情况下，回弹和R / D比随壁厚[ 7 ]管增加径向生长。一种更先进的补偿回弹法王已经被开发出来了。而最后的规定的弯曲角度正是抵消使用赔偿制度措施弯矩和弯曲角度的。

经过奥利维拉等人的工作后发现了：2毫米和3.5毫米铝合金en-aw5018弯曲管回弹量在较低水平的提高增加了不显著改变时，弯曲在2.5和2的R / D比值。 当他们进行不锈钢管类似的实验在更大范围的R／D比率：1.5-4.0。他们指出，当弯曲半径（或R / D比值）降低，回弹角减小。

1.3.5润滑和构造

润滑油通常是通过泵轴，其中包含通道，润滑油供给管的内表面[ 8 ]。润滑油以自动化的方式来擦拭模具是一个更具挑战性的的应用；然而，最近已开发具有内置喷嘴的雨刮器模将润滑剂喷向模具表面[ 8 ]。有许多可用的弯曲模具润滑剂和涂层，所有这些都提供弯曲好的摩擦环境；然而，很少有实际发布的信息，讲诉润滑油和涂料专门针对对弯管的应用。此外，很少有特定的现成的润滑性能，如粘度和粘度温度压力参数。

Moue 和 Mellor在进行应变和轴载荷参数研究不锈钢管弯曲过程中使用了润滑油。他们的报告说由于润滑剂的替代和卷筒张力降低40%从而减少了20%厚度。奥利维拉等人[ 24 ]使用各种润滑油的参数来研究镀锌钢和铝的AKDQ

en-aw5018管弯曲。在梅勒[ 11 ]的结果中芯轴载荷和弯曲头扭矩记录作为一个功能的润滑剂显示了类似的趋势。有趣的是，奥利维拉等人[ 24 ]报道，钢的最佳润滑剂对铝样品表现不佳，反之亦然。他们还指出，提取原料在心轴弯曲时是常见的铝管，这种回升可能改变芯棒与管之间的间隙，减少了弯管质量。一定的润滑油能够比别人更好地防止这种积累 [ 24 ]。

1.3.6在弯曲过程变量

已经有一些尝试在绕弯过程中测量过程变量；最早的尝试是由moue 和

Mellor [ 11 ]，他们记录了在弯曲过程中的弯头扭矩和芯棒杆的张力（图1.4）。他们发现，轴载增加约100%，R / D比就从4变化到1.5。 Oliveira、 Dwyer 、

Dyment等人都在滑铁卢大学用一只ept-75完全仪器心轴旋转拉伸弯管监视过程变量弯曲过程。特别是记录在弯曲模、压模的载荷和位移数据。模具装置也已经发现几个非常敏感的过程变量，如润滑条件、弯曲半径、管壁厚度、提高力和材料类型等。应用高镦粗轴向力（通常称为升压[ 6,19,20,25 ]）在将减少管的弯曲模具的扭矩值和起到细化弯曲的效果。

1.3.7升压

在弯曲过程中控制管的厚度和应变水平的有效途径是将拉伸或压缩的轴向力对着管开始变弯部分。该技术通常被称为在纵向方向“刺激”和利用的态轴向压缩应力对弯曲应力。

在弯曲过程中对管施加轴向推进力，有三种类型的刺激条件下，可以执行在一个位移或负载控制方案：（i）摩擦增加；（ii）提高块加载；（iii）独立夹头提高应用，如图1.6所示。摩擦提升是指在轴向方向从压模运动的摩擦力将管弯曲的状态。第二条件是利用额外的推动块夹具连接到压模，将直接连接在管端。最后，独立夹头刺激条件采用一个额外的驱动器，将直接使管后独立于轴向压力

模位移。在第一个条件下，弯曲模具促进轴向压力模位移的比值的中心线半径的点向切向位移（CLR）。弯曲模旋转一角度增压比由下式给出

图1.6.3(a)弯曲时提供升压方法 (2)摩擦刺激 (3)彻升压块独立弹簧推动

刺激，常以百分数表示。因此当条件是当压模速度等于弯曲模的切向速度,提高100%。独立升压的，可以独立于其他的工具，因此将从负载或位移表示。

Moue 和 Mellor是最早的研究者，在研究利用摩擦刺激条件下旋转拉弯成形中起着推动作用。自那时以来，oliveiraet、 Dyment、Stachowicz、bardelcik都表明壁厚减薄和在弯曲的外侧降低了应变，这可能会增加残余的延展性在随后的成型操作中。

1.3.8重大贡献的分析和数值模拟弯管

Normani发现，对管的弯曲应变的分析研究和应力的预测是相当有限的。在绕弯轴向推进力的膜应变的实验中只进行了很少的工作。尽管有这些限制，文献中的数学发展也被证明是能给管的弯曲问题的一个很好的物理的理解，以及如何可以从一个角度运用数学方法解决。

在实践中，对弯曲过程的模拟通常使用所谓的一步法求解，液压成形操作完成之前获得厚度变化和估计应变管内变化。然而，多项调查在这些一步求解预测能力都显示出重大失实的壁厚和株[ 26 ]。在接触算法和计算机处理技术的改进，

显式和隐式有限元技术已经相当成功地使用了各种弯曲过程模拟[ 6,7,17,18,21,25,26,28,29 ]。

芯棒旋转拉伸弯管采用LS-DYNA【30,31】模型，显式动力有限元程序，一些研究人员已经开发并提供的最终形状的预测，在管与实验结果是在良好的协议[ 5,6,17,18,21,26,32,33,34 ]厚度和应变。验证不同措施比较模型相应的实验测试。

1.4液压成形

一个典型的管状液压成形工艺顺序如图1.7a所示。管，这往往是预弯，先放在模具，在模具闭合，端部密封压入管的两端开始加压序列。内部流体压力的增加，迫使材料在变形区内模。在这个过程中，对轴向进给和内部压力的同时进行控制，如图所示，极大的增加了过程的材料的成型轴向力[ 35 ]。非常大的压力（约200 MPa）通常需要形成小圆角半径，在那些地方增加工作的材料和高角半径的壁厚比直到硬化过程结束（R / T）。由于在这以后的阶段有很大的压力，由于大的摩擦力在变形区不可能沿轴向进给额外的材料 [ 36 ]。因此，模具闭合过程中经常被用来作为一个预成型工艺预形管液压成形制备。

图1.7：（A）典型的液压成形过程的顺序；料和行程在液压成形；（B）轴向内部压力变化

液压成形工艺提供了比传统的金属冲压过程的几个优点。结构的主要优点包括：部分固结，减轻重量，提高强度和刚度，由于人数较少的零件被生产使得加工成本低，严格的尺寸公差，低回弹和降低废品。对液压成形工艺的缺点包括周期时间慢，设备成本高和缺乏广泛的知识基础的过程和工具设计[ 36 ]。因此，计算机仿真技术提供了一种重要手段来洞察控制轴向进给和内部压力测序以提高整体效益的过程。

对液压成形过程的重要贡献进行评述，特别是，相对于成形模具的贡献，对润滑和摩擦进行了讨论。“所谓的“低压成形然后提交的研究贡献来检查管弯曲和成形之间的相互作用的综述。

1.4.1对内高压成形工艺重大贡献

一种液压成形工艺的技术审查，从早期到最近的日期是由Koc和Altan给出的，各种主题，如材料，设备，工装，摩擦学，其中一些也被认为是在这里。dohmann和Hartl 提供液压成形工艺的基本原理及其变种的概述。最重要的结论就是，在过去的几十年里，液压成形已进入许多不同的应用。具有可生产形状复杂的零件的技术，已经具有良好的强度。对液压成形技术的主要贡献可归纳为三个主要方面：（一）模具；（ii）加压端给调度；（iii）润滑剂和摩擦。

1.4.1.1刀具和工件的性能

用于液压成形工艺的加工设备包括：上模和下模，下模座，密封端塞，端给致动器，用于打开和关闭模具夹紧缸，缸架调整和反应结束时的轴向力的缸。在液压成形，在许多其他的成型工艺，是模具在制造过程的中心。

Asnafi等人研究了管弯曲，预成形和液压成形后发现正确对齐夹具和模具在液压成形过程中起着重要的作用。他们发现在液压成形过程失稳是由于：（i）空气的工具和部件之间的液压成形；（II）刀具弯曲，适配器和压力表；（iii）工具匹配的另一个新闻比实际使用的；（iv）工具分离；（v）结合以上因素。许多作者已经证明液压成形工艺的元模拟可以在模具和工艺参数优化[42,43,44,45,46,47 ]。

一种液压密封系统可以分为两大类：膨胀和膨胀加厚型密封[ 48 ]。在管扩张的情况下，密封需要承受力封管。当供电要求，密封所能承受的密封力以及摩擦力。科瑞[ 48 ]提出了一些密封的概念和分类的基础上的材料类型：金属或弹性体密封件。

kridli等人采用在一个方形模腔平面应变有限元分析研究影响应变硬化指数，初始的管壁厚度，和凹模圆角半径对角落填充厚度分布在直线液压管成型。得出的结论是，厚度分布的凹模圆角半径和材料的硬化行为的功能。低应变硬化观察到大的变化量（低值）材料。一个高应变硬化指数的管材可无故障形成的一个较小的凹模圆角半径比与低应变硬化指数的材料。

1.4.1.2加压端一加料

该管的内部加压提供膨胀管重塑的力量。大多数工业液压系统使用水和油的乳液来做液压成形流体，这也有助于防止腐蚀[ 7 ]。asnafi等人[ 37 ]发现可以在液压成形的下方扣个小扣以防止模具闭合。这小的压力也有助于高压过程开始之前预形管。Tirosh等人[ 53 ]表明，厚壁管不太可能比薄管扣早。一个管起皱，这是在液压成形过程中遇到的另一个问题，可以通过加大的轴向力引起的，通常可以通过增加扩展过程[ 54 ] 压力在内部消除。破裂或断裂的发生是由于

过度的壁变薄，由于它流过的模具或材料的极限抗拉强度超过由过高的内部压力[ 54 ]的扩张过程。采用有限元技术模拟成形过程表明，显性和隐性的技术模型的过程；然而，元件的负荷保持正常[ 55 ]来模拟流体的压力是很重要的。内部的压力，通常规定为一个压力与时间的函数，这会导致稳定性问题；然而，这些可以通过使用率的体积随时间的变化来消除功能[ 36 ]。

液压成形技术的一个主要问题是随着时间的推移，轴端的进给路径作为一个功能的加压。有一个工作的“窗口”，如图1.8 [ 56 ]所示，在其中可以形成理想的部分，避免起皱：（i）由于过多的加料；（ii）由于太小端进料导致过度变薄（导致破裂）。运行“Windows”来预测和优化此类故障，即使通过起皱或简单的模型，因为它们使早期的工艺优化。最大的轴在液压成形工艺的开始崩溃的风险最大。

图1.8：高压成形的工作范围。

在成形结束时，加料是对力或行程控制；需要成形性的关系来选择和优化所需的加载路径。麦克唐纳德等人采用有限元法研究凸起交叉一点部件的形成，发现液压成形端加料能使减少减薄、材料成形性能显著提高。asnafi等人[ 57 ]发现，壁变薄，自由成形可以被最小化时，加载路径在单轴发生拉伸和纯剪切。加载路径的确定通常是通过做实验；然而，对于优化仿真工具的使用出现了一些有前途的发展。abedrabbo等人使用优化软件，注意，结合LS-DYNA通过识别内部压力和进给速度，满足了成形极限图的最大管的成形性。

1.4.1.3润滑与摩擦

从造型上看明白在液压成形中润滑是一个重要的考虑因素。良好的润滑条件允许管到达其最终所需的膨胀和形状的模具中，而润滑不良结果往往由于过度的局部减薄[ 37,59,60,61」发生过早失效。影响管件液压成形摩擦阻力的主要参数是润滑油本身，管材料（表面粗糙度和屈服强度），内部压力与模具表面（表面光洁度，硬化，涂料）。

一个用于测量摩擦，适用于液压成形技术和管弯曲的应用是所谓的压扭试验（TCT）[ 62 ]。本试验要考虑大界面的压力和滑动距离。vollertsen和plancak

[ 63 ]讨论确定的模具与工件之间的摩擦系数（COF）的一种替代方法，这种方法是基于镦管测量滑动摩擦的。

1.4.2低压工艺

所谓“低压”成形过程分为两个阶段：（一）低压模具闭合；（二）更高的压力角扩展。这一过程的独特的方面是，模腔的横截面的周长大小在过程的开始是靠近管的周长；因此，管不适合模具。低压模具闭合时，管内压力低的压力使得流体填充管被支撑在内部以防止崩溃，如图1.9所示[ 64 ]。管经过变形因为它是被迫流入模具角部区域没有伸展或周边膨胀充满模腔。拐角半径的弯曲变形模式的管壁形成，而在传统的或“高压”成形的变形方式是拉伸和需要在管周长增加充填模腔。低压模具闭合后，第二高压力的阶段，在管内压力的增加，确保管完全充满模腔的角落。作为一个低周应变结果和减少工作过程中的材料硬化，这个阶段的压力通常比在高压法低得多，一般小于83mpa [ 64 ]。低压过程因有管很少或没有膨胀通常不需要端送达到最终所需的形状。这个过程的另一个优点是较低的压力下产生较低的摩擦条件，管沿模具表面更容易滑到角落区域；从而减少变薄，导致更均匀的壁厚。由此产生的管壁厚度只有3 5%低压成形一变化，比使用高压成形减少15-20%的厚度[ 65 ]。

图1.9：在低段，高多压成形，与（右）和没有（左）水压力；和（b），低压力高和序列比较，多压成形。

低压液压成形过程也被称为“压力顺序”液压成形，是在1980-1990s [ 66 ]开发的。在低压法文学是一个相对较新的技术，很少有学者去研究。

Hwang等人的工作[ 67 ]，是为数不多的去研究中低压液压成形。他们用有限元法探讨循环塑性流动模式，这是液压胀管（即高压法），在管压成矩形截面，然后扩大使用低压工艺。仿真结果的厚度分布，夹紧力，和形成的压力比较高、低压过程[ 67 ]之间。他们发现：

? 低压工艺最大成形所需的压力只有通过高压处理所需要的压力的5%

? 在低压法最大破碎力需要在高压过程7%左右夹紧力（需保持两模部分一起）。

? 由低压法得到的成型产品的厚度分布比通过高压膨胀过程更均匀。

1.4.3管弯曲成形之间的相互作用

在复杂形状零件成形中，工件通常必须预先形成插入成型模具。这样的一个预成形操作是使用旋转弯曲管来弯曲。显然，该预成形术确定最终的液压成形的成形性对延性的影响是重要的一部分。asnafi等人[ 37 ]表明，各种弯管的方法产生最好的成型性能是在 aa6063-t4铝合金挤压管的一个车身的侧梁。

预弯曲操作影响厚度、管中的应力、应变分布，从而改变材料的预成型能力。所有这些研究可以证明需要考虑预弯在随后预成型效应，在发展液压成形过程的数值模型。为简单起见，只有一些更有趣的发现是在这里。杨等人[ 4 ]表明，在旋转拉伸弯管芯棒的使用中提供了液压成形过程中的弯曲管最有利的性质。嘉兴市后来发现一杆球弯管导致膨胀增加爆成形。他还指出，材料数据从拉伸试样切管样品而不是表属性中应使用弯管和液压成形模拟。一些研究人员发现旋转弯曲与刺激可以减少加工硬化和部分的弯曲区域的细化，有利于后续的内高压成形。它也表明，在经历液压成形弯曲应变路径不同，这在应变路径的变化是影响了故障的发生。因此，由于进程间的应变路径变化大，使用基于应变成形极限图可能不合适。基于应力的成形极限判据可能是比传统的成形极限曲线的更好的方法，这是由斯托顿提出的。

文献还建立了液压成形过程的有限元模拟，可以很好的预测最终的几何形状。此外，通过格力普尔等人开发的数值模型。Lei 和 Kim等人考虑韧性断裂准则，能够准确地预测液压成形过程中的故障定位，由于预弯曲损伤，这被证明是对轨道，包含相关的应力，厚度的变化。

1.5碰撞响应

在汽车行业，了解并可靠地预测碰撞响应，是为乘客设计安全车辆至关重要的能力。在过去，分析方法和实验在很大程度上依赖于设计工程师预测结构的碰撞性能。随着计算机容量提升，有限元法等数值方法已成为优化碰撞响应和降低设计成本功能强大的设计工具，特别是对汽车减重方面。

能量吸收器，如缓冲和碰撞是在发生在前框和后框的车辆结构，是用于保护

在运输和结构的影响。本文在能量吸收器吸收的动能都可以发生在一个汽车低速碰撞中，为了吸收所有的能量，碰撞的高速粉碎激活了更大的结构的一部分。

在发生碰撞时，结构部件很少会受到一个纯粹的轴向冲击或弯曲，而是两者的结合模式。在这里，对弯曲崩溃的薄壁挤压管进行了综述，重点放在导轨结构。该导轨通常有一个S形避免与其他汽车干扰部件，如发动机，油箱，车轮，和如图1所示。这些成员在汽车碰撞的碰撞能量吸收[ 73 ]中发挥关键作用。

1.5.1了解崩溃的S-导轨弯曲模式的重大贡献

1.5.1.1弯曲的一段

通过理论分析和实验凯奇曼研究薄单轴弯曲薄壁矩形和方形截面管 [ 74 ]。极限分析法采用一套有关铰链力矩的公式和旋转相关的角度，推导出预测的铰链力矩的旋转曲线和单轴弯曲过程中的吸收能量值。类似的技术被阿布拉莫维奇独立开发。限制一个薄壁管可以由截面受压壁局部屈曲带来。这种屈曲可能会或可能不会伴随着塑性变形，这取决于厚度比和材料性能[ 76 ]。屈曲薄壁管的行为涉及在倒塌的铰链机构局部折叠和滚动的墙体材料中的“产量”系。布朗和蒂德伯里[ 77 ]扩展这项工作并检查薄壁方形和矩形截面梁双向弯曲的崩溃。由于其研究的范围有限，只有狭窄的结论：（一）失效对于部分位点靠近或部分全塑性区域内，是彼此相似的；（二）部分出现服从正态性的条件失效

Chen 和Wierzbicki研究了方形和矩形截面柱的解析和数值的扭转崩溃。十字架的进化—截面形状如图1所示。三阶段是基于连续变形破坏行为的物理理解：（一）前屈曲；（二）后屈曲；（三）坍塌。他们发现，在实际应用中很少单独行动，扭转它通常结合了压缩或弯曲。

图1.10：演化形态的薄壁柱下有方形扭转负荷

[72] 审查 AA6060 T4 铝方形截面型材斜向载荷下，通过拟静力试验和仿真的碰撞响应。斜向载荷作用下的挤压达到初始峰值负载时的第一叶形成。然后在此基础上，崩溃模式切换到球弯曲，没有产生额外的裂片，加

雷耶斯等人

载情况下斜向载荷角低于 5 度，这是接近轴向荷载情况。分别观察窗体在此条件下一个和两个裂片 ，因此，变形模式取决于负载角和厚度。力与位移使用显式动态建模技术的预测低估了力与位移响应，从而导致平均负荷预测该软化区域显得保守。能量吸收急剧下降负荷大于 5 度的角度，进一步增加负荷角度 （大于 15 度），吸收能量变化不明显。其中吸收能量的最主要的参数是厚度，与日益增加的负载角变得更加明显。长度的影响也是相当重要的，但其独立于负载角。速度已经不会影响平均负载时的弯曲。

有必要对良好的耐撞性设计在构件中激活的实际崩溃模式进行预测。管道成员经常被设计在整个破碎过程逐步崩溃。它是估计安全系数反对全球崩溃模式，否则会导致大变形发生和潜在灾难性后果。Abramowicz 和Jons 等人 通过检查从初始球弯曲到渐进屈曲的管在轴向加载静态和动态图 1.11 [80] 中所示的过渡来解决这一问题。对于给定的横截面，作为长度的列的增加 ；从逐步当地折叠到全球屈曲变形模式的更改。

图 1.11： 静态崩溃温和钢方形柱的模式比率增加从左到右。（L 是列的长度，C 是方柱的侧脸的宽度）。

1.5.1.2 S型轨道的 崩溃

在挤压或焊接的钣金圆柱零件上进行了大多数 s 轨道上的研究。在铝轨的

研究更是如此，在文献中一直没有一项研究发现入缝焊和成形铝合金管，碰撞响应这是本文的研究重点。

Chung等人通过仿真和实验研究了铝汽车-网架在正面碰撞障碍测试碰撞性能。s 轨道组件框架吸收了 25%的总能量 ；而保险杠吸收约 15%，从中他们的结论是 s 轨道组件的汽车结构耐撞性中发挥重要的作用。

Ni 用一种基于集中质量模型的数值方法来探讨钢和 AA6061 T6 方形截面的轨道在高速冲击下的冲击响应。力与位移响应的理论分析与实验结果表明，抗倒塌后钢轨初始褶皱大幅下降。这一下降的原因可能会被认为是由于： (i) s 轨后崩溃，导致了截面为处于张力，从而增加弯矩但减弱了轴向力 ； 以前压缩的纤维曲率的变化； (ii)本地横断面崩溃，大大减少了结构的刚度折弯区。 Ni 忽视了工程近似的解析分析截面变化的影响。这样做是因为有一个内在的困难，在当地的分段折叠到框架的球变形的有关参数。Ni 发现，不考虑截面变化的影响，可能导致过度预测压服力。随着计算效率进步，系统将很容易考虑使用 单元技术 [5,73,83,84] 来计算截面形状变化影响S轨道的冲击响应。

Reid [85] 审查了厚度和材料在事故条件下的钢轨的敏感性。碰撞响应的一般设计指南建议，如下所示： 厚度每 10%的变化，在一个破碎的 s 轨道的能量吸收能力大约产生 14%的变化，而在材料强度有每次 10%更改，能量吸收为大约 7%的变化。

Nishimura等人审查二维和三维点焊的 s 型导轨，并证明了在预测动态冲击响应的数值模拟的准确性。产生的力-挠度响应包括其后力逐渐减少到初始峰值负载。试验结果还表明铁路沿线的附加的质量可以改变变形模式，和厚度的增加可以提高峰值负载。

Kim和Wierzbicki通过薄壁矩形截面三维的 s 轨道在以往的工作 的破碎行为考查了受到复杂荷载情况下的应用技术。直到此时，才解析了纵向和横向的三维的 s 轨道，相关联存在的主要困难，主要在对 s 轨道的轴向力、 弯曲和扭转。因此，关于这一问题发表的作品大部分是试验或数值 [87,88,89]。

1.5.1.3 加固S型轨道

为了在 s 轨道车辆结构中实现更高的能量吸收效率，引入结构轻质金属填料的概念大大增强能量吸收能力 [90,91,92,93,94,95,96]。低密度蜂窝铝板或泡沫通常是比铝固体轻 5-20%，然而， 使用的填充材料的高成本目前限制了其在汽车行业的运用；尽管如此，仍然有大量的运用在这一领域。Samosa等人 研究了用泡沫填充上弯曲的抗压性的薄壁梁，通过准静态的三个点弯曲仿真来测出对实验结果的影响。kin和 Wierzbicki研究 帽型截面的截面形状对钢轨的抗挤压性的影响的[73]。3 兆帕铝泡沫与泡沫充填的概念应用于 s 轨道和特定的能量吸收增加了 2.84 倍。通过仿真，他们还发现当内部的加强肋沿对角线方向定位时， s 轨道比典型双单元配置可以吸收了至多 200%能量。

1.5.2 相互作用形成的历史和 S 轨道的碰撞响应

通过弯管和胀形制造审查s 型导轨的形成与崩溃之间的相互作用。在文献

中只有有限的实验和数值模拟认为对随后的崩溃响应构件成形造成影响。Dutton

等人通过模拟钢纵梁的破碎行为的影响研究了成型的史实，如细化、 应变和应力。由于形成的细化和残余应力的影响被隔离开，以确定对粉碎响应的影响。考虑厚度变化和残余应力形成的操作没有显著影响粉碎s 轨道的距离 。因为距离减少了 45%的基准线案件，弯曲和预成形操作的塑性应变有显著影响破碎的响应。Oliveira 等人发现工作硬化和弯曲过程中，系统崩溃事件模型中材料的厚度变化增加了25-30%和 18%的撕裂能量峰值。

利用有限元技术，考夫曼等人 [102] 还发现了在崩溃期间的 s 轨道的成形效果，以及不同的力与变形响应。此外，在模拟中铝合金管的应变速率敏感性被经常忽视了，还有证据表明，这种材料是应变率敏感是很高的应变率 [82,103,104]。

1.6总结

上述相关换热器管弯曲成形，以及结构的碰撞响应的文字审查表明，若干领域需要进一步开展工作。利用挤压管进行了大部分的形成和崩溃的研究。有必要进一步调查焊缝焊接铝合金管材弯曲，液压胀形和崩溃，这种研究在汽车行业内的产品收益更大。有大量的旋转拉伸管弯曲的钢管 ； 然而，对于铝合金，只有少数液压成型的研究。这些研究大部分审查了高压液压成形工艺和弯曲参数对低压过程的作用。管在高压液压胀形过程中对拉深成形性管弯曲成形过程的影响已被证明是非常显著的。尤其是，对于给定的合金的液压成型，细化、 加工硬化和应变路径等所有剧烈变化发挥着重要作用。还有，缺乏的研究主要集中于低压液压胀形过程本身，即包括本论文的工作目标之一。

根据对耐撞性设计所需的成形的影响所作的实验调查，生活中没有任何旋转拉伸弯曲和崩溃的反应的 s 型导轨可以提供相关信息。数值模拟技术已被用来调查对碰撞响应的冲压结构的形成；虽然这些研究在某些方面提供了一些见解，单因为他们是有限的模型，进行了实验永远不会被验证。没有关于孤立的液压胀形对 s 轨道结构的碰撞响应的影响的出版物。因此，本文介绍研究的主要目的是确定铝合金管材等弯管与对碰撞响应的锻焊焊缝，成形之间的相互作用，确定治理 s 轨道结构的碰撞响应的参数。

要达到这项研究的目标，对被认为可能支配 s 轨道的碰撞响应的参数数目的作用进行了大的参数研究。审查的材料和管的库存参数包括：

? 管厚度 ；

? 钢管的强度 （合金） ；

而成形的工艺参数包括：

? 弯曲程度和提高 ；

? 内高压成形过程 （与高压低压） ；

? 作为成形的轨道截面。

对这些管和材料的参数，以及成形的工艺参数，利用实验进行了数值模拟。并不是所有的参数可以直接在弯管机和夹紧液压胀形压力机，以及可用性 （和

成本） 的模具检验许多不同的 s 轨道的几何量实验中解决。第 2 章中，对作为此参数的研究的一部分概述进行的实验方案进行了详细的说明。数值模拟方案，在第 3 章中，用进一步检查的参数进行了实验研究，其中有允许模型的验证和进一步洞察碰撞响应的影响。另外，数值模型用于研究内高压成形过程的性质和刺激的影响（ 低 — — 与高压），以及额外的变量会影响 s 钢轨断面和几何形状等的碰撞响应。第 4 章数值模拟的结果支持第 5 章数值模拟最后的结果。第 6 章中介绍了超越实验范围内的 s 轨道坠毁场景的模拟结果。第 7 章中彻底讨论关于 s 轨道和初步设计准则优化碰撞响应的碰撞响应的参数。最后，在第 8 章介绍了这项工作结论和建议。