國標碳鋼三通管材脹形技術是一種減重、節材、節能、具有廣泛應用前景的空心輕體結構件的新型制造技術。管是非軸對稱件，其成形過程非常復雜，影響成形質量的因素眾多。在T型三通管軸壓脹形成形過程中，內壓力和左右兩端軸向進給的合理匹配是成形技術的關鍵。為了能保證成形質量和避免成形缺陷(起皺和破裂)的產生，就必須對T型三通管軸壓脹形的加載軌跡進行優化。
本文基于ABAQUS軟件，針對材料模型、網格劃分和邊界條件的設置等參數的選擇分別進行了討論，并建立了有限元模型，分析了國標三通成形件的壁厚分布規律與應力應變狀態，研究了成形工藝參數(內壓力P與軸向進給量S)和上沖頭的初始位置對支管成形高度和壁厚分布的影響。結果表明：在進給量不變的情況下，支管的有效高度和壁厚差隨著內壓力的增大而增大，但支管的高度增高不明顯，支管頂端區域最小壁厚明顯變??；同樣，當內壓力不變時，隨著軸向進給量的增大，支管的有效高度明顯變高，壁厚分布明顯得到改善；在內壓力和軸向進給量確定情況下，上沖頭的初始位置距管坯越遠，成形件的壁厚分布就越不均勻，支管頂端的最小壁厚就越薄。
利用數值模擬的方法從有限次的模擬結果中選擇出的最優參數并不是真正意義的科學的最優參數，不是計算機完全自動尋找的最優值。本文基于最優化理論和算法，通過編寫批處理命令、腳本文件和宏命令文件在有限元模擬程序和優化算法程序(軟件)之間建立了有關數據傳輸接口(有限元模擬結果數據接口、設計變量傳遞接口、調用有限元程序接口等)，完成了有限元軟件和優化軟件的無縫連接，進而實現了計算機自動完成整個優化過程的功能。在此基礎上，利用優化軟件iSIGHT建立了T型三通管軸壓脹形的優化數學模型，在正交試驗基礎上建立了二階響應面近似模型，完成了國標碳鋼三通管軸壓脹形的加載軌跡優化。優化結果表明：要得到支管高度較高和壁厚分布均勻的管坯，內壓力的加載過程是先迅速加載，然后再緩慢加載或保持一定值不變，軸向的加載是先緩慢補料后再加快補料。經過優化后的碳鋼三通管的成形件的支管高度更能滿足要求，壁厚分布更加均勻。
國內三通研究概況
九十年代，哈爾濱工業大學液力成形課題組開始研究內高壓成形理論、工藝和設備，研制出首臺15OMPa內高壓成形機，該設備在計算機的控制下，按規定的加載路徑嚴格控制內壓力和軸向進給加工管類零件。哈工大的苑世劍等人研究了脹形成形中的起皺行為，并利用數值模擬和力學理論對圓角處的應力分布和變形規律進行了研究。
清華大學的雷麗萍和燕山大學的周磊等對后延臂、副車架和汽車橋殼的脹形工藝進行了數值模擬研究。合肥工業大學的薛克敏、周林等分別建立汽車前梁脹形成形的有限元模型，國標碳鋼三通分析了主要成形工藝參數如內壓力、軸向進給量和摩擦系數等對其成形結果的影響規律，結果表明采用低壓合模、高壓整形雙線性加載路徑時，能顯著控制起皺、破裂缺陷的產生。青島科技大學的田仲可討論了薄壁管無模脹形中的內壓和軸壓的加載控制穩定性問題，并進行了數值模擬和實驗分析，結果表明適度的起皺有助于提高薄壁管脹形成形的成形極限。西北工業大學的余心宏和翟江波采用LS-DYNA軟件建立軸壓脹形的有限元模型，根據內壓及徑向壓力的變化情況設計出了五種不同的加載路徑，并對其在危險截面的壁厚變化、應變變化規律進行了分析比較，結果表明提高初始內壓上升速度及采用泄后及減緩徑向反壓施加的加載路徑更易獲得支管較高、質量更好的國標無縫三通管件。梁海成等采用有限元分析軟件MSC。Marc分析成形零件基本變形特征和壁厚分布規律，給出了不同最大內壓力下壁厚分布規律，討論了最大壓力對成形的影響，分析表明最大內壓對內壓成形國標三通管有重要的影響。上海交通大學的宋忠財對T型三通管軸壓脹形建立了有限元數值模擬模型，并采用正交試驗設計法分析了內壓力的加載路徑、模具過渡圓角半徑、管件與模具接觸表面間的摩擦系數和支管平衡沖頭平衡力等主要工藝參數對三通管液壓成形性能的影響規律，結果表明摩擦系數影響最大，其次是圓角半徑和內壓力，平衡力影響不明顯。其中管件與模具接觸表面之間的摩擦力是影響碳鋼三通管脹形成形質量的不利因素。南京航天航空大學的孫顯俊等利用有限元模擬方法研究液壓脹形過程中雙金屬復合管件的成形性能，分析了內壓和摩擦對復合三通管件減薄率分布的影響，并比較了純鐵層和純鋁層之問的壁厚減薄率分布差異。同時根據數值模擬計算的結果，對Fe/Al雙金屬復合管進行成形實驗研究。結果表明成形過程中純鐵層和純鋁層之間結合良好，通過調節摩擦系數和內壓力大小可以控制Fe/Al雙金屬復合碳鋼三通管件的成形質量。
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