車輛用鋁型材精整過程數(shù)值模擬研究?

李明明，郝建軍，黃慶學，李晉峰

（1．太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024；2．太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

目前車輛用鋁合金材料有十幾種，其中最常用的是擠壓性能和綜合性能較好的6XXX（LF4）系列鋁合金型材。但車輛生產(chǎn)企業(yè)所使用的鋁型材精整設(shè)備存在精整精度不高、效率低、設(shè)備自動化程度低等問題，所以多數(shù)企業(yè)需高價從國外進口精整設(shè)備。對此本文介紹一種鋁型材精整實驗平臺，并對精整過程中的型材變形進行分析。

1 車輛用鋁型材精整實驗平臺

本文以車速為200km／h的動車組車體用鋁合金型材6XXX（LF4）系列為例進行研究。其鋁合金車體截面如圖1所示。6XXX（LF4）系列鋁合金型材長度為26m，主要化學成分見表1。

圖1 鋁合金車體截面

鋁型材的質(zhì)量主要表現(xiàn)在兩個方面：材料的強度指標和材料的形位公差。材料的基體強度取決于淬火方式，一般來說，大型型材經(jīng)過水冷淬火強度可以滿足材料的強度指標，但是，對于車輛用型材而言，過于強烈的冷卻會導(dǎo)致型材出現(xiàn)不希望的變形，造成產(chǎn)品的形位公差超差。根據(jù)長春客車廠的實踐反映，目前這類型材的扭﹑拱﹑彎普遍過大，較大地影響了車輛裝配精度。也就是說，需配備一臺高水平的輥式矯正機在大擠壓機生產(chǎn)線后部，用于修復(fù)型材在生產(chǎn)過程中不可避免的磕碰變形，以提高型材的成材率。型材精整實驗平臺三維框架圖如圖2所示。型材精整實驗平臺矯正過程有限元模型如圖3所示。

表1 6XXX（LF4）系列鋁合金型材主要化學成分（質(zhì)量數(shù)） %

圖2 型材精整實驗平臺三維框架圖

圖3 型材矯正過程有限元 模型

2 建立數(shù)學模型

2．1 矯正時變形分析

在力F的作用下，梁中部產(chǎn)生向下的彎曲撓度δ，在力不斷增大的過程中，彎曲變形隨之越來越大。彎矩最大處首先由彈性變形進入塑性變形，并且塑性區(qū)逐漸擴大，形成如圖4所示的塑性區(qū)；當外力撤銷時，因彈性變形產(chǎn)生的撓度恢復(fù)，而因塑性變形而產(chǎn)生的彎曲撓度則保留下來。

圖4 橫彎時的塑性區(qū)分布示意圖

2．2 彈性變形撓度計算

根據(jù)圖4來分析開始進入塑性變形的撓度。在圖4所示的受力情況下，集中載荷處產(chǎn)生的最大彎矩為：

其中：F為載荷；B為梁的長度；W 為抗彎截面系數(shù)；σ為彎曲梁邊部所受應(yīng)力。

當梁的邊部應(yīng)力達到屈服極限σs時，進入塑性狀態(tài)，此時受力Fs＝4Wσs／B。開始塑性變形時的撓度（即回彈撓度）為：

其中：h為梁的厚度（高度）；E為梁的彈性模量。

2．3 永久變形撓度計算

開始進入塑性變形后，隨著力的增大，發(fā)生彈塑性變形和彎曲撓度不斷增大，當外力撤除后，保留下來的變形（彎曲撓度）就是我們所需要矯正的變形?，F(xiàn)在分析發(fā)生彈塑性變形時，總的彎曲撓度δw與殘留彎曲撓度δ0的關(guān)系。

受橫向集中載荷作用時，其彈塑性撓度的計算比較困難，許多文獻采用近似計算法，如用大彎矩的彈性撓度代替彈塑性撓度等，對于制定矯正過程的數(shù)學模型來說，誤差應(yīng)盡量小，所以需要以嚴格的數(shù)學解析方法找出精確的計算方法。圖5為平直梁受力作用下的壓下?lián)隙仁疽鈭D。

圖5中，ρx為任意點x處的中性層彎曲曲率半徑，在彈性區(qū)lt范圍內(nèi)，對應(yīng)F下的總撓度δw為：

圖5 力作用下的壓下?lián)隙仁疽鈭D

3 結(jié)論

在精整過程中，型材先進入彈性變形，進而進入塑性變形，在精整過程中必須考慮到回彈變形和永久變形，永久變形是我們所需要矯正的變形。建立有限元模型和數(shù)學模型可為新型矯正機的優(yōu)化設(shè)計研究提供理論指導(dǎo)。

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