連續(xù)輥彎成形過(guò)程模擬研究

胡盛德,羅 維,陳 楠,胡 群,李立新,劉勝貴,田 亮,杭乃勤,章 凱

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,湖北武漢,430081)

連續(xù)輥彎成形過(guò)程模擬研究

胡盛德,羅 維,陳 楠,胡 群,李立新,劉勝貴,田 亮,杭乃勤,章 凱

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,湖北武漢,430081)

以現(xiàn)場(chǎng)典型產(chǎn)品為研究對(duì)象,模擬板帶連續(xù)冷彎成形過(guò)程,基于有限元分析軟件,開(kāi)發(fā)冷彎成形過(guò)程仿真軟件。ANSYS-LSDYNA顯式動(dòng)力學(xué)非線性模擬結(jié)果表明,冷彎成形過(guò)程第一部分型鋼等效應(yīng)力模擬平均值與實(shí)驗(yàn)值吻合,彎角變形區(qū)塑性等效應(yīng)變隨道次變化情況模擬結(jié)果表明,中間道次變形分配欠均勻,輥花工藝尚需優(yōu)化。

冷彎成形;有限元;等效應(yīng)力;應(yīng)變場(chǎng)

冷彎型鋼由于其生產(chǎn)工藝高效、節(jié)能、環(huán)保被廣泛用作眾多行業(yè)的構(gòu)件[1-2],然而其成形過(guò)程所具有的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和材料學(xué)等方面的復(fù)雜性,使得冷彎成形學(xué)科一直是一門經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工程技術(shù)。不少學(xué)者采用有限元法模擬冷彎成形過(guò)程,探討模擬計(jì)算參數(shù)對(duì)成形計(jì)算結(jié)果的影響,這些研究成果為冷彎成形過(guò)程定性分析起到了很好的作用,也為冷彎成形模擬工作提供了有益參考[3-6]?？v觀大量連續(xù)輥彎研究結(jié)果,皆因缺少相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),缺少材料模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和成形過(guò)程型鋼性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果,使得模擬成形與實(shí)際成形存在相當(dāng)差距。

本文圍繞現(xiàn)場(chǎng)輥彎生產(chǎn)實(shí)際,以某廠典型產(chǎn)品為對(duì)象,以實(shí)驗(yàn)處理過(guò)的板帶為材料模型,運(yùn)用APDL程序開(kāi)發(fā)出冷彎成形過(guò)程仿真軟件,通過(guò)型鋼成形過(guò)程性能實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

1 軟件結(jié)構(gòu)與模擬流程

本文模擬軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)象為某型鋼廠矩形焊管連續(xù)輥彎成形過(guò)程,其矩形焊管冷彎輥花如圖1所示。冷彎成形過(guò)程模擬分為五部分:第1部分為1～4道次,板帶平整和兩頂角主要的彎曲變形;第2部分為5～8道次,為發(fā)生兩底彎角主要變形的道次;第3部分為9～11道次,頂?shù)捉峭瑫r(shí)發(fā)生微小變形;第4部分為擠壓高頻焊接;第5部分為12～15道次,焊管形狀精整。

連續(xù)輥彎成形仿真流程如圖2所示。計(jì)算過(guò)程按照上述五部分進(jìn)行。

圖1 矩形焊管冷彎輥花Fig.1 Cold-form ing process of a rectangular steel tube

圖2 連續(xù)輥彎成形仿真流程Fig.2 Simulation procedure of cold-rolled form ing

2 關(guān)鍵模型

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系模型

以某熱軋Q345鋼帶為原料,沿寬度方向取樣,拉伸實(shí)驗(yàn)后繪制成實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,再編制程序擬合雙線性硬化模型,當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與雙線性模型對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)流動(dòng)應(yīng)力差的平方和最小時(shí),認(rèn)為獲得最佳模型;FEM模擬計(jì)算時(shí)取多個(gè)試樣雙線性模型參數(shù)的平均值。圖3、圖4為沿母材寬度方向上兩個(gè)位置處的雙線性模型回歸擬合結(jié)果。

圖3 母材試樣1雙線性模型擬Fig.3 Bilinear model of parent steel Sample 1

圖4 母材試樣2雙線性模型擬合Fig.4 Bilinear model of parent steel Sam ple 2

2.2 幾何模型與FEM模型

輸入材料屬性和幾何參數(shù),包括板料雙線性屈服強(qiáng)度、彈性模量、切線模量、板料長(zhǎng)度、寬度、厚度等參數(shù),以及5個(gè)部分不同輥型參數(shù),包括機(jī)架間距、輥徑、道次彎曲角、彎曲半徑、道次接觸等,建立幾何模型。為了節(jié)省存儲(chǔ)空間和提高計(jì)算速度,考慮板料和軋輥的對(duì)稱性,取其一半進(jìn)行模擬分析,圖5為冷彎成形過(guò)程第1部分第3個(gè)道次輥彎變形幾何模型。

圖5 3個(gè)道次輥彎變形幾何模型Fig.5 Geometric model for three-pass cold-rolled form ing

對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到FEM模型。板料和軋輥均采用薄殼四節(jié)點(diǎn)四邊形單元SHELL 163,沿殼厚方向積分點(diǎn)參數(shù)N IP設(shè)置為5。鋼帶材料模型為雙線性隨動(dòng)硬化模型(BKIN),該模型考慮Bauschinger效應(yīng)。定義成型輥為剛性體,材料模型為剛性材料,每個(gè)成型輥由一個(gè)PART控制,成型輥數(shù)量由輸入的軋制道次和軋輥類型通過(guò) APDL循環(huán)控制。板料與軋輥之間的摩擦模型采用庫(kù)侖摩擦模型,其靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)取0.2和0.1。輥彎成形的軋輥FEM模型如圖6所示。

圖6 軋輥FEM模型Fig.6 FEM model for roll types

3 模擬結(jié)果及討論

第1道次為板帶切邊后的平整,研究表明平整沒(méi)有引起帶鋼的塑性變形[7],故本文不作模擬。運(yùn)用開(kāi)發(fā)的APDL仿真軟件,對(duì)系統(tǒng)軟件的第一部分(頂角發(fā)生主要變形的第2、3、4道次)進(jìn)行模擬。對(duì)于典型模擬產(chǎn)品冷彎200 mm×300 mm× 9.2 mm的Q345矩形焊管,本課題已對(duì)其冷作硬化效應(yīng)及短柱軸壓性能做了較詳細(xì)的研究[7]。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果,依據(jù)輥花工藝和模擬計(jì)算參數(shù)編制程序,冷彎成形模擬完成后,提取歷經(jīng)每個(gè)道次后彎角部位各節(jié)點(diǎn)的最大等效應(yīng)力。將本文彎角部分節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力模擬平均值與文獻(xiàn)[7]中所測(cè)量的彎角試樣屈服應(yīng)力值進(jìn)行比較,其結(jié)果如圖7所示。由圖7可見(jiàn) ,模擬等效應(yīng)力值與實(shí)驗(yàn)值吻合,最大相對(duì)誤差不大于7%。

圖7 彎角等效應(yīng)力模擬與實(shí)驗(yàn)的比較Fig.7 Comparison between simulated effective stressesand measured values of corner portion

圖8～圖10為模擬的各道次機(jī)架的等效應(yīng)力云圖。由圖8～圖10可見(jiàn),第2道次剛咬入時(shí),彎角變形區(qū)附近等效應(yīng)力最大,高頻焊對(duì)面的中央平板局部以及帶鋼邊部等效應(yīng)力次之,彎角部位發(fā)生了明顯的塑性變形,中心局部區(qū)域發(fā)生了小量塑性變形,其他部位仍處于彈性變形階段。第2道次為穩(wěn)定冷彎階段,邊部高應(yīng)力區(qū)范圍擴(kuò)大,鋼帶邊部不少地區(qū)進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。第3、4道次等效應(yīng)力的分布規(guī)律類似于第2道次,但隨著應(yīng)變程度的增加,邊部和彎角部位高應(yīng)力區(qū)和塑性變形區(qū)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,帶鋼頭部出離輥道后的不規(guī)則回彈清晰可見(jiàn),三個(gè)道次彎角部位等效應(yīng)力均值按400、451、531 M Pa逐漸增大。

圖8 第2機(jī)架變形等效應(yīng)力云圖Fig.8 Effective stress field in Pass 2

圖9 第3機(jī)架變形等效應(yīng)力云圖Fig.9 Effective stress field in Pass 3

圖10 第4機(jī)架變形等效應(yīng)力云圖Fig.10 Effective stress field in Pass 4

表1為提取的每一道次冷彎后彎角部位節(jié)點(diǎn)塑性等效應(yīng)變平均值。從表1可知,冷彎成形第1部分彎角部位總的等效塑性應(yīng)變值為0.36。道次變形主要在第3、4兩個(gè)道次完成 ,共計(jì)0.302,占全部應(yīng)變的83.88%。其中第4道次增加量最大,占54.44%。輥花參數(shù)符合道次參數(shù)分配的一般規(guī)律:在變形角選取上,開(kāi)始道次應(yīng)稍小,中間道次盡可能大,后面道次宜小。但計(jì)算表明,此工藝參數(shù)值不是最好,因?yàn)榈?道次應(yīng)變?cè)黾恿窟^(guò)大,而第3道次相對(duì)較小。因而在軋機(jī)負(fù)荷相同的條件下,應(yīng)保證板料中間各個(gè)道次應(yīng)變大且變形均勻,從而既充分發(fā)揮軋機(jī)效能、減小軋輥磨損,避免出現(xiàn)翹曲褶皺等缺陷。

表1 彎角道次等效應(yīng)變平均值Table1 Mean effective strain and increase of the corner portion

4 結(jié)語(yǔ)

基于冷彎成形過(guò)程實(shí)際與實(shí)驗(yàn)研究,在建立連續(xù)輥彎成形模擬軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用開(kāi)發(fā)的APDL仿真軟件,對(duì)冷彎成形過(guò)程第1部分進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,該軟件可用于輥花設(shè)計(jì)與冷彎工藝優(yōu)化。

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Simulation program for cold roll form ing

H u Shengde,L uo W ei,Chen N an,H u Qun,L i L ixin,L iu Shenggui, Tian L iang,Hang N aiqin,Zhang Kai
(College of Materials Science and Metallurgical Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

In order to p recisely simulate the cold rolled forming p rocess,the real forming technology of a typical p roduct was divided into five parts and modeled.A simulating p rogram for cold roll forming has been developed utilizing ANSYS-LSDYNA,a parameter design language for ANSYS finite element analysis softw are.The stress strain relationship function fo r sim ulation w as obtained by fitting tensile tests data of the parent steel.The effective stresses of the corner portion from the simulation agree well w ith that from experiments during the first part of the cold roll forming.Effective p lastic strains of the corner portion were simulated and analyzed.The results indicate that strains are not w ell-distributed in the middle passes.To p romote the p roduct quality and enhance p roduction investment,it is necessary to op timize the p resent deformation technology.

cold roll fo rm ing;finite element method;effective stress;strain field

TG335.14.3

A

1674-3644(2010)05-0468-05

[責(zé)任編輯 彭金旺]

作者介紹:胡盛德,男,1972年出生,2006年獲華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位。武漢科技大學(xué)副教授、碩士研究生導(dǎo)師。在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文20篇,其中,被SCI檢索3篇,EI檢索11篇,ISTP檢索1篇。主編教材1部,參編教材2部。近年來(lái),作為主要完成人和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人完成和正在承擔(dān)材料科學(xué)與工程研究課題國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)、國(guó)家863計(jì)劃研究課題1項(xiàng)和湖北省教育廳項(xiàng)目3項(xiàng)、企業(yè)橫向合作課題多項(xiàng),獲2009年湖北省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng),2010年泰安市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng),2010年山東省中小企業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。主要研究方向:精密軋制技術(shù)、材料加工過(guò)程的組織性能控制及工藝優(yōu)化、新材料開(kāi)發(fā)、金屬塑性加工過(guò)程有限元分析。

2010-06-30

武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(FMRU 2007Y01).

胡盛德(1972-),男,武漢科技大學(xué)副教授,博士.E-mail:adhello@163.com