基于ABAQUS有限元仿真的L型材滾彎成型過(guò)程分析

王涵

（長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710000）

0 引言

滾彎是指在滾輪施加彎矩的作用下，坯料逐漸被彎曲成型的工藝過(guò)程[1]。型材滾彎成型被廣泛應(yīng)用于鈑金零件的彎曲成型過(guò)程中。在飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，滾彎成型主要用于框肋、長(zhǎng)桁、緣條等承力零件的成型。這些零件的尺寸精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素會(huì)對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)外形和承載能力產(chǎn)生重大影響。因此，對(duì)滾彎成型過(guò)程的研究，有利于解決成型過(guò)程中的回彈問(wèn)題，避免質(zhì)量缺陷，對(duì)提高飛機(jī)零件質(zhì)量具有重要意義。

滾彎成型設(shè)備主要有輥式滾彎?rùn)C(jī)、靠模式輥式滾彎?rùn)C(jī)、數(shù)控滾彎?rùn)C(jī)、柔性滾彎?rùn)C(jī)，本次仿真分析以MC4P431IAS三維四輥數(shù)控滾彎?rùn)C(jī)為原型建模，分析滾彎成型過(guò)程。

1 ABAQUS建模仿真

ABAQUS具有的強(qiáng)大計(jì)算功能和廣泛仿真性能，被列為國(guó)際最先進(jìn)的大規(guī)模通用有限元計(jì)算及分析軟件之一。從簡(jiǎn)單的線性分析到復(fù)雜的非線性問(wèn)題都可用其解決[2]。它可以用來(lái)分析典型工程材料的性能，解決結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移等問(wèn)題，還可以應(yīng)用在熱、電、聲學(xué)等領(lǐng)域，例如熱傳導(dǎo)、熱電耦合分析、聲學(xué)分析等[3]。本文使用Abaqus軟件的7步前處理工序來(lái)進(jìn)行建模和仿真分析，如圖2所示。

圖1 滾彎成型

圖2 Abaqus前處理工序

1.1 Part模塊

分別為型材、上滾輪、下滾輪、左滾輪、右滾輪創(chuàng)建三維模型，上滾輪半徑設(shè)為120 mm，下滾輪、左滾輪、右滾輪半徑設(shè)為220 mm。由于研究的是型材的變形過(guò)程，滾輪的變形忽略不計(jì)，所以本次仿真型材模型的類(lèi)型設(shè)定為可變形實(shí)體，滾輪的類(lèi)型為離散剛體殼單元，同時(shí)為4個(gè)滾輪分別創(chuàng)建參考點(diǎn)。

1.2 Property模塊

創(chuàng)建材料為鋁鋰合金，設(shè)置截面屬性。根據(jù)屈服應(yīng)力和塑性應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在材料性能欄中分行輸入其變化數(shù)值，并賦予型材。4個(gè)滾輪均為剛體，不需要賦予材料屬性。

1.3 Assembly模塊

將L型材與4個(gè)滾輪按照實(shí)際加工方式裝配在一起。

1.4 Step模塊

圖3 裝配模型

型材的滾彎變形分為2個(gè)階段。第一階段屬于連續(xù)加載和彎曲，型材在初始狀態(tài)為彈性彎曲，然后隨著材料靠近上滾輪中心，彎曲力矩逐漸增大，進(jìn)入塑性彎曲狀態(tài)[4]。第二階段是連續(xù)卸載和回彈，型材在上滾輪中心線處彎矩最大，離開(kāi)上滾輪后便會(huì)發(fā)生回彈。因此除Initial分析步外，還需要再創(chuàng)建2個(gè)分析步。由于ABAQUS/Explicit在處理包括改變接觸條件的高度非線性問(wèn)題時(shí)非常有效，它能夠求解很復(fù)雜的接觸問(wèn)題，而且在求解過(guò)程中不需要迭代計(jì)算，不存在收斂問(wèn)題，所以分析步的類(lèi)型選擇Dynamic,Explicit。在step-1中左右兩滾輪豎直向上運(yùn)動(dòng)一段距離，使型材發(fā)生塑性彎曲，在step-2中上下滾輪做驅(qū)動(dòng)輪，通過(guò)摩擦帶動(dòng)型材向前運(yùn)動(dòng)，型材通過(guò)摩擦力帶動(dòng)左右滾輪運(yùn)動(dòng)。

1.5 Interaction模塊

1）定義Interaction Property類(lèi)型為Contact，切向摩擦力用罰函數(shù)表示，且將摩擦因數(shù)設(shè)為0.15。

2）創(chuàng)建Surfaces用于放置接觸表面。分別創(chuàng)建上滾輪、下滾輪、左滾輪、右滾輪與型材之間的接觸。

3）為4個(gè)滾輪（離散剛體）創(chuàng)建坐標(biāo)軸。由于左右滾輪角速度是通過(guò)與型材之間的摩擦作用產(chǎn)生的，因此需要在此模塊下的special選項(xiàng)賦予上滾輪質(zhì)量慣性和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)左右滾輪繞x軸旋轉(zhuǎn)的約束。

1.6 Load模塊

對(duì)模型進(jìn)行邊界條件約束。在step-1分析步中，左右滾輪沿y軸正方向運(yùn)動(dòng)40 mm，其余自由度均約束為0；在step-2分析步中，上下滾輪只具有繞x軸旋轉(zhuǎn)的自由度，將其角速度設(shè)為2 rad/s，其余自由度均約束為0。

1.7 Mesh模塊

分別為型材與4個(gè)滾輪劃分單元，由于型材在拐角處的應(yīng)力較復(fù)雜，因此需對(duì)截面進(jìn)行分割，在拐角處局部布種，增大其單元密度。設(shè)置單元類(lèi)型為C3D8R 并劃分單元。

2 有限元仿真結(jié)果

2.1 應(yīng)力云圖（如圖5）

圖4 網(wǎng)格劃分圖

圖5 Mises應(yīng)力云圖

2.2 應(yīng)變能隨時(shí)間變化曲線（如圖6）

圖6 應(yīng)變能隨時(shí)間變化曲線

2.3 模型動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線

通過(guò)對(duì)型材滾彎過(guò)程的仿真分析，發(fā)現(xiàn)型材短邊處受力及等效應(yīng)變值均為最大，這是最有可能在成型過(guò)程中受損并產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的部位，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施。應(yīng)變能在成型過(guò)程中逐漸增加，模型動(dòng)能間隔出現(xiàn)峰值最終趨于振蕩平衡狀態(tài)。實(shí)際滾彎過(guò)程中，當(dāng)左右滾輪以恒定速度沿y軸向上運(yùn)動(dòng)一定距離時(shí)，動(dòng)能迅速增加。當(dāng)上下滾輪接觸型材開(kāi)始以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)能再次增加。當(dāng)型材與4個(gè)滾輪的線速度相同后，整個(gè)模型的動(dòng)能最終趨于振蕩平衡狀態(tài)，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。通過(guò)將實(shí)際型材滾彎成型過(guò)程中能量的變化與此仿真結(jié)果中整個(gè)模型動(dòng)能隨時(shí)間的變化曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其具有相同的變化趨勢(shì)，從而證明此仿真模型可以模擬型材的實(shí)際成型過(guò)程，如圖7所示。

圖7 動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線

3 不同工藝參數(shù)對(duì)成型結(jié)果的影響

3.1 下滾輪半徑對(duì)Mises應(yīng)力的影響

初始條件不變，將下滾輪半徑分別設(shè)為210、220、230 mm進(jìn)行仿真，結(jié)合與周養(yǎng)萍[5]的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，隨著下滾輪半徑的減小，型材變形過(guò)程中的應(yīng)力減小。因此在一定程度上調(diào)節(jié)下滾輪半徑可以使變形過(guò)程更加穩(wěn)定，零件成型質(zhì)量更高[6]。所以在生產(chǎn)加工過(guò)程中對(duì)于曲率半徑比較小的零件，可以多次成型，從而得到質(zhì)量更高的零件產(chǎn)品。

3.2 接觸面摩擦因數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響

初始條件不變，將滾輪與型材間的摩擦因數(shù)分別設(shè)為0.10、0.15、0.20進(jìn)行仿真，通過(guò)曲線的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，接觸面之間的摩擦因數(shù)對(duì)最大Mises應(yīng)力影響沒(méi)有明顯的規(guī)律。

3.3 不同材料對(duì)應(yīng)力的影響

圖8 變滾輪半徑下最大應(yīng)力單元體的應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

圖9 最大應(yīng)力單元體最大應(yīng)力隨下滾輪半徑的變化曲線與理論曲線比較圖

圖10 不同接觸面摩擦因數(shù)最大應(yīng)力單元體的應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

圖11 最大應(yīng)力單元體最大應(yīng)力隨摩擦因數(shù)的變化曲線

初始條件不變，更改型材材料為鋼。通過(guò)對(duì)鋁鋰合金和鋼材料滾彎成型過(guò)程對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋁鋰合金材料的最大應(yīng)力單元體最大應(yīng)力比鋼材料的小很多，說(shuō)明鋁鋰合金材料比強(qiáng)度高，鋁鋰合金型材滾彎成型困難[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

圖12 不同材料下最大應(yīng)力單元體的應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

本文利用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)型材滾彎過(guò)程進(jìn)行建模及模擬。對(duì)滾彎后型材各位置的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)型材短邊處是最有可能在成型過(guò)程中受損并產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的部位。工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn)型材短邊在成型后容易發(fā)生波浪變形，需要矯正才能使用，通過(guò)對(duì)模型的分析發(fā)現(xiàn)，該變形主要是由成型過(guò)程中的Mises應(yīng)力間隔出現(xiàn)峰值造成的。通過(guò)改變工藝參數(shù)，分析對(duì)成型結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，隨著下滾輪半徑的減小，型材變形過(guò)程中的應(yīng)力減小。接觸面之間的摩擦因數(shù)對(duì)最大Mises應(yīng)力影響沒(méi)有明顯的規(guī)律。鋁鋰合金型材滾彎成型困難。分析結(jié)果有對(duì)提高零件質(zhì)量具有參考價(jià)值，也為其它軋制工藝的有限元模擬的實(shí)現(xiàn)提供了借鑒。