不銹鋼微通道管輥彎成形設(shè)計(jì)和有限元仿真研究

魏小平，鄒天下，李大永

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海， 200240）

引 言

微通道管是一種帶有密排微孔的口琴狀扁管。采用微通道管制備的換熱器在節(jié)能減排方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)［1］。Tuckerman 等［2］在1981 年最早提出微通道的概念，之后微通道換熱逐漸被人們熟知。由于微通道扁管具有微尺度強(qiáng)化傳熱效應(yīng)［3-4］，與傳統(tǒng)圓管翅片式換熱器相比具有換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、制冷劑充注量少、成本低、易于回收等明顯優(yōu)勢(shì)［5-6］。微通道換熱器的研發(fā)及應(yīng)用是解決空調(diào)節(jié)能減排問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。目前微通道換熱器主要應(yīng)用于空調(diào)行業(yè)，但是因?yàn)槠湓谏?、結(jié)構(gòu)和成本等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，逐漸作為電池組的液冷板應(yīng)用于電動(dòng)汽車行業(yè)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微通道管的成形工藝進(jìn)行了深入研究。Tang 等［7］通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)、微觀組織表征和有限元分析，對(duì)鋁制微通道管，特別是內(nèi)腹板的焊縫焊接區(qū)域進(jìn)行了研究。Zou 等［8］對(duì)鋁合金微通道管的輥彎成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。周寧［9］利用有限元顯式算法對(duì)鋁合金微通道管的輥彎成形進(jìn)行了研究，分別利用寬幅板成形法中的全波成形法和順序成形法設(shè)計(jì)了花形與輥形，發(fā)現(xiàn)全波成形法可以降低輥彎成形的彎角減薄量，并提高其承壓性能。Lu等［10］采用大塑性變形雙擠壓法制備了高塑性微通道管。經(jīng)過(guò)兩次擠壓后，晶粒尺寸大大減小至原尺寸的1/7，基體織構(gòu)強(qiáng)度略有提高。

目前微通道管的成形工藝以鋁合金熱擠壓為主。在采用高強(qiáng)鋼作為電池組的箱體時(shí)，從連接工藝、回收利用等角度看，使用鋼制液冷板成為一種較好的選擇。因?yàn)殇摰娜埸c(diǎn)遠(yuǎn)高于鋁，無(wú)法采用制備鋁微通道管普遍采用的熱擠壓工藝，本文嘗試采用SUS304 不銹鋼板作為材料，通過(guò)多道次輥彎成形的方法來(lái)制備微通道管。

1 不銹鋼微通道管輥彎花形設(shè)計(jì)

本文所研究的微通道管為封閉狀復(fù)雜截面，如圖1 所示。其截面共有22 個(gè)輥彎成形角，針對(duì)此截面共設(shè)計(jì)了22 個(gè)輥彎成形道次。基于商用軟件PROFIL 對(duì)所設(shè)計(jì)的微通道管進(jìn)行輥彎花形設(shè)計(jì)，按照“Oehler”方法計(jì)算管材截面展開(kāi)后的板料寬度。花形設(shè)計(jì)采用“倒推”方式，將輥彎角按照角度變形量均分的方法逐漸展開(kāi)成平板。

根據(jù)微通道管截面的特點(diǎn)，將其輥彎截面劃分為三個(gè)成形階段，如圖2 所示。第一階段成形“幾字形”波紋；第二階段將“幾字形”波紋向內(nèi)翻折180°與中部板料上表面貼合，形成一半閉合的通道孔；第三階段將半封閉通道進(jìn)一步向內(nèi)側(cè)翻折180°，成形兩側(cè)半圓弧角，使半封閉通道與中部板料上表面貼合形成完全封閉的并聯(lián)多孔通道。

第一階段將平板輥彎成4 個(gè)“幾字形”波紋、中間對(duì)稱結(jié)構(gòu)，單側(cè)共有8 個(gè)彎角（角1～8），如圖3 所示。為了保證每個(gè)道次直徑尺寸相近，輥彎成形高度盡量保持較低水平，花形設(shè)計(jì)將每道次板料形狀設(shè)定為水平，如圖4 所示。第一階段分5 個(gè)道次（1#～5#）順序依次成形兩個(gè)“幾字形”波紋結(jié)構(gòu)。

第二階段將“幾字形”波紋板向中間翻折成半封閉通道，單側(cè)共有2 個(gè)彎角（角9 和角10），角9 為小內(nèi)徑彎角，如圖5 所示。為了使“幾字形”波紋板成形后緊貼中部板料上壁，角9 和角10 必須滿足90°成形角，然而由于輥彎成形無(wú)法壓到彎角內(nèi)部，需要在中部板料做背弓處理，盡可能多的壓到角9 和角10內(nèi)部彎角處。第二階段將分9 個(gè)道次（6#～14#）進(jìn)行輥彎成形，如圖6 所示。

第三階段將通道進(jìn)一步向中部翻折180°使管形封閉，該階段主要成形兩側(cè)的半圓弧彎角11，如圖7所示。該階段采用角度均分的方法做花形設(shè)計(jì)，即每個(gè)成形道次彎曲22.5°，15#～22#道次花形如圖8所示。

2 輥彎成形有限元模型的建立

本文采用板料為SUS304 不銹鋼，板料厚度為0.22 mm，具體力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示。所建立的微通道管輥彎成形有限元模型如圖9 所示，22 對(duì)成形軋輥依次排布，成形底部中心位置設(shè)定在同一水平面上。鋼板和軋輥均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，設(shè)定對(duì)稱邊界條件。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中板料是貫穿整個(gè)生產(chǎn)線，但每部分板料都要至少經(jīng)過(guò)兩個(gè)道次軋輥的約束，仿真過(guò)程中板料長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率低，因此將板料長(zhǎng)度設(shè)定為120 mm，能夠同時(shí)通過(guò)兩個(gè)成形道次。在成形過(guò)程中，軋輥?zhàn)冃瘟炕究珊雎圆挥?jì)，主要是板料發(fā)生形變，所以將軋輥設(shè)置為解析剛體，板料為可變性體。實(shí)際成形中是軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)，板料在摩擦力的作用下向前運(yùn)動(dòng)，微通道管輥彎成形道次較多，截面變形較復(fù)雜，為了提高計(jì)算效率，采用固定板料，軋輥反向平動(dòng)的方式。

表1 SUS304 鋼的材料力學(xué)性能

在輥彎成形過(guò)程中，鋼板在寬度方向上各部分的變形量有所不同，板料中部區(qū)域幾乎不變形，該部分按照常規(guī)尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于11 個(gè)彎角位置，需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。這樣既可以提高仿真的準(zhǔn)確性，又可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。第一階段成形的“幾字形”波紋部位的板料寬度方向劃分的網(wǎng)格尺寸為0.04 mm。小內(nèi)徑輥彎角部分因?yàn)樽冃巫畲?，寬度方向劃分?.02 mm。單管液冷板兩側(cè)圓弧角部分因?yàn)樽冃屋^小，寬度方向網(wǎng)格尺寸為0.14 mm。板料的長(zhǎng)度方向網(wǎng)格尺寸為1 mm，板料厚度方向劃分為5 層單元。單元類型采用三維八節(jié)點(diǎn)縮減積分實(shí)體單元（C3D8R），板料的網(wǎng)格尺寸如圖10 所示。

由于管形、軋輥和輥彎工藝的對(duì)稱性，本文對(duì)輥彎過(guò)程1/2 模型進(jìn)行建模，在鋼板的對(duì)稱面添加對(duì)稱約束。設(shè)置軋輥為解析剛體，板料固定，軋輥沿著成形反方向運(yùn)動(dòng)，成形速度大小為500 mm/s。板料的前端面施加成形方向移動(dòng)固定約束。

輥彎成形過(guò)程中每道次鋼板經(jīng)過(guò)軋輥時(shí)接觸體為上、下軋輥和板料，接觸算法采用面-面接觸，因?yàn)檐堓仦榻馕鰟傮w，所以將上、下軋輥表面設(shè)置為主面，與軋輥相接觸的板料上下表面為從面。板料在第二階段和第三階段成形時(shí)“幾字形”波紋將與板料貼合，因此需要建立板料自接觸。軋輥與板料接觸對(duì)的摩擦類型用罰函數(shù)來(lái)定義，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1，板帶自接觸摩擦系數(shù)為0.2。

有限元模型設(shè)定的具體參數(shù)如表2 所示。成形道次間距為100 mm，板料長(zhǎng)度為120 mm，板料厚度為0.22 mm，對(duì)稱一半板料寬度為26.5 mm，成形速度為500 mm/s。

表2 幾何模型與成形參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 等效應(yīng)力分析

最終成形的微通道管截面形狀如圖11 所示。其中角1～8 為“幾字形”波紋彎角，角9 為小內(nèi)徑彎角，角11 為兩側(cè)圓弧彎角。選取不銹鋼微通道管輥彎成形的第5，10，20 和22 道次，分別提取各道次板料截面的Mises 等效應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖12 所示。

從圖12 可以看出微通道管輥彎成形板料的應(yīng)力分布較為復(fù)雜。等效應(yīng)力在“幾字形”波紋彎角處、右側(cè)圓弧彎角和小內(nèi)徑彎角處較大，其中小內(nèi)徑彎角處的等效應(yīng)力最大，這部分應(yīng)力均大于材料屈服極限，說(shuō)明已經(jīng)發(fā)生塑性變形。液冷板上下平板位置的等效應(yīng)力較小，主要以彈性變形為主。

3.2 塑性應(yīng)變分析

從仿真結(jié)果提取第5，10，20 和22 道次的截面塑性應(yīng)變?cè)茍D，如圖13 所示。

從圖13 中可以看出“幾字形”波紋彎角、小內(nèi)徑彎角和兩側(cè)圓弧彎角這些應(yīng)力較大的區(qū)域發(fā)生的塑性變形較大，其中小內(nèi)徑彎角的塑性變形最大。不銹鋼微通道管最終截面的上下板料發(fā)生的塑性變形微乎其微，說(shuō)明塑性應(yīng)變的分布與上面提到的應(yīng)力分布相一致。

最終不銹鋼微通道管的對(duì)稱截面有8 個(gè)“幾字形”彎角，分別提取8 個(gè)“幾字形”彎角外側(cè)變形較大單元節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變，如圖14 所示。

從圖14 中可以看出8 個(gè)彎角離板料中央越遠(yuǎn)的彎角塑性應(yīng)變?cè)叫?，彎? 的塑性應(yīng)變最大，彎角8的塑性應(yīng)變最小。彎角1 和彎角2 在第一道次就成形出來(lái)，所以塑性應(yīng)變最早發(fā)生較大的變化。因?yàn)榍? 道次梯形孔采用順序成形法，彎角7 和彎角8 都在第四道次成形出來(lái)，所以塑性應(yīng)變?cè)诩s400 mm處發(fā)生較大變化。從圖中可以看出，8 個(gè)彎角在前5道次成形“幾字形”波紋中發(fā)生較大塑性變形后，在之后的道次雖然也有塑性變形，但變形量非常小。最終仿真成形結(jié)果如圖15 所示，從圖中可看出最后“幾字形”孔與底板的間隙較小，經(jīng)測(cè)量5 個(gè)貼合間隙均小于0.1 mm，能夠滿足后續(xù)釬焊工藝要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文嘗試采用輥彎成形工藝制備不銹鋼微通道管，采用三個(gè)階段對(duì)輥彎成形過(guò)程進(jìn)行變形量道次劃分，并通過(guò)有限元模擬了微通道管的輥彎成形過(guò)程，得出如下結(jié)論：

1）輥彎成形有限元仿真過(guò)程中，等效應(yīng)力和塑性應(yīng)變主要集中在幾字形孔彎角處、右側(cè)圓弧彎角和小內(nèi)徑彎角，其中小內(nèi)徑彎角處最大，這部分的應(yīng)力均大于鋼帶的屈服極限，部分區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。最終成形的微通道管上下板料處等效應(yīng)力和塑性應(yīng)變較小。

2）“幾字形”孔的8 個(gè)彎角在第一階段成形時(shí)發(fā)生較大塑性變形，距離板料中央越遠(yuǎn)的彎角塑性應(yīng)變?cè)叫?，其中彎? 塑性應(yīng)變最大，彎角8 塑性應(yīng)變最小，之后道次雖然也有塑性變形，但變形量非常小。

3）按照本文所提出的輥彎成形工藝，模擬出來(lái)的最終成形截面形狀良好，封閉孔道貼合間隙小于0.1 mm，滿足后續(xù)釬焊工藝要求，說(shuō)明采用輥彎成形工藝制備不銹鋼微通道管具有可行性。