基于立方壓頭的多點成形數(shù)值模擬研究

周翔宇 于 洋 俞 峰 胡 勇

(武漢理工大學(xué)教育部船舶技術(shù)高性能重點實驗室1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院2) 武漢 430063)(江南造船(集團)有限公司3) 上海 201913)

0 引 言

船體曲面外板的成形按加工方式可分為熱加工成形和冷加工成形.多年來，國內(nèi)外船廠對雙曲度外板加工一直是采用人工操作壓力機與水火彎板相結(jié)合的方式進行的.板材的多點成形技術(shù)是目前解決上述問題較好的途徑[1].李明哲等[2]對多點沖壓成形的基本理論與實用技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，并研制出了多點沖壓成形樣機.王呈方等[3-5]提出使用“方形壓頭可調(diào)活絡(luò)模具板材曲面成形裝置”的三維曲面船體外板自動成形加工的技術(shù)，并基于該技術(shù)成功制造了“船舶三維數(shù)控彎板機”，該設(shè)備已運用在實際的船體外板加工生產(chǎn)中，但是壓痕始終是船體外板加工的主要缺陷.

借助ANSYS/LS-DYNA進行顯式數(shù)值模擬計算，針對在板材冷沖壓成形中如何控制和抑制壓痕方面的研究，Cai等[6]比較了三種不同形狀的壓頭，得出倒角立方壓頭成形質(zhì)量優(yōu)于半球形和立方形壓頭的結(jié)論.劉純國等[7]對多點成形中壓痕的形成與控制方法進行相關(guān)研究，分析了多點成形中壓痕缺陷的形成及影響因素，指出彈性墊技術(shù)可以明顯地消除壓痕缺陷，并通過典型的數(shù)值模擬及成形實驗說明了彈性墊技術(shù)及多道成形技術(shù)消除壓痕缺陷的有效性.張傳敏等[8]利用ANSYS/LS-DYNA軟件對馬鞍形件的傳統(tǒng)拉形及多點拉形過程進行了數(shù)值模擬，并對多點拉形中壓痕的產(chǎn)生原因及抑制方法進行了研究.孫剛等[9]采用有限元數(shù)值模擬手段針對多點成形過程中產(chǎn)生的壓痕現(xiàn)象以及消除壓痕的措施進行探討，通過對1與3 mm厚度的馬鞍型曲面件進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：在相同條件下，用多點模具工藝成形的板材比用多點壓機工藝成形的板材壓痕深度大3～15倍，而且在成形過程中出現(xiàn)壓痕的時間早.文中基于三維數(shù)控彎板機的立方壓頭模具建模，通過板材成形數(shù)值模擬試驗，對比完全倒圓角立方壓頭模型、立方壓頭模型和不完全倒圓角立方壓頭模型沖壓得到的板材厚向應(yīng)變，比較壓痕情況，探究倒圓角立方壓頭在多點成形工藝過程中抑制板材壓痕缺陷的可行性.

圖1 壓頭圓平面半徑r

1 三種立方壓頭的建模

1.1 壓頭圓平面半徑r

針對壓頭圓平面半徑r(見圖1)的不同取值建立三種不同的壓頭模型，b為壓頭邊長，取b=58 mm，將壓頭定義為剛體，每個壓頭的鋼材材料參數(shù)相同，見表1.

表1 壓頭剛體模型參數(shù)

圖2 壓頭模型

2 壓頭沖壓數(shù)值模擬試驗

數(shù)值模擬試驗采用的沖壓成形設(shè)備為武漢理工大學(xué)造船工藝研究所的SKWB-800型船舶三維數(shù)控彎板機[10].該設(shè)備可加工任意長度的板材，且可連續(xù)加工，上模壓頭個數(shù)14×14，下模壓頭個數(shù)15×15，單個壓頭最大沖壓壓力為20 kN，該設(shè)備還可以加工帆形、馬鞍形等復(fù)雜曲板.

試驗研究的板材為帆形板，示意圖見圖3.板材材料為INVAR鋼材，板材密度為8 410 kg/m3，彈性模量123 GPa，泊松比0.25，屈服應(yīng)力241 MPa，抗拉強度為440 MPa，伸長率40%.三組試驗板材的參數(shù)見表2.

帆形板滿足曲面方程：

(1)

圖3 帆形板示意圖

表2 試驗板材曲面方程相關(guān)參數(shù)

選擇SOLID164作為劃分板材和剛體壓頭的單元類型，網(wǎng)格劃分時，壓頭屬于剛體模型，可以劃分的粗糙一些，板材需要詳細分析應(yīng)變應(yīng)力，所以板材劃分的單元體較小，見圖4.出于避免沙漏模式的考慮，在承受彎曲載荷的時候沿厚度方向劃分5層，沿長度和寬度方向劃分成41個，板材總單元數(shù)6 400，且盡量使壓頭和板材接觸的單元大小相同，提高計算精確度.

圖4 網(wǎng)格劃分

試驗選用單面接觸類型中的自動接觸子接觸類型，定義接觸過程中輸入的靜摩擦因數(shù)μ=0.15，動摩擦因數(shù)μ2=0.1.

上壓頭模具排列個數(shù)為14×14，下壓頭模具排列個數(shù)為15×15，1、2、3號帆形板板材尺寸為900 mm×900 mm×12 mm，根據(jù)表2中不同壓頭圓平面半徑r確定的壓頭模型，針對三組板材在ANSYS/LS-DYNA中編寫APDL命令流進行多點成形數(shù)值模擬試驗.

3 帆形板的數(shù)值模擬試驗結(jié)果

3.1 三種壓頭的厚向應(yīng)變云圖

圖5為厚向應(yīng)變云圖.由圖5可知：用完全倒圓角立方壓頭進行沖壓得到1、2、3號板材，壓頭圓平面半徑r=27 mm完全倒圓角立方壓頭成形質(zhì)量較好，板材厚向應(yīng)變絕對值最大值分別為0.015、0.011、0.008；用立方壓頭進行沖壓得到的1、2、3號板材厚向應(yīng)變絕對值最大值分別為0.021、0.044、0.008；用不完全倒圓角立方壓頭沖壓得到1、2、3號板材，壓頭圓平面半徑r=35 mm時不完全倒圓角壓頭成形質(zhì)量較好，板材厚向應(yīng)變絕對值最大值分別為0.012、0.008、0.006.不完全倒圓角立方壓頭較立方壓頭、完全倒圓角立方壓頭得到的板材厚向應(yīng)變更小，且厚向應(yīng)變分布更加均勻，而立方壓頭和完全倒圓角立方壓頭得到的板材局部變形更加嚴重，這說明不完全倒圓角立方壓頭模型抑制板材壓痕的效果更加明顯，成形效果更好.

圖5 厚向應(yīng)變云圖

3.2 試驗結(jié)果分析

用厚向應(yīng)變絕對值最大值、厚向應(yīng)變波動幅度(板材厚向應(yīng)變最大值、最小值之差)來描述壓痕，已有的研究表明厚向應(yīng)變可以較好地描述壓痕情況[11]，試驗結(jié)果見圖6.

圖6 板材厚向應(yīng)變絕對值最大值、厚向應(yīng)變波動幅度與壓頭圓平面半徑變化圖

由圖7可知：1、2、3號板材沖壓之后，相比于立方壓頭和完全倒圓角立方壓頭，不完全倒圓角立方壓頭在不同雙向曲率半徑的板材沖壓過程中，隨著壓頭圓平面半徑r的增加，厚向應(yīng)變絕對值最大值總體呈現(xiàn)下降趨勢，厚向應(yīng)變波動幅度隨著壓頭圓平面半徑r的增加而明顯減小，這意味著不完全倒圓角立方壓頭在板材沖壓過程中板材壓痕更輕微，成形效果更好,而立方壓頭壓痕最明顯，成形效果最差.

從r=31,35,39 mm這三組不完全倒圓角立方壓頭沖壓得到的板材厚向應(yīng)變絕對值最大值和厚向應(yīng)變波動幅度變化圖來說，隨著壓頭圓平面半徑r的增加，板材厚向應(yīng)變絕對值最大值和厚向應(yīng)變波動幅度總體上保持先減小后增加的變化趨勢，在r=35 mm左右時最小，這說明不完全倒圓角立方壓頭在r=35 mm左右時抑制壓痕效果最明顯.

4 結(jié) 束 語

運用三種立方壓頭模型進行基于武漢理工大學(xué)SKWB-800型船舶三維數(shù)控彎板機的有限元數(shù)值模擬試驗，通過三種立方壓頭的數(shù)值模擬試驗結(jié)果進行對比，證明相較于立方壓頭和完全倒圓角立方壓頭，不完全倒圓角立方壓頭在沖壓過程中抑制壓痕效果更好，且在壓頭圓平面半徑為35 mm左右時抑制壓痕效果最好.