冷彎成形過程參數(shù)化仿 真

　　輥式冷彎成型，即在一排串聯(lián)的成型軋機(jī)上，連續(xù)通過金屬板和金屬板帶，順次使其彎曲，將帶鋼加工成所需的截面形狀的塑性加工方法。冷彎工藝設(shè)計(jì)主要依賴于經(jīng)驗(yàn)和試探法，不可避免耗費(fèi)人力和物力。為了縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，數(shù)值模擬成為冷彎設(shè)計(jì)的較佳選擇，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)冷彎成型工藝進(jìn)行了研究。李大永[1]和尹紀(jì)龍[2]采用顯式算法對(duì)槽鋼冷彎成型過程進(jìn)行了求解；徐樹成等[3]則采用三維彈塑性有限元對(duì)輥彎成形進(jìn)行了分析；Han等[4]采用了有限條法對(duì)輥彎成形全流程進(jìn)行了模擬；Heislizl[5]用軟件PAM—Stamp模擬了槽型截面件的輥彎成型；Brunet等[6]首先采用基于平面應(yīng)變殼單元的二維彈塑性有限元方法，計(jì)算帶鋼在軋輥處截面彎曲變形；Lindgren[7]采用MARC分析了不同的高強(qiáng)度鋼冷彎成形過程；Sheikh[8]用 SHAPE軟件進(jìn)行了輥彎仿 真。
　　U型槽鋼產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上基本相同，但由于使用的場合、工況的差別，在尺寸結(jié)構(gòu)上形成了一個(gè)系列，如果逐一地對(duì)其進(jìn)行建模分析，重復(fù)工作量將相當(dāng)龐大。因此在有限元分析過程中引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)的思想，可實(shí)現(xiàn)有限元建模與分析參數(shù)化。由于輥彎成型過程比較復(fù)雜，牽涉因素比較多，目前國內(nèi)外尚未看到將參數(shù)化思想融入到輥彎成形有限元仿 真的報(bào)道。
　　本文利用有限元軟件ANSYS提供的APDL語言，采用顯式算法對(duì)U型槽鋼輥彎過程進(jìn)行了仿 真，將參數(shù)化設(shè)計(jì)思想融入到有限元分析，從而實(shí)現(xiàn)了冷彎槽鋼參數(shù)化有限元仿 真。

1 槽鋼輥彎成型參數(shù)化仿 真系統(tǒng)
　　槽鋼輥彎成形參數(shù)化仿 真系統(tǒng)采用便于編輯和管理的模塊化結(jié)構(gòu)，包括用戶界面、初始參數(shù)咨詢選擇、孔型參數(shù)計(jì)算等幾部分組成。系統(tǒng)針對(duì)用戶提出槽鋼的設(shè)計(jì)規(guī)格，根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)條件，通過人機(jī)對(duì)話，選擇設(shè)計(jì)方法、變形道次、計(jì)算公式及相關(guān)的孔型設(shè)計(jì)參數(shù)，分別進(jìn)行冷彎槽鋼的孔型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果可以屏幕顯示，又可以計(jì)入數(shù)據(jù)文件中。
　　用ANSYS—LSDYNA集成一個(gè)CAD/CAE專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其中ANSYS做前后處理器，LSDYNA作為求解器進(jìn)行求解。槽鋼輥彎過程模擬流程圖如圖1所示。

　　成型道次角度的確定：
　?。?）受咬入條件、邊部拉伸及軋制穩(wěn)定性所限制，成型開始道次的彎曲角應(yīng)相應(yīng)減小，一般選10°到20°范圍內(nèi)為宜；
　　（2）中間道次的彎曲角的選擇應(yīng)盡可能大。這是由于咬入條件得到了改善，彎曲穩(wěn)定性因素增加以及邊部拉伸的有限制逐漸減弱，因此要盡可能利用材料的塑性，增大彎曲角，減少彎曲道次；
　?。?）后續(xù)道次彎曲角越小越好，斷面形狀的變化越小，彎曲力相應(yīng)地減小，因此可減小回彈，保證了產(chǎn)品的精度。

　　生產(chǎn)實(shí)際中一般用變形角分配方式，即平均分配和余弦分配。

2 槽鋼輥彎參數(shù)化有限元分析
2.1槽鋼輥彎參數(shù)化建模
　　在槽鋼輥彎分析中，對(duì)槽鋼特征進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。由于U型槽鋼彎曲過程的對(duì)稱性，只取一半進(jìn)行研究分析，如圖2所示。板子厚度為H，寬度為W，中性面上的彎曲角度為θ，彎曲半徑為R，彎曲邊長為L，彎曲道次為n道，軋輥間距為S，板子初速度為v，上軋輥半徑為UR，下軋輥半徑為DR。其中OA垂直于TD，OJ垂直于GD。
　　每一道次彎曲參數(shù)定義為數(shù)組形式，邊長數(shù)組BC(n)，角度數(shù)組DE(n)，彎曲半徑數(shù)組WR(n)，軋輥間距為S(n)，上軋輥半徑UR(n)，下軋輥半徑為DR(n)；根據(jù)彎曲的幾何特征，設(shè)第n道次中性面上對(duì)稱點(diǎn)S點(diǎn)的坐標(biāo)為（0,0，-S(n)），T點(diǎn)的坐標(biāo)為（0，-H/2，-S(n)），Q點(diǎn)的坐標(biāo)為（0，H/2，-S(n)）。
彎曲部分的弧長：
P=2×π×WR(n)×DE(n)/360;
中性面上的直線和斜線的交點(diǎn)E的坐標(biāo)為：
X5=W/2-BC(n)-P+TAN( DE(n)/2）×WR(n)，
Y5=0,Z5=-S(n);
下表面直線和斜線的交點(diǎn)D的坐標(biāo)為：
X1=W/2-BC(n)-P+TAN（DE(n)/2）×（WR(n)+H/2），
Y1=-H/2,Z1=-S(n);
上表面直線和斜線的交點(diǎn)F的坐標(biāo)為：
X6=W/2-BC(n)-P+TAN（DE(n)/2）×（WR(n)+H/2）
Y6=H/2,Z6=-S(n);
中性面的邊部端點(diǎn)N坐標(biāo)為：
X3=W/2-BC(n)-P+WR(n)×SIN（DE(n)）+BC(n)×COS（DE(n)），
Y3=2×WR(n)×SIN（DE(n)/2）×SIN（DE(n)/2）+BC(n)×SIN（DE(n)）,
Z3=-S(n);
下表面的邊部端點(diǎn)G坐標(biāo)：
X2=X3+H/2×SIN（DE(n)）,Y2=Y3-H/2×COS（DE(n)）,Z2=-S(n);
上表面的邊部端點(diǎn)M坐標(biāo)：
X4=X3-H/2×SIN（DE(n)）,Y4=Y3+H/2×COS（DE(n)）,Z4=-S(n)

　　圓弧AI半徑為WR(n)+H/2,圓弧BJ半徑為WR(n)，圓弧CK半徑為WR(n)-H/2，輥花圖由TQ、QC、CK、KN、NG、GI、IA、AT組成。
2.2 槽鋼輥彎參數(shù)有限元模型
　　為了給出基于結(jié)構(gòu)參數(shù)化的有限元分析方法的直觀認(rèn)識(shí)，本文給出調(diào)整帶鋼寬度、彎曲角度、彎曲道次而保持其他參數(shù)不變的模型和求解結(jié)果。
　　（1）有限元模型：本文選擇的實(shí)例分析中主要考慮A、B、C三組參數(shù)，見表1.參數(shù)的模型的成形過程示意圖可如圖3；參數(shù)的有限元模型如圖4。
材料為經(jīng)典雙線性隨動(dòng)硬化彈塑性，由實(shí)驗(yàn)測得材料的各項(xiàng)參數(shù)：密度ρ=7850kg.m-3,泊松比μ=0.28,彈性模量E=206GPa，屈服力σs=509MPa，仿 真時(shí)帶鋼前進(jìn)的速度采用虛擬速度6000mm/s（實(shí)際為83.3mm/s）。
　　冷彎過程的邊界條件：根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱約束；帶鋼以一恒定的初始速度向輥縫運(yùn)動(dòng)，直至進(jìn)入輥縫后，靠輥縫與帶鋼間的摩擦力帶動(dòng)帶鋼運(yùn)動(dòng)，完成冷彎成型過程。軋輥定義為剛性體，僅繞軸向旋轉(zhuǎn)，其它方向均結(jié)束。
　　接觸面采用自動(dòng)面面接觸，應(yīng)用罰函數(shù)法進(jìn)行接觸控制，一旦計(jì)算中發(fā)生接觸穿透現(xiàn)象，即施加一個(gè)很大的罰函數(shù)值使其返回到接觸面進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算分析。冷彎過程中靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15。

3 模擬結(jié)果分析
　　參數(shù)有限元模型求解的等效應(yīng)力云圖如圖5所示，從圖中可以看出槽鋼輥彎過程中應(yīng)力的分布規(guī)律，彎曲位置應(yīng)力相對(duì)比較集中，邊緣處偏小，這與實(shí)際情況相符。C組模型彎曲道次多，相應(yīng)的每一道變形小，彎曲部位應(yīng)力也隨之減小。

　　在成型過程中帶鋼翼緣被逐漸折起，變形程度不斷加劇，輥彎過程初期階段金屬是彈性彎曲，當(dāng)金屬等效應(yīng)力超過屈服極限時(shí)金屬彎曲時(shí)塑性彎曲，帶鋼拋出輥縫后不再受成型輥的約束而發(fā)生彈性回復(fù)。
　　需要說明的是，在這三組不同參數(shù)情況下的有限元分析中 ，從建立模型到有限元求解直到后處理操作的一系列過程全部包含在有限元分析流程中。計(jì)算時(shí)只需要在編制的參數(shù)化分析流程文件中輸入?yún)?shù)便可自動(dòng)得到調(diào)整后的有限元分析結(jié)果。

4 結(jié)論
　　鑒于國內(nèi)外尚未使用參數(shù)化方法對(duì)槽鋼進(jìn)行有限元分析，本文根據(jù)”U”槽鋼彎曲的基本特征，利用ANSYS提供的APDL語言，采用彈塑性有限元方法對(duì)”U”型槽鋼冷彎成形過程進(jìn)行參數(shù)化仿 真。通過對(duì)三組不同冷彎參數(shù)對(duì)槽鋼進(jìn)行參數(shù)化仿 真，分析軋制的應(yīng)力和應(yīng)變規(guī)律；這樣既可以完成對(duì)冷彎槽鋼成型過程的參數(shù)化分析，又可以實(shí)現(xiàn)軋輥的繪制。
　　給出新的冷彎槽鋼模型參數(shù)，新的冷彎槽鋼模型和新一輪的有限元分析甚至后處理操作均可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于槽鋼系列化的產(chǎn)品，采用上述的參數(shù)化有限元分析思想，可將結(jié)構(gòu)分析的繁雜的工作簡化為僅僅輸入設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，參數(shù)化仿 真不但可以減輕分析人員的工作量，同時(shí)還大大縮減分析過程。