槽钢辊弯成型过程的有限元模拟Word文件下载.docx
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Thisarticlefirstintroduceddomesticandforeignfundamentalresearchpresentsituationandtrendofdevelopmentaboutrollforming.Andthen,itanalyzedthetroughsteelrollcurvedformingprocessdistortionandthestress,takingthechannelsteelastheexample.Anditmadethereasonablesimplificationtothechannelsteelformationprocess,establishedtheanalysingmodel,carriedonthethreedimensionalfiniteelementsimulationanalysisusingthesoftwareLS-DYNAANSYStothetroughsteelrollformingandobtainedthestraindistributedruleofthechannelsteelintheformingprocessvariouswhilegoingalongdeformationrangestressonthebaseofelastoplasticityfinitedistortiontheory.Meanwhile,thispapercomparedthestraindistributionsituationinthedifferentformationwhilegoingalongtubeblankstress,analyzedtheequivalentstressandtheequivalentstraincurvevstimetothedifferentwhilegoingalongkeypointanddiscussedtheinfluencesonthechannelsteelformationbytroughsteelrollformingprocesssnappingbackphenomenonandsomecraftparameter.Theresearchingresultsofthispaperprovidedthereliableforecastingmodelforthepasssystemdesignofthecoldbendingsectionproductdevelopmentandthedirectbasisfortheactualproductionapplication,whichisofimportanttheoreticalsignificanceandtheapplicationvalue.
Keyword:
Channelsteel,rollforming,finiteelementmethod,ANSYS,simulation
目录
1绪论..............................................................1
1.1冷弯成型概述.................................................1
1.2计算机有限元仿真简介.........................................2
1.3国内外研究现状...............................................3
2辊弯成型工艺设计..................................................4
2.1料板展开宽度计算...............................................5
2.1.1冷弯钢板弯曲时中性层位置的确定.............................6
2.1.2毛坯料宽计算...............................................6
2.2平缓过度长度的确定...........................................7
2.3成型制度的确定.................................................9
2.3.1成型道次数的确定...........................................9
2.3.2弯曲角度的确定............................................11
2.3.3弯曲半径的确定............................................12
2.4轧辊驱动直径的确定............................................14
2.5孔型及成型辊设计..............................................15
3辊弯成型过程的有限元仿真.........................................15
3.1FEA理论的应用方式...........................................17
3.2有限变形基本理论............................................18
3.2.1变形过程的物质描述和空间描述..............................18
4槽钢辊弯成型的计算机仿真.........................................19
4.1有限元软件ANSYS/LS_DYNA简介..................................19
4.2有限元模型的建立和边界条件的确立............................22
4.3仿真结果分析................................................25
4.3.1各道次位移场分析.........................................26
4.3.2各道次等效应变分析.......................................28
4.3.3各道次等效应力分析.......................................31
4.4各道次横向、纵向应变及横向、纵向应力分析....................33
4.4.1各道次不同时刻横向、纵向应变分布情况分析..................33
4.4.2各道次不同时刻横向、纵向应力分布情况....................37
5总结和展望.......................................................41
5.1结论........................................................41
5.2对冷弯型钢发展前景的展望....................................42
参考文献.........................................................44
致谢.............................................................47
1绪论
1.1冷弯成型概述
我国冷弯型钢生产起始于20世纪50〜60年代，只在鞍山、上海、重庆等个别地区，以服务于农基业为主[2]。
1958年开始生产的冷弯型钢开始用于汽车、建筑、自行车制造等行业，其产品仅仅能满足该行业自身需要[3]。
70年代末仅有6家制造厂，在改革开放的有利形式下，国民经济建设对钢材品种和质量提出了新的要求，冷弯型钢的优点逐步为人们所认识和接受，冷弯型钢的生产取得了较大的发展[4]。
八九十年代以来，冷弯成型工艺技术在我国得到广泛应用。
但是在国内外，由于技术资料缺乏，工程技术人员经常需要进行探索和利用试错法解决工程问题，往往需要很长的调试时间，对市场的需求变化响应缓慢，而且造成了严重的资源浪费，生产成本相应较高。
因此冷弯成型工艺仍被普遍认为是一种“未掌握的艺术”，还未上升为科学。
主要原因是冷弯成型本身所具有的特点和规律还未被人们完全掌握和认知。
近年来，我国冶金行业的广大工程技术人员通过引进消化国外技术、与高校开展科学研究、设计以及生产等实践活动，积累了丰富的经验。
并且，越来越多的研究人员和机构的涌入，使得冷弯成型技术得到了较大的发展。
通过冷弯成型技术制造出来的冷弯型钢，因其具有能源与材料消耗小、表面质量好、尺寸精度高、相对刚度与强度大等优点，已经成为轻工、汽车、建筑和航空等领域广泛使用的经济型材[5]。
冷弯型钢能得到较为广泛的应用，主要是其具有如下特点[6]：
1）、断面形状简单的冷弯型钢（角钢、槽钢等），整个断面的壁厚是一样的，它们用来制造构件时，可以简化装配工序，并减少结构安装劳动力；
2）、逐渐的连续变形方式，适合大规模生产；
3）、高质量的冷轧带钢，经过连续的辊弯成型，仍然可以保持其优良的表面质量和精确的尺寸；
4）、不架次的冷弯型钢机组和不同工艺参数的成型机组，为生产各种规格、各种断面形状的产品提供了技术保证；
5）、辊弯成型可以同其他生产工序合并成一条多功能的连续作业线，这样就可以大大提高劳动生产率，改善产品质量，降低辅助材料和电力消耗；
6）、由于加工通常是在常温下进行，故可以用各种涂镀层的带钢进行加工，而且不至于破坏其表面的涂层和镀层；
7）、冷弯成型可生产出一般热轧难以生产的复杂断面、品种多样的薄壁冷弯型材，从而在金属消耗最少的情况下，获得最大的强刚度；
8）、在大规模生产方面，成型辊费用比冲模少，而使用寿命却比冲模长得多。
用一套装配式组合成型辊可生产多种规格的冷弯型钢，而一套型钢轧辊只能轧制一种规格的轧材；
9）、用冷弯型钢代替热轧钢一般可节约材料25%〜50%，这对于桥梁、车体等笨重结构是非常有利的，而且冷弯型钢结构、钢筋混凝土结构、装配式结构、木结构比起来，最主要的优点在于它的不燃性、强度高、结构重量轻，构件适于大批量生产，空间利用率高，施工期限缩短；
10）、冷弯型钢的纵向长度不受台面尺寸的限制，适于加工成型横断面形状复杂而纵向尺寸很长的制件。
1.2计算机有限元仿真简介
计算机仿真模拟是利用电子计算机对自然现象、物理过程、系统过程、系统结构、运动规律、社会经济以至人脑思维等客观世界进行比较逼真的模仿[7]。
在许多的工程设计问题中都存在瞬态动力学问题，这些问题往往都涉及一些瞬态动力学过程。
如果不采用分析方法，而完全使用实验手段，存在研制周期长，经费消耗多，成功率低等弊端。
随着计算机辅助工程（CAE）技术的发展，采用瞬态动力学分析的方法对这些工程设计问题所涉及的特定的瞬态动力学过程进行数值仿真，以此作为设计工作的辅助手段，则能极大的提高工作效率[8]。
与实验相比，计算机仿真具有以下优越性[9]：
1）所需周期短。
计算机仿真与CAD/CAE相结合，使得影响新产品各种性能的参数在开发过程中就可以得到控制，减少了产品的开发研制周期。
2）所需费用低廉。
由于不需传感器、高速摄像机等大量的实验设备，同时也不用耗费实验材料从而大大节约了人力和物力。
3）具有可重复性。
由于实验过程受很多因素的影响，因此在研究不同参数对研究问题的影响时，不易得到明确的结果，因而计算机仿真分析依赖于计算机硬件本身，所以当改变某一参数时，可以很容易得到该参数对系统性能的影响。
4）可以获得任意所需数据。
而实验中要获得较多的数据，就必须增加传感器和高速摄像机等测量仪器的数量，而且，由于传感器的安装位置要求以及不可摄像点的存在，有些数据是不可获得的。
而计算机仿真在数据获得方面是不受限制的，只要在所关心的点上建立一个描述坐标即可。
5）不受时间、空间、气候等条件的限制，可以随时进行。
所以计算机仿真分析具有实验所无法比拟的优越性。
1.3国内外研究现状
为了获得辊弯成形规律，提高工艺设计水平，国内外许多学者对辊弯成形工艺进行了研究。
在国外，对辊弯技术及其工艺已有100多年的研究历史，并且取得了丰硕的成果。
最初，对其成型过程的分析多基于试验为基础的经验知识，但随着辊弯型钢的应用日益广泛、研究的不断深入以及计算机等相关技术的迅猛发展，研究方法得到了很大的发展。
很多学者在求解辊弯成型方面提出了复杂的算法，但是真正能精确模拟分析的非常少。
目前辊弯成型的分析方法大致采用以下三种：
简化分析法，有限条法和有限元分析法[10]。
在日本，铃木弘、木内学、中岛聪、新谷贤等在冷弯成型的基础上，分析了圆弧形、V型、台面型等断面型材进行3段串联成型时所发生的变化、应变变化以及坯料与轧辊的接触应力分布、成型负荷与成型转矩等结果；
木内学还在实验研究的同时，用解析法对加工薄钢板的三维变形形状、变形运动轨迹与附加的应变成分的关系、导入形状函数进行了分析，并开发了利用含参数的形状函数近似地描述带材在成型时空间轨迹和变形曲面,求解应变应力的变形解析模型[11]。
山梨大学的小野田义富等对加工宽幅材单波成型时单段成型和顺序成型两种方法所产生的纵向弯度、边波、肋波等进行了调查，并采用弹塑性有限元法对直缝焊管、方矩形焊管、宽幅外卷边帽型钢辊弯成型模拟研究[17]。
中町英治等用弹塑性有限元法解析了汽车保险杠加工全过程中的应变与应力集中等。
在我国,蔡松庆首次采用有限元法研究复杂的焊管成型过程；
张必强和张全根曾以材料力学方法研究焊管成型问题；
以燕山大学刘才教授为首的课题组,对辊弯成型过程分别使用样条有限条法和弹塑性大变形三维有限元法进行深入系统的理论和实验研究,取得许多重要的研究成果[8][21-23]。
由此可见，现下国内外的研究都集中在有限元分析方面，但是在知道实际生产方面的研究还比较少。
2辊弯成型工艺设计
辊弯成型时,坯料带材在常温或者局部加热的情况下，通过一系列水平辊和立辊的连续挤压而得到一定断面形状的产品。
在变形过程中,坯料带材包含两种变形：
1）、横向弯曲变形，2）、纵向拉伸/压缩变形，但是带材的断面厚度和面积在理论上是不变的。
当带材进入孔型时，其前端边缘与下成形辊接触后稍稍抬起，在带材中产生小的弹性应力。
当带材继续前进至与上成形辊接触后，冀缘开始弯曲，即开始发生变形，并且在成形辊轴平面之前形成变形区[24]。
翼缘在开始变形之前是平直的，在受到纵向扭曲之后其断面仍然是直的，这样变形区内的带材就形成了复杂的直纹曲面形状。
带材断面形状发生变化，逐渐接近于该机架成形辊孔型的形状。
在翼缘变形的同时形成弯曲部位，此处的金属依次连续产生弹性变形和弹塑性变形，随着翼缘总弯曲角的增大弯曲半径减小，而弯曲部位切向正应力增大。
随着带材的前进并通过成形辊，在成形辊轴平面之前形成的变形区长度不断加大。
冀缘的直纹曲面与上辊接触后变成平面，这就是变形区发展的下一个阶段。
弯曲部位的变形最终将具有弹塑性变形的性质。
在带材通过成形辊轴平面之后，翼缘被完全整直，纵向扭曲被消除，而保留弯曲部位的变形。
其后，成形轧辊轴平面之前的变形区长度保持不变。
但是，由于变形区的内力矩不等于成形辊作用于带钢上的外力矩。
因此，在带材通过成形辊轴平面之后，冀缘继续弯曲，直到弯曲部位切向正应力的力矩等于外力矩为止。
这时变形区I区的形成过程结束。
当带材继续向前运行时，成形辊轴平面之后变形区长度继续增大，而弯曲角开始缩小，否则在变形区内弯曲部位的切向正应力矩会超过外力矩。
变形区II区开始形成，此处的弯曲部位消除弹性荷载，带材前端也产生弹性变形。
在消除弹性载荷的过程中，内应力重新分布；
而在成形辊轴平面之后变形区某一长度上，弯曲角不再减小。
当带材继续向前运行时变形区的尺寸不再改变，整个变形区上的应力和应变分布也保持不变。
此时材料在该机架整个变形结束。
由此可见，由于轧辊孔型施加载荷使板料产生横向扭转和纵向拉伸/压缩变形，使得辊弯成型过程成为一个很复杂的变形过程。
为了方便验证仿真效果，本文以某种实际存在使用的普通槽钢为例，进行了计算和仿真，从而可以真正意义上掌握槽钢成型过程的变性规律，对生产和设计具有指导作用。
2.1料板展开宽度计算
制定合理的毛坯就是使辊弯毛坯尺寸最小，材料等级最低，这首先意味着能减小材料耗用量，提高辊弯成型的材料的利用率，降低所用材料的价格，从而使产品成本降低，提高经济效益。
使用合理毛坯进行冲压，材料各部分的变形都贡献给有用形状的形成，无附加变形、未参与变形的附加余料牵制。
在机床及模具的状态、润滑条件一定的情况下，材料变形吸收能量最少，变形的应力、应变状态最佳，因而板料的成型性能可得到最大程度的发挥。
2.1.1冷弯钢板弯曲时中性层位置的确定[5]
一般来说，认为带材的中性层不发生弯折或变形。
因此，毛坯料的宽度一般采用图形分析法，在断面的中性层上计算确定。
对于比较复杂的断面，可以适当放大比例，从而进行精确的计算。
当板料弯曲变形较小时，中性层在板料中间，变形较大时，中性层逐渐向内移动。
通常当弯曲内半径r与板料厚度t之比小于12，即r/t<
12时，就必须考虑中性层向内的移动量。
该移动量通常是借助实验的方法得到钢板中性层位置系数k（见表2.1）。
设ρ为弯曲半径r的中心到中性层的距离，即中性层的弯曲半径ρ=r+kt。
表2.1钢板中性层位置系数的确定[5]
R/t
0.1
0.2
0.3
0.4
0.45
0.5
k
0.23
0.29
0.32
0.35
0.36
0.37
0.8
1.0
1.3
2.0
3.0
4.0
0.40
0.41
0.43
0.46
0.47
2.1.2毛坯料宽计算[5][25]
毛坯宽度的计算，也是基于中性层不发生弯折或变形的。
计算时，将弯曲件分解为若干段，并在中性层面上计算各部分长度，并求出其总和。
图2.1
板材弯角处的展开尺寸为：
L3=παρ/180°
=πα（R+kt）/180°
（2.1）
式中L3-折弯处展开长度（中性层弧长）；
α-折弯处的角度。
如图2.2所示，板材毛坯料的宽度为L=2L1+L2+2L3（2.2）
本文例中，α=90°
R=4,k=0.44,t=2.3
L3=παρ/180°
=π*90°
*（4+0.44*2.3）/180°
=7.87
L1=L1′-t-R=30-2.3-4=23.7
L2=L2′-2t-2R=60-2*2.3-2*4=47.4
L=2L1+L2+2L3=111
2.2平缓过度长度的确定
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