郑军兴，张曙红
(昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明650093)
摘要：使用ANSYS／LS-DYNA有限元软件的显式求解功能对厚度为4～8mm的板料进行有限元弹塑性分析，得到了板料成型过程中厚度因素对轧件应力、应变的影响规律。接着利用ANSYS的隐式求解功能分析了厚度因素对板料回弹的影响规律，并将回弹量的模拟数值与工作现场的回弹数值进行比较，表明计算结果具有一定的可信度。
关键词：ANSYS／LS-DYNA有限元；材料厚度；冷弯成型；回弹；影响
中图分类号：TG334．13：0242．82 文献标识码：A 文章编号：1003-9996(2007)02-0022-03
Simulation Research on the Influence of Material Thickness on Cold Roll Forming and Rebound Elasticity
ZHENG Jun—xing，ZHANG Shu—hong
(Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China)
Abstract：The influence rule of material thickness on stress and strain of piece during cold roll forming was obtained with ANSYS／LS-DYNA FEM software to simulate 4～8ram thickness of materials．The influence rule of material thickness on rebound elasticity W3S analyzed too．Meanwhile the simulation value of rebound was compared with the measured one，and the creditability of simulation value was assured．
Key words：ANSYS／LS-DYNA FEM；material thickness；cold roll forming；rebound；influence
在冷弯型钢的成型过程中，板料厚度对成型后零件的应力应变有一定影响[1,2]。为此探索了采用计算机模拟技术求解冷弯成型过程中板料厚度对成型的影响。使用ANSYS／LS-DYNA有限元软件对厚4～8mm的板料进行了模拟研究。
以昆明钢管公司的连续辊式冷弯成型机组所成型的带材为研究对象，金属带材宽度为410mm，厚度为6mm，机架间距为2000mm，8道次连续辊弯得到成品C型钢，8道次的变形角度分别为0。、15。、30。、45。、60。、75。、85。、90。。用ANSYS／LS—DYNA有限元分析软件对C型钢的成型过程进行数值模拟。着重分析了金属板料在成型过程中的变形规律及应力、应变变化规律。并研究了板料厚度对冷弯成型过程的影响。
首先，将成型辊定义为刚性体，金属板料定义成变形体。模拟时道次取7道次，变形角度分别为15。、30。、45。、60。、75。、85。、90。。为节省计算时间[3]模拟中不取0。，因为其不参加变形，只起输送板料的作用。网格沿周向划分32个等分，这样刚性成型辊共划分为640个单元。
在数值模拟分析中，板材尺寸取410mm×6mm×600mm，采用SHELLl63(壳单元)。材料模型为双线性随动硬化模型(BKIN)，单元尺寸大小设定为0．01m。板料的初速度为5m／s。接触方式为面对面的自动接触(FSTS)[4,5]。摩擦采用滑动库仑摩擦，静、动摩擦系数μs与μk。分别取0．20和0．15。
研究以P5IOL钢板为原材料进行仿真模拟，由单向拉伸实验测得材料的各项参数：密度p为7850kg／m3，泊松比μ为0．28，弹性模量E为206GPa，屈服强度σs为480MPa。求解时间设置为0．8s，移动位移设置为4．0m，划分了100个荷载步[6]。在成型分析时，根据成型特点，各成型辊等速旋转，仅轧辊间的基本直径略有区别，因而可忽略前后两机架问的张力。模拟结果如图1～图3所示。
由图1可看出：冷弯成型时存在变形过渡区，在该变形过渡区等效Von Mises应力已超过屈服强度，发生了塑性变形。板料刚咬入时因需形成过渡区域，故成型力相对较大。咬人一段距离后，随着过渡区的形成，分担了部分塑性变形，因而成型力相对减小。因此，板料在咬入时所受的应力最大，此时板料发生较大的塑性变形，在随后的第2～第7道次中变形逐渐趋于稳定。伴随着成型角度的增大，轧件的等效应力随之增加，应力最大处发生在轧件的弯曲角部位。
从图2、图3可看出：随着带材厚度的增加，板料圆角部位的应力、应变值相应增大。在板料咬入轧辊前，圆角部位的应力逐渐增大，到咬入时达到最大值；从咬人到出轧辊的过程中，应变发生很大变化，而应力保持不变；当轧件成型后，应力和应变均保持不变。翼缘部分的变形较小，主要是弹性变形。随着带材厚度的增加，翼缘部位的等效应力、应变值相应增大，但变化幅度较小。在轧件咬入轧辊前，翼缘部位的应力逐渐增大，应变保持不变；在轧件咬人时，应力达到最大值；在轧件出轧辊时，应力有所降低，而应变仍在增大；当轧件成型后，应力和应变均保持稳定。板料厚度发生变化时，厚度较大的带材边部稳定性较好，不易发生边浪等缺陷。
回弹是由于板厚方向上的应力和应变分布不均引起的。而这种应力和应变在板厚方向上的不均匀分布正是弯曲的特点。由图4可看出板料的变形应力存在不均匀现象。为使回弹减小，应使板厚断面内的应力和应变分布尽可能均匀，为此可采取在纵向纤维方向对板料进行拉伸或压缩的方法。由图5可知，在轧辊圆角半径一定情况下，板料厚度越大，回弹量越小。回弹量基本与板料厚度成线性关系。板厚的变化直接影响弯曲卸载后的回弹量。因为在圆角半径相同情况下，厚度大的板料表面应变和应力值较大，发生塑性变形的材料较多，因而回弹量减少。
从图6可以看出，回弹量自约束处向自由端逐渐增大，在端部回弹量达到最大值。换算后得知，厚度为6mm的P510L钢板成型90。时的回弹量约为6。。在昆明钢管公司的生产中取试样进行检测，测得90。时的回弹量约为4。。模拟结果与实际生产结果出现了较大的差异。其原因，一是生产现场测得的数据存在误差；二是与显式成型过程的精度有关；三是来自回弹模拟过程本身。
通过分析得出，回弹量的模拟值与实际生产值之间具有一定可比性；而且采用显、隐式相结合的方法计算回弹量较成功。总的来说，由于回弹模拟仍属于板料成型有限元数值模拟的前沿性课题，因而就回弹模拟本身而言，准确性和收敛性是动态显式和静态隐式两种算法都亟待解决的问题。
(1)用显式动力学有限元法对冷弯成型过程进行模拟计算，在理论上可行且具有实用价值。
(2)对不同厚度的5种钢板进行仿真模拟，分别得到了成型过程中板料厚度变化对应力、应变的影响规律，即随着带材厚度的增加，板料圆角部位的应力、应变值均相应增大。
(3)对不同厚度的5种钢板进行回弹模拟，分别得到了板料厚度变化对回弹的影响规律。即在轧辊圆角半径一定的情况下，板料厚度越大，回弹量越小。回弹量基本与板料厚度成线性关系。板厚的变化将直接影响弯曲卸载后的回弹量。
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[7]John O．Hallquist．LS-DYNA User’S Guide[M]．ANSYS Inc，2002
参考文献
5 结论
4 回弹模拟结果与实际生产中回弹量的比较及分析
3板料厚度对板料回弹的影响
2冷弯型钢成型过程的有限元模拟
1 引言
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