（机械电子工程专业论文）先进高强度钢辊弯成型有限元仿真研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 辊弯成型过程是一个复杂的成型过程，涉及到几何学、运动学、动力学等很多方 面，其变形不只是单一的某一方向的变形，还伴有各种附加变形，如纵向的弯曲变形、 纵向横向的伸缩变形等。由于缺乏完善的成形理论，辊弯成型工艺的轧辊设计多是以经 验设计为主，依赖试错法获取工艺规律，在设计阶段无法验证金属变形是否合理，轧辊 设计是否正确。对辊弯成型过程进行有限元仿真，可以有效的获取工艺规律，指导生产 实践。 先进高强度钢是近年来出现的新型钢材，材料性能有别于普通碳钢及传统高强度 钢，单纯用现有的辊弯成型经验很难获得生产中所要求的产品。本文在国内首次对先进 高强度钏的辊弯成型工艺进行有限元仿真，研究方法和结论对辊弯成型工艺研究有借鉴 意义。 本文研究项目来源于p o l o 轿车侧门加强梁的国产化研究。仿真分析结果认为工艺 设计可能存在缺陷，以此为依据进行优化后的设计方案应用于生产，其产品符合上海大 众汽车有限公司企业标准，替代了德国进口产品。 本文计算分析了辊弯成型工艺的边部应力、位移云图以及成型限度参数( f l p ) 。 本文建立了圆角成型仿真模型，对先进高强度钢d p 8 0 0 和普碳钢q 2 3 5 的辊弯成型回弹 和变形能进行了对比分析。研究结果表明：与q 2 3 5 相比，随着成型角度的增加， d p 8 0 0 的回弹增量及辊弯变形能增量均有显著增加。 本文对先进高强度钢的辊弯回弹仿真值与b i s w a s 回弹公式计算值进行了对比分 析。研究结果发现，b i s w a s 回弹公式不能简单地应用于先进高强度钢的辊弯回弹计 算，而应考虑屈服应力随弯曲角度增加而增大的特性，寻求新的计算方法。 关键词：先进高强度钢，辊弯成型，有限元分析，回弹 北方工业大学硕士学位论文 s i m u l a t i o nt h er o l lf o r m i n gp r o c e s so f a h s s a b s t r a c t r o l lf o r m i n gi so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dp r o c e s s e si nt h ew o r l df o rf o r m i n gm e t a l s t h ec o m p l e xp r o c e s s e sc o n t a i nm a n ya s p e c t ss u c ha sg e o m e t r y ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s ，e t c t h es h a p i n gp r o c e s s e si n v o l v en o to n l yt r a n s v e r s eb e n d i n g , b u ta l s oo t h e ra d d i t i o n a l d e f o r m a t i o n s a sar e s u l to f l a c k i n go ft h e o r i e s ，t h er o l ld e s i g nb a s e do ne x p e r i c t l c e , a n di t s t e c h n o l o g ya c c o m p l i s hb yt e s ta n de r r o r i nd e s i g n ，i ti s n ta s s u r e dw h e t h e rt h em a t e r i a lf l o wi s r e a s o n a b l eo r n o t ，a n dw h e t h e rt h er o l li sa c c u r a t eo rn o t t h ea d v a n c e dh i g h s t r e n g t hs t e e l s ( a h s s 、a r et h en e w e rt y p e so fs t e e l s o w i n gt oi t s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw h i c hi sd i f f e r e n tf r o ml o w - s t r e n g t hs t e e l sa n dt h ec o n v e n t i o n a lh i g h - s t r e n g t hs t e e l s ，t h ee x i s t i n g r o l lf o r m i n gt e c h n o l o g i e sa r eh a r dt oa c c o m p l i s ht h er e g u l a r p r o d u c t s m s c ，m a r ci su s e dt os i m u l a t ea n da n a l y s i st h em l lf o r m i n gp r o c e s so fa d v a n c e dh i g h s t r e n g t h e ns t e e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h eb u go f t h er o l ld e s i g n a f t e rt h eo p t i m i z e d d e s i g ni su s e dt op m c t i c e ，r e g u l a rp r o d u c t sa r ep r o d u c e d f o r m i n gl i m i td i a g r m n sa l eu s e dt oa n a l y s i st h ef o r m i n gl i m i tp a r a m e t e r ( f l p ) i nt h e m o d e l t h ec o n t o u rb a n do f d i s p l a c e m e n ta n dt h es l l e s sa r eu s e dt oa n a l y s i st h ep r o p e r t yo f t h e d e f e c to f s h a p eo f t h ep r o d u c t s s e t t i n gu par o l lf o r m i n gm o d e lw i t ht h es a m ef o r m i n gs e q u e n c e ，t w od i f f e r e n tm a t e r i a l s d p s 0 0a n dq 2 3 5h a v eb e e na p p l i e dt ot h em o d e li no r d e rt oc o m p a r et h e i rs p r i n g b a c ka n g l e s a n dd e f o r m a t i o ne n e r g y t h ec o n c l u s i o n so f t h es t u d yi n d i c a t et h a t , w i t ht h ei n c r e a s eo f f o r m i n g a n g l e ，c o m p a r e dw i t hq 2 3 5 ，t h es p r i n g - b a c ka n g l e so f d p 8 0 0 h a sam a r k e dd i f f e r e n c e ，a n dt h e d e f o r m a t i o ne n e r g yo f d p 8 0 0i si n c r e a s e do b v i o u s l y s p r i n g - b a c ko f s i m u l a t i o ni sc o n t r a s t e dw i t hc a l c u l a t i o no f b i s w a se q u a t i o n t h er e s u l t s i n d i c a t et h a t , b i s w a se q u a t i o nc a nn o tb ed i r e c t l yu s e dt oc a l c u l a t et h es p r m g - b a c ko f a h s s t h ec h a n g e dy i e l ds 仃e s sss h o u l db ec o n s i d e r e d ，an e wc a l c u l a t i o nm e t h o ds h o u l db e d e v e l o p e d k e yw o r d s ：a h s s ，r o l lf o r m i n g ，f e a ，s p r i n g b a c k 。2 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 友王些盔堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：漫享凌签字日期：如“年乡月2 工f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j e 友王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权j e 直至些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：迦永凌 签字日期：上咿睁r 月工2 ，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：南京轻工业机械厂 通讯地址： 南京市中山东路5 3 2 一l 号 导师签名：参h 碳 签字日期：k6 年厂月- 日 电话：0 2 5 - - 8 4 6 1 2 4 9 8 邮编：2 1 0 0 1 6 北方工业大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 冷弯型钢应用现状 1 1 1 辊弯成型简介 辊弯成型( r o l lf o r m i n g ) 是一种节材、节能、高效的金属成型新工艺、新技术，因 其多用于钢材的低温状态下弯曲成型，也称为冷弯型钢。辊弯成型工艺通过顺序配置的 多道次成型轧辊，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断面的型 材【1 。 冷弯型钢的优点在于其断面形状可以很复杂，一次性投资小，上马快，产品表面光 滑，尺寸精度高，属于高效经济断面钢材，一般可节约金属1 5 3 0 。这些特长， 决定它生命力强，受到各行业用户的欢迎。 1 1 2 行业背景 我国冷弯型钢生产，起始于五一t - n 六十年代，在鞍山、上海、重庆等个别地区，服 务于农机业为主。到八十年代，是第一次发展高潮，集中于华东、华北、东北，服务于 汽车、客车、建筑门窗、交通运输、货架、电器等行业。 我国正进入冷弯型钢发展的第二次高潮 2 。到目前为止，生产机组达到一千多 套，全国冷弯型钢生产能力达到1 5 0 0 万年，钢种从单一的普通碳钢向高强、耐候、：耐 火等钢种发展，主要产品有：公路护栏、钢结构、汽车、集装箱、钢模板和脚手架、铁 道车辆、船舶、桥梁、输电铁塔、钢板桩、悬挂输送机导轨，电缆桥架、电器柜、农业 机械、谷物仓储、管道支架、电梯导轨、货架、吊顶龙骨、蔬菜大棚、家具及防火设备 等等。 冷弯型钢在我国的各行各业日益得到广泛的应用，下面的一组图片展示了冷弯型钢 的典型应用 3 。 北方t 业大学硕士学位论文 公路护栏板 i & 7 蕊鋈i 啪 骧 消音器及排气管 汽车门窗 减震器 汽车车箱、车身 2 一 传动轴 北方工业大学硕士学位论文 集装箱 脚手架 f 下i 蕊毒杀 卜一一；i 童童篓墓 悬挂输送机导轨 一3 一 钢模板 钢板桩 蜂窝梁 北方工业大学硕士学位论文 1 = 一产 。3 鼍1： n li m*l 。l 输电铁塔 电缆桥架 一d 一 电器柜 北方工业大学硕士学位论文 谷物仓 龙骨 蔬菜大棚 一5 一 电梯导轨 货架 北方二r 业大学硕士学位论文 方矩管斜撑 波纹管 钢混管 1 2 辊弯成型技术研究现状 1 2 1 解析计算与数值分析的探索 辊弯成形解析计算与数值分析方法大体可分类为四种 4 - 8 。 1 2 1 1 简化解析法及运动学法 在该方法中将横向弯曲变形分析和纵向弯曲变形分析分别实现，其中横向弯曲变形 采用弹塑性理论和纯弯曲理论进行分析，而纵向变形将带材视为弹塑陛薄壳进行分析。 计算模型与实际变形过程的偏差较大，因而用此方法，只能做初步分析。 1 2 1 2 增量型能量法 增量型能量法取一个架距进行研究，在空间构型未知的情况下，引进形状函数来分 析整个变形过程。这种方法考虑了整个变形的变形历史，同时也考虑了轧辊对板料的局 一6 北方工业大学硕士学位论文 部作用，变形分析过程与实际变形比较吻合。缺点在于变形曲面的待定系数少，导致构 型曲面和真实曲面之间的误差过大，从而限制了应力应变分析的精度。另外在处理应力 应变关系时，做的假设过多，导致计算精度降低。 1 2 1 3 有限条法 与有限元法相比，有限条法的主要不同点在于有限条法所取的位移函数，一般是以 多项式和正交级数乘积的形式给出，使得弹性力学问题降维，从而使总刚度矩阵大大降 阶。有限条法虽然能降低计算量，但在整个计算过程中采用了一些假设如：单元的板壳 结构划分，忽略了坯料沿轧制方向的运动，忽略了坯料内的剪应变，将坯料作为线性强 化的弹塑性体，忽略了中性面的移动，忽略了接触区以外的变形等。因此，它只能近似 地模拟整个变形过程。 1 2 1 ，4 有限元法 有限元方法把一个连续的，具有无限多自由度的整体划分成有限个自由度的单元集 合体，通过对单元求解，实现对整个连续体的数值逼近。7 0 年代初，人们开始用有限 元方法分析金属成型中的弹塑性问题。时至今日，有限元法已经能处理几乎所有连续介 质问题，成为种强有力的工程数值计算方法。然而，在求解上，有限元方法仍存在两 大难题：一是随单元数目增多，需较大的内存空间；二是汁算时问过长，机时费用昂 贵，在大型计算机不普及的情况下，其应用受到一定限制。 1 2 _ 2 课题相关理论研究进展 1f 2 2 1 辊弯成型有限元仿真技术进展 1 9 9 6 年，g n e f u s s i 9 等人将弹塑性有限元方法引入辊弯成型模拟，将板考虑 为薄壳，中性层用c o o n s 曲面( 1 9 6 2 至1 9 6 4 年间c o o n s ，s a 提出的一种曲面分片设 计，最后拼接造型的方法，这也是双三次样条函数的参数化形式，事实上也可以看作是 三次样条曲线的张量积的形式 1 0 ) 描述，并在工作站上用刚塑性有限元法对辊弯成型 过程进行模拟。随后g n e f u s s i 等人又基于将板考虑为薄壳，中性层用c o o n s 曲面描 述的理论对圆管的辊弯成型过程进行了仿真i t l l 。在仿真中将材料的变形考虑为匀速， 采用了p r a n d t l r e u s s 模型，包括米泽斯屈服条件( 1 9 1 3 年德国力学家米泽斯( r v o n m i s e s ) 提出，将特雷斯卡屈服条件的六边形以通过其顶点的圆代替，是一种近似的准 则，数值计算上比较方便1 1 2 ，应变硬化，常态流动规律，提供了辊间板料的最佳轮廓 和速度场的最小化塑性功率。 一7 一 北方工业大学硕士学位论文 1 9 9 8 年，日本学者木内学【1 3 】将计算机仿真技术应用于对异形管的辊弯成型，假设 平面应变，在平衡方程中考虑了剪切力的同时忽略了剪切变形，在断面上得到了令人满 意的力和力矩，而不论其是否与轧辊接触，为了处理管的变形特性，修改了接触模型。 并对断面几何、外围曲线的划分对管二次成型的影响，圆角半径，产品缺陷的发生，壁 厚的增长速度，圆角弯曲力矩，单位长度加载进行了分析。同年，日本的y o s h i t o m i o n o d a 1 4 等人用刚塑性有限元法对辊弯成型电焊管的变形特性进行了分析，得出了 倾斜角的最大值热效应区的最外层表面的金属流动线，以及在壁厚方向等温焊接可以降 低最大倾斜角的结论。 2 0 0 0 年，a a l s a m h a n 1 5 和i p i l l i n g e r 及p h a r t e l y 将实时网格重划分技术引入辊 弯成型仿真，并将其应用于带钢的滚动摩擦计算。紧接着，又将对称网格和网格重划分 技术应用于梯形截面槽钢的辊弯成型仿真计算【1 6 。 2 0 0 1 年，日本学者木内学等人【1 7 】用二维弹塑性方法对方管的辊弯成型进行了计算 机仿真并得出了和试验相吻合的仿真结果。同年，韩国的s u k m o oh o n g 等人 1 8 】对成型 长度对辊弯成型的影响进行了仿真分析，考虑了材料特性，板料厚度，轧辊直径，材料 变形，并用仿真结果的纵向应变与试验结果进行了对比，得出了加工硬化是决定预变 形板料成型长度的主要因素。 2 0 0 2 年，日本的k e n - i c h i r om o r i 等人 1 9 用基于平面应变的刚塑性有限元法对具 有开槽辊的轮缘的辊弯成型过程的塑性变形做了有限元仿真。用这种方法，辊弯成型过 程近似于有相同的断面模具的锻压过程，轮箍方向的延伸相等。计算得到的成型轮缘的 外形与试验结果吻合，根据计算结果对轮箍的壁厚分配进行了优化。韩国的n a k s o o k i m 等人【2 0 将刚塑性有限元方法和二次多项式回归分析方法用于厚壁圆管初始带钢边 部形状的预测和设计，得到了优化解。伊朗的m f a r z i n 等人【2 1 】用有限元方法对辊弯成 型过程的应变挠度限度进行了分析计算，并与试验结果进行对比，得出结论：当板材的 强度是极限因子时，挠度限度与试验结果比较吻合；当挠度限度已知时，可以得到优化 设计的辊花图。伊朗的m t a j d a r i 等人【2 2 对对称开口截面的辊弯成型进行了仿真，计算 了变形能量，通过最小化变形能量修正了预估计几何形状，提出了应力分配，考虑剪切 应力和包辛格效应。 国内，王春新 3 】对辊弯成型的袋形波缺陷和内半径为零的辊弯成型过程进行了模 拟，得出袋形波是弹性波、由弯曲过程中板料的横向拉伸和纵向收缩引起的结论，并通 过仿真优化了内弯曲半径为零冷弯工艺的轧辊设计。夏雁宾 2 3 对预冲孔板料的辊弯成 一8 一 北方工业大学硕士学位论文 型进行了仿真分析，认为产生孔型畸变的主要原因是板料的冲孔区域和加工宽度接近， 成型角外侧的板产生横向位移而产生孔型畸变，并通过仿真分析优化了轧辊设计。 1 2 2 2 高强度钢辊弯成型应用 随着当代汽车工业的发展，节省燃料和保证安全的要求使得高强度钢在汽车工业中 的应用稳步增长。与其它材料，如轻金属铝、镁，或是塑料和复合材料相比，高强度钢 除了减轻重量外，还有另外的优点，即其加工工艺类似于传统的低碳钢。因此，高强度 钢在减轻重量的同时其总的制造成本也下降。其它竞争材料在这方面的情况则截然相反 【2 4 。随着人们对高强度钢认识的提高，高强度钢越来越多的被应用于现代工业，用辊 弯成型工艺加工高强度钢材也越来越得到广泛的应用。 数十年来，高强度钢在汽车行业和板金属成型其他行业的应用被限制在简单形状 上，因为人们普遍认为随着强度的提高，钢材的成型能力就降低了。而美国的s m a r t p h i u i pk e e l e r 2 5 通过研究指出，高强度并不意味着成型能力的普遍降低，成型限度只是 某种成型方法的函数，每一种成型模式有特定的成型参数。高强度钢辊弯成型设计的关 键参数为 2 6 1 ：弯曲角度，板金属厚度，回弹补偿，道次数，变形功率等。日本学者小 奈弘利用用高强度钢的高回弹特性将薄板加工为特殊圆管。这种圆管具有形状记忆特 性，可以像卷钢板一样卷起来，在使用时再展开 2 7 。 1 - 2 2 3 辊弯成型卸载过程回弹问题 在金属成型过程中，回弹是一种普遍的现象。匣l 弹主要由卸载过程中工件内部 的弹性残余应力引起，因此必须在轧辊设计中考虑回弹，回弹问题也是辊弯成型工艺设 计的难点之一。正确了解回弹有助于大弯曲角断面冷弯型钢的成型工艺轧辊设计，f r e d g r a d o u s 和h a n h u il i 2 8 3 认为影响回弹的因素有五个：弹性模量e ，波松比，屈服应 力，中性层的弯曲角度，金属厚度。l u cp a p e l e u x 等人c 2 9 用有限元分析方法通过计 算二维u 型弯曲的回弹问题，分析了影响回弹问题的几个因素。 i s a m u a l y 3 0 用有限 元软件包m a r c 模拟u 型弯曲的回弹，并分析了冲模轮廓半径、摩擦、材料特性对回弹 比的影响。 1 - 2 3 辊弯成型有限元仿真的必要性及可行性 目前冷弯型钢的轧辊设计多是以经验设计为主，依赖试错法获取工艺规律，在设计 阶段并不能确定金属变形是否合理，轧辊设计是否正确。一旦出现问题就会增加模具成 本，延长调试时间，从而不能及时交货。而采用辊弯成形仿真技术可以节约模具成本， 减少调试时间，提高生产效率。因此对辊弯成形过程进行理论研究和计算机仿真是十分 必要的。 一9 一 北方工业大学硕士学位论文 另一方面，近十年来计算机行业得到了飞速发展，cpu 速度加快，内存加大，计 算机的整体计算性能不断提高。而商用有限元软件的发展则为辊弯成形仿真的实现提供 了软件基础，使得辊弯成型过程的仿真具有了可行性。 本校机电工程专业c a d c a e c a m 实验室购有m s c m a r c 有限元软件。该软件具有超 强的非线性分析功能，适于金属成型过程仿真。加之本专业新购置的配置为3 2 g h z 主 频c p u 和1 g b 内存的计算机，为课题的进行提供了软硬件条件。 1 - 3 课题研究内容 1 - 3 1 辊弯成型有限元仿真模型研究 利用有限元软件建模是进行有限元仿真的基础。而有限元软件的使用有别于常用软 件及一般的c a d c p d v l 软件，使用者必须深入理解有限元方法，并对仿真对象的相关 理论背景有深刻的理解，方能建立与工程实际相符合的分析模型。因此，课题研究过程 必须要深入学习有限元方法及辊弯成型相关理论，熟练掌握有限元软件的使用，从而建 立有效的分析模型。 1 3 2 先进高强度钢辊弯成型过程仿真 先进高强度钢是近年来出现的新型钢材，材料性能有别于普通碳钢及高强度钢，用 现有的辊弯成型工艺技术很难获得生产中所要求的产品。课题研究用有限元方法对先进 高强度钢的辊弯成型过程进行计算机仿真，分析板料在成型过程的应力应变等工艺参 数，为先进高强度钢的辊弯成型模具设计提供指导性的意见。 1 3 3 先进高强度钢辊弯成型回弹分析 实践表明，先进高强度钢的回弹是先进高强度钢辊弯成型工艺的设计难点。由于先 进高强度钢独特的材料性能，成型后的回弹比普通碳钢及传统高强度钢大。课题利用项 目仿真所建立的仿真模型，分析先进高强度钢的辊弯回弹特性，有效地指导先进高强度 钢辊弯成型轧辊设计。 1 3 4 先进高强度钢辊弯成型变形能分析 由于先进高强度钢独特的材料性能，先进高强度钢的成型所需变形能大于普通碳钢 及高强度钢。利用项目仿真所建立的仿真模型，分析先进高强度钢辊弯变形对变形能量 的需求特点，以有效的指导先进高强度钢辊弯成型轧机设计。 一1 0 北方工业大学硕士学位论文 1 4 课题来源、研究目的及意义 本课题来源于上海和达汽车配件有限公司委托北方工业大学机电工程研究所进行的 有关先进高强度钢辊弯成型加工的研究项目。该项目是p o l o 轿车的加强板，在此之前 该部件作为主要部件一直从德国进口。 本课题研究的目的在于深入研究有限元方法和辊弯成型技术以及先进高强度钢特 性，建立合理的辊弯成型有限元仿真模型并将其应用于生产实践。进一步运用所建立的 有限元仿真模型进行先进高强度钢辊弯成型特性的研究，并用课题研究结果指导先进高 强度钢的辊弯成型工艺设计。 本课题研究的意义在于采用科学的方法代替目前只能依赖试错法解决辊弯成型工艺 问题的现状，探索先进高强度钢辊弯成型的机理和特性，提高我国制造业在辊弯成型领 域的竞争与创新能力。 北方工业大学硕士学位论文 2 先进高强度钢介绍 2 1 超轻钢车身一先进车辆概念0 】i ，s a b a v c ) 1 6 1 9 钢材生产技术的进步与汽车钢结构设计的进步是一个相互促进的过程。2 0 0 0 年8 月，在美国密歇根州举办的汽车管理会议上，提出了国际钢工业( g l o b a ls t e e l i n d u s t r y ) 的超轻钢车身先进车辆概念计划( u l s a b - a v c ：t h eu 1 t r a l i g h ts t e e l a u t ob o d y a d v a n c e dv e h i c l ec o n c e p ts ) 。该计划以环境保护为主要目标，提出建立 面向未来的概念型汽车。 先进车辆概念的主要目标有：提高碰撞性能；降低整车重量；降低c 0 2 排放，提高 燃油效率；改善车辆经济性；节约资源；1 0 0 可再循环。 先进车辆概念需要革命性的设计，最先进的钢材，最先进的制造技术来完成这个目 标。这就要求选用满足结构强度，具有良好可成型性能，以及良好的碰撞和焊接性能， 经济的钢材，用于概念车辆的设计。 保时捷工程服务公司( p e s ) 受超轻钢车身协会的委托进行概念车辆的设计。最后 开发出来的车身结构完全由高强度钢构成，其中8 0 以上使用先进高强度钢，并且大 部分构件用双相钢制造。先进概念车辆的用钢比例，见图2 1 。先进的概念车辆的所有 部件用冲压，辊弯成型或液压涨形工艺制造。 图2 1 用于u l s a b - a v c 的钢种( 按重量戈! 分) 1 2 北方工业大学硕十学位论文 2 2 钢材分类 图2 2 钢材分类 汽车用钢材分类，及其性能范围请看图2 2 1 3 6 。 图中，i f 无间隙原子钢( i n t e r s t i t i a l f r e e ) ，m i l d 低碳钢( m i l ds t e e l s ) ， i f - h s 高强度无间隙原子钢( h i g h - s t r e n g t hi f ) ，i s 同位素钢( i s o t r o p i c ) ， b h 一一烘烤硬化钢( b a k eh a r d e n a b l e ) ，c m n 一一锰钢( c a r b o n m a n g a n e s e ) ， h s l a 一一高强度低合金钢( h i g hs t r e n g t h ，l o w - a l l o ys t e e l s ) ，d p 一一双相钢( d u a l p h a s e ) ，c p 复相钢( c o m p l e xp h a s e ) ，t 相变诱发塑性钢( t r a n s f o r m a t i o n i n d u c e d p l a s t i c i t y ) ，m a r t - 一马氏体钢( m a r t e n s i t i cs t e e l s ) 。 钢材按强度等级可分为低强度钢，高强度钢，超高强度钢。抗拉极限低于2 7 0 m p a 的钢材为低强度钢，抗拉极限在2 7 0 7 0 0 m p a 之间的为高强度钢，抗拉极限超过 7 0 0 m p a 则为超高强度钢。 钢材按金相结构可划分为低强度钢，传统高强度钢，先进高强度钢。先进高强度钢 与传统高强度钢的区别则主要在前者具有多相显微结构。 2 3 先进高强度钢简介 先进高强度钢具有优良的材料性能3 7 3 8 。先进高强度钢( a h s s ：a d v a n c e dh j i g h s t r e n g t hs t e e l s ) 的概念是基于高强度钢( h s s ：h i g hs t r e n g t hs t e e l ) 提出来的，而钢材的 1 3 北方工业大学硕士学位论文 力学性能主要在其塑性和强度，a h s s 的研究也基于h s s 朝这两个方向发展。一个方向 是强度基本不变，提高优化其塑性性能：而另一个方向则是塑性基本不变而提高其强 度。塑性提高的钢种有双相钢( d p ：d o u b l ep h a s e ) ，相变诱发塑性钢f r r i p ) ；强度提高的 钢种有复相钢( c p ) ，马氏体钢( m a r t ) 3 9 - 4 2 。 2 4 双相钢简介 3 6 ，4 3 4 4 1 本文研究用先进高强度钢为d p 。d p 由铁素体( f e r r i t e ) 基体和以孤岛形式分布的 坚硬的第二相一马氏体( m a r t e n s i t e ) 组成。材料强度通常随马氏体含量的增加而增 加。图2 3 为d p 金相示意图。 耋 、一 r 秘 ， 弋 一一 ： 套 。 ￥；| i 一，一i 图2 3i ) p 金相示意图图2 4i t s l a 与d p 应力应变曲线对比 d p 的力学性能可以从金相图来解释，软相铁素体通常是连续的，赋予双相钢良好 的延展性。当变形集中于低强度相铁素体时，硬相马氏体赋予双相钢独特的高应变硬 化速率。高的应变硬化速率和良好的延展性使得双相钢的抗拉强度大于普通钢材( 如高 强度低合金钢h s l a ) 。 图2 4 给出了同一屈服强度的h s l a 与d p 准静态的应力应变特性曲线对比。与 h s l a 相比，d p 显示出高的初始应变硬化速率，高的抗拉极限，低的屈强比。特别需 要指出的是，d p 力学曲线显示其不存在屈服点延伸。 2 5 本文研究用先进高强度钢d p 8 0 0 2 5 1d o g a l8 0 0 d p 概述 本文研究用先进高强度钢为瑞典s s a b 钢板公司的o o g a l8 0 0 d p 4 5 。d o g a l8 0 0 d p 是热镀锌的超高强度钢。d o g a l8 0 0 d p 金相组织为含铁素体和马氏体的双相钢，屈服强 度和抗拉强度之问差值未加工时较高，冷加工后迅速减少。 1 4 北方工业大学硕士学位论文 因为屈服强度和抗拉强度差值较大( 即加工硬化系数较高) ，相比同抗拉强度级别 的h s l a ，d o g a l8 0 0 d p 的冷加工回弹较小。d o g a l8 0 0 d p 易于成型，有良好的延展 性。 2 5 2 本文研究用d o g a l8 0 0 d p 金相图 图2 4 为本文研究用d p 8 0 0 金相图，可看到其与图2 3 金相示意图的相似点。 图2 4 本文研究用d o g a l8 0 0 d p 金相图( 8 0 0 x ) 2 5 3 本文研究用d o g a l8 0 0 d p 化学成分 表2 1 d p 化学成分 4 5 】 1 5 北方工业大学硕士学位论文 2 5 4 本文研究用d o g a j8 0 0 d p 力学特性 表2 2 d p 力学特性 4 5 】 s t e e lg r a d ey i e l ds t r e i f g t hy i e l ds t r e n g t ha f t e rt e n s i l es t r e n g t h e l o n g a t i o n i n s i d er a d i u s o r k d e f o r m a t i o na n db a k e ：答船篙窖 h a r d e n i n g1 7 0 j c j 2 0m i n h i i _ - h j | f l m ln i i - m o1 1 e l z m l nm m r j q a lt h i nm i n d o g a l 6 0 0 d p 3 5 0 ( 4 4 mf 5 0 6 0 0 7 0 0 61 n d 呻噩8 0 0 d 印5 0 0 - ( 6 5 0 ) 8 g 81 n 2 5 5 本文研究用d o 到8 0 0 d p 成型限度表 图乞5 d p 成型限度表1 4 6 】 1 6 北方工业大学硕士学位论文 2 5 6 本文研究用d o g a l8 0 0 d p 应力应变曲线 0 0 0 ( 3 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 垒6 0 口 5 0 0 秭4 0 0 3 0 0 o 1 0 0 0 自抽m 一榭”洲f 一”“ 弱t r 晶 艺；? 0 力 ， | ! o2 4681 01 21 41 61 8 s t r a i n1 l 图2 ，6d o g a l 舯o d p 应力应变曲线与材料轧制方向成9 0 。，, 啵2 r a m ) 4 6 1 1 7 北方工业大学硕士学位论文 3 辊弯仿真有限元仿真理论基础 3 1 变形体问题有限元求解的基本概念 4 7 ，4 8 3 1 1 变形体及受力状况的描述 有限元方法研究对任意复杂变形体的求解。有限元方法采用微小体元d x d y d z 的分 析方法，在给定的几何边界条件和力边界条件的前提下，对其进行求解。见图3 1 。 | 潞 荸囊： 糍囊 绺 i 鞠燃 汹q ： 磊辩i 镕霹 i 鞫镕嘲稷 葭 f 内壤辨轴 轴霉瞻： | 窿蝴翻 图3 1 变形体的基本变量、基本方程及边界条件 一1 8 。 北方工业大学硕士学位论文 3 1 2 有限元分析基本步骤 图3 2 有限元分析的基本步骤 3 2 壳体理论及单元 4 9 5 3 】 3 2 1 壳体的定义 工程中广泛应用的板壳结构，几何上一个方向的尺度比其它两个方向小得多。如果 壳体的厚度h 远小于壳体中面的最小曲率半径r ( h r 、 垂直于壳体中面方向的正应力很小，将其忽略不计。 壳体中面法线变形过程中保持为直线，且中面法线与其垂直线段之间的直角也 保持不变，这意味着忽略这两个方向的剪应变。 与中面平行的截面上的正应力远小于其垂直面上的正应力，因而可以忽略它对 变形的影响。 3 2 4m a r c 中的壳单元 3 2 4 1 7 5 号单元 7 5 号单元为四节点壳单元，每个节点具有6 个自由度。位移和旋转用双线性插 值。膜应变从位移域获得，曲率从旋转域获得。在边的中部计算横向剪切应变，插值到 积分点。该单元可以用于曲线壳分析和复杂的板结构分析。由于7 5 号壳单元比标准的 高阶壳单元公式简单，计算代价低，因此，常用于非线性分析。7 5 号壳单元对扭曲不 敏感。 7 5 号单元在几何上用四个角节点的x ，y ，z 坐标定义，单元厚度在几何选项中指 定，可以输入节点厚度以建立变厚度壳。单元表面局部直角坐标系在质心给出，如图 33 。 一2 0 一 = i t 7 5 - 3 2 业大学硕+ 学位论文 图3 37 5 号单元形式 3 2 4 22 2 号单元 2 2 号单元为8 节点厚壳单元，每个节点具有6 个自由度。位移和旋转坐标用二阶 插值。膜应变从位移域获得，曲率从旋转域获得。在1 0 个指定点计算横向剪切应变， 插值到积分点。 2 2 号单元在几何上用四个角节点和四个中点的x ，y ，z 坐标定义，单元厚度在几 何选项中指定，可以输入节点厚度以建立变厚度壳。单元表面局部直角坐标系在质心给 出，如图3 4 。 建议在接触分析中，优先使用7 5 号单元。 一2 1 北方工业大学硕士学位论文 图3 42 2 号单元形式 3 2 4 3 1 4 0 号单元 1 4 0 号单元为4 节点厚壳单元，每个节点具有6 个自由度。位移和旋转坐标用双线 性插值。1 4 0 号单元采用退化的壳几何和一点积分的减缩积分方案，用假定自然应变方 法来防止剪切锁死。 与其它全积分壳单元相比，1 4 0 号单元需要较少的内存，计算效率较高，并且准确 性不降低。1 4 0 号单元也可以很好的计算扭曲。1 4 0 号单元的单元形式见图3 5 。 一2 2 北方工业大学硕士学位论文 图3 51 4 0 号单元形式 3 2 4 41 3 9 号单元 1 3 9 号单元为四节点壳单元，每个节点具有6 个自由度。位移和旋转用双线性插 值。膜应变从位移域获得，曲率从旋转域获得。由于1 3 9 号壳单元比标准的高阶壳单元 公式简单，计算代价低，因此，常用于非线性分析。1 3 9 号壳单元对扭曲不敏感。 1 3 9 号单元在几何上用四个角节点的x ，y ，z 坐标定义，单元厚度在几何选项中指 定，可以输入节点厚度以建立变厚度壳。单元表面局部直角坐标系在质心给出，如图 3 6 。 一2 3 北方工业大学硕士学位论文 图3 61 3 9 号单元形式 3 2 4 51 3 8 号单元 1 3 8 号单元为3 节点，三角形壳单元，每个节点有6 个自由度。位移和旋转用双线 性插值。在边的中部计算横向剪切应变，插值到积分点。该单元可以用于曲线壳分析和 复杂的板结构分析。 由于1 3 8 号壳单元比标准的高阶壳单元公式简单，计算代价低，因此，常用于非线 性分析。1 3 8 号壳单元对扭曲不敏感。 1 3 8 号单元在几何上用三个角节点的x ，y ，z 坐标定义，单元厚度在几何选项中指 定，可以输入节点厚度以建立变厚度壳。1 3 8 号单元局部直角坐标系指定方式如图 3 7 。 图3 71 3 8 号单元形式 2 4 北方工业大学硕士学位论文 3 3 材料模型 5 4 ，5 5 3 3 1v o n m i s e s 屈服条件 在应力空间中，将屈服应力点连接起来形成的区分弹性区和塑性区的分界面，称为 屈服面。描述这个屈服面的数学表达式即是屈服条件。 v o nm i s e s 屈服条件在o - ，0z ，0 ，应力空间中是一个垂直于平面的圆柱体， 而在平面上的投影是一个圆，在0 。= o 的平面上则是一。个椭圆，见图3 8 。 图3 8v o nl t t , 1 i s e s 屈服面 。：一； 。：狄： 图3 9各向同性硬化法则的v o nm i s e s 屈服面示意图 一2 5 北方工业大学硕士学位论文 3 3 _ 2 2 运动硬化法则 在运动硬化法则中，v o nm i s e s 屈服面半径不变，屈服面中心变化，见图3 1 0 。 图3 1 0 运动硬化法则的v o nm i s 屈服面示意图 3 3 2 3 混合硬化法则 在图3 1 l 所示的为一个高度非线性硬化的单向拉伸模型。其中，初始硬化几乎完 全各向同性，产生一定塑性应变后，弹性范围符合运动硬化模型。混合硬化模型可以合 理的接近这种硬化特性。 混合硬化模型采用各向同性硬化与运动硬化相结合，二者对硬化模型的贡献是等效 塑性应变的函数，随塑性变形的增加而变化，各向同性硬化最后衰退为零。 图3 1 1 混合硬化类型的单向拉伸曲线 一2 6 北方工业大学硕士学位论文 3 4 接触分析 5 6 5 9 3 4 1 概述 辊弯成型过程中，轧辊对板料施加力和力矩，在有限元计算中属于接触分析。从力 学角度看，接触是边界条件高度非线性的复杂问题，需要准确追踪接触前多个物体的运 动以及接触发生后这些物体之间的相互作用。 3 4 2 无穿透约束条件 奎蟛捧 图3 1 2 无穿透接触约束 产生接触的两个物体必需满足无穿透约束条件( 见图3 1 2 ) ：a u 。”d 其中，血。为a 点增量位移向量，n 为单位法向量，d 为接触距离容限 3 4 _ 3 接触迭代算法 基于直接约束的接触算法，是解决所有接触问题的通用方法。特别是对大面积接 触，以及事先无法预知接触发生区域的接触问题，程序能根据物体的运动和相互作用自 动探测接触区域，施加接触约束。 一2 7 北方工业大学硕士学位论文 3 4 4 接触算法基本流程 图3 1 3 接触算法流程 2 8 北方工业大学硕十学位论文 3 4 5 接触探测 理论上，节点恰好位于某个接触段片上时即认为发生接触，但数值计算接触过程 中，节点恰好在一个接触段，片上的精确描述很困难。因此，用接触段片上的接触距离 容限来解决这个问题，如图3 1 4 。 一一一一一一一一1 乃7 乃7 万7 乃形万刀7 刀7 乃7 玎 2 倍容麓 图3 1 4 接触面附近的接触距离容限 接触距离容限除了可以探测接触外，还可以探测穿透的发生。例如，如图3 1 5 。 在某一时间增量步t 到t + t 内，如果点a 从t 时的a t 移动到t + t 时的 t r i a l ( t + r ) ，a 嗨+ a t ) 已经超出了接触段的接触距离容限而产生穿透。此时，m a r c 软件可以自动地通过进一步细分该增量步，使得在细分后的新增量步不发生穿透。 图3 1 5发生接触穿透 3 4 ，6 偏斜系数 数值实验表明，接触距离容限的大小对接触求解精度和计算效率影响很大。接触距 离容限越小，接触计算结果的精度就越高。但是，如果接触距离容限太小，难于探测出 节点与接触段片相接触，而且一旦时间步长稍大就可能有很多点易被处理成穿透。此 时需要很细的时间步划分，这样就在提高计算精度的同时也增加了计算费用。 一2 9 北方工业大