（材料加工工程专业论文）冷弯c型钢的弹塑性大变形有限元模拟.pdf

摘要 摘要 c 型钢是一种经济断面型材，广泛应用于汽车、航空、轻工、机械制造以及建 筑等各个行业。c 型钢的成型过程是非常复杂的，其变形是横向弯曲、纵向拉伸及 横向剪切等多种变形的组合，其复杂性主要表现在几何、材料和接触边界等多重非 线性，而且影响成型因素众多，因此精确模拟其成型过程是比较困难的。目前，国 内外学者对此还没有提出一种成熟精确的分析方法。生产中的工艺设计和孔型设计 仍然主要取决于经验知识。 首先介绍了国内外关于辊式冷弯成型理论研究的现状与发展趋势，并比较了各 成型理论的优缺点，随后在分析c 型钢辊弯成型特点及其变形规律的基础上，以弹 塑性大变形有限元理论为基础，对c 型钢成型过程做出合理简化，建立分析模型， 利用有限元软件a n s y s 对c 型钢辊弯成型过程进行了三维显示动力学有限元数值 模拟分析。得出了c 型钢在成型过程中变形区应力，应变的分布规律以及各道次的 几何变形情况。对在同一道次不同成型角度和同一弯曲角度不同成型道次等工艺参 数下的板坯应力、应变分布情况进行了对比分析，并探讨了这些工艺参数对c 型钢 成型的影响。 论文还将计算结果与相关试验结果进行了比较，证实了本文中冷弯成型过程建 立的有限元模型合理，与实际吻合较好；验证了模拟方法的有效性和可靠性及计算 结果的正确性；说明了使用a n s y s 力l s d y n a 软件，模拟冷弯成型过程是切实可行 的。本文的研究成果为今后冷弯c 型钢c a d 系统提供了可靠的预测模型和成型验 证模型，为实际生产应用提供了直接依据，对促进冷弯成型理论研究和指导生产实 际具有重要意义。 图9 6 表4 参7 8 关键词：c 型钢；弹塑性有限元法；显式动力分析；数值模拟 分类号；t g 3 3 5 4 河北理j ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t g s h c e ps t e e li sak i n do f e c o n o m i cc r o s ss e c t i o ns t e e l ，t h ep r o d u c t sa r ew i d e l yu s e d i na u t o m o b i l e ，a v i a t i o n ，l i g h ti n d u s t r y ，m a c h i n e r ym a n u f a c t u r ea n dc o n s t r u c t i o na r e a s t h e r o l lf o r m i n gj sav e r yc o m p l e xp r o c e s s , i nw h i c ht h ed e f o r m a t i o ni sac o m b i n a t i o no f s e v e r a ld e f o r m a t i o n si n c l u d i n gl a t e r a lb e n d i n g , l o n g i t u d i n a lt e n s i l ea n dl a t e r a ls h e a r d e f o r m a t i o n ，e t a l i ti n c l u d e sn o to n l yt h ed e f o r m a t i o np r o c e s sw i t hg e o m e t r i cn o n l i n e a r i t y , m a t e r i a ln o n l i n e a r i t ya n dc o n t a c tb o u n d a r yn o n l i n e a r i t y ，b u ta l s os om a n ye f f e c t so ni t s f o r m i n gp r o c e s s s o i ti sa q u i t ed i f f i c u l tt a s kt os i m u l a t ct h i sp r o c e s sp r e c i s e l y n o w a d a y s , n o b o d yh a sp r e s e n t e da k i n do fv e r yp e r f e c ta n dp r e c i s ea n a l y s i sm e t h o di nt h ew o r l d t h e d e s i g no fp a s ss c h e d u l e sa n dr o l lp r o f i l e sm a i n l yr e m a i n sm o 比a na r tt h a nas c i e n c e f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e t h ep r e s e n ta n dp r o s p e c t i v ed e v e l o p m e n t , m o r e o v e r c o m p a r e da d v a n t a g ea n ds h o r to fd i f f e r e n tr o l lf o r m i n gt h e o r y s u b s e q u e n t l ys i m p l i f i c d p r o c e s sa n da n a l y z a b l em o d e lo fc - s h e e ps t e e la c c o r d i n gt od e f o r m i n ge l a s t i c - p l a s t i c m a c r od e f o r m i n gf i n i t ee l e m e n tt h e o r y a n s y si su s e dt op r e d i c ts t r e s sa n ds t r a i n d i s t r i b u t i o n sp r e d i c t e db y3 de x p l i c i td y n a m i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o m p u t e rn u m e r i c a l s i m u l a t i o n s ，a tt h es a m et i m e ，t h ed e f o r m a t i o ni ns a m ed i s h e so ft i m e sb u td i f f e r e n t f o r m i n ga n g l eo fr o l l e rp i g e o n h o l ea n d i ns a m ef o r m i n ga n g l eo fr o l l e rp i g e o n h o l eb u t d i f f e r e n td i s h e so ft i m e sc a na l s ob es i m u l a t e dd u r i n ga n da f t e rt h ep r o c e s s a tl a s t , t h e g e n e r a lr e g u l a t i o no f v a r i o u sf o r m i n gp a r a m e t e r s e f f e c t so nt h ec - s h e e p s t e e li so b t a i n e d t h ef o r m i n gp r o c e s so ft h ed s h e 印s t e e li ss i m u l a t e ds u c c e s s f u l l ya n dt h er e , s u i t s c o i n c i d ew i t he x p e r i m e n t a lr e s u l ti nr e l a t i o n a ld o c u m e n t t h ev a l i d i t yo ft h ef e mm o d e l o fs h e e ti sr e a s o n a b l ea n da c c o r d sw i t ha c t u a lp r o d u c t i o na n dt h i sm o d e li sp r o v e df u r t h e r i ti sp r a c t i c a la n df e a s i b l et ou s et h es o f t w a r eo f a n s y s l s d y n as i m u l a t i n gt h ep r o c e s s o fc o l dr o l lf o r m i n g t h ew o r kp r o v i d e sar e l i a b l ep r o d i c t i o nm o d e lf o rc o l dr o l lf o r m i n g c a ds y s t e mi nf u t u r e ，s oi ts u p p l i e sp r a c t i c a lp r o d u c t i o nw i t hav a l u a b l er e f e r e n c e t h e s t u d i e so ft h i sp a p e ra r cv i t a lt op r o m o t et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dt og u i d ea c t u a lp r o d u c t i o n o f c o l dr o l lf o r m i n g f i g u r e9 6 ，t a b l e4 ，r e f e r e n c e7 8 玎- 摘要 k e yw o r d s ；c - s h e e ps t e e l ，e l a s t i c - p l a s t i cf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，e x p l i c i td y n a m i c a n a l y s i s , c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t g 3 3 5 4 1 1 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：辩之琴 日期：俎年竺月垒日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：蜒左。琴 导师签名：馘 e t 期： 曼1 年上月一i 1 日 引言 引言 冷弯型钢属于经济型断面型材。利用这些型材制成的成品件重量轻，成本低， 结构的机械性能得到增强，并有良好的工艺性，因此应用极为广泛。冷弯型钢主要 用于建筑、汽车制造、矿山机械制造、农业及轻工机械制造、造船及交通运输、石 油化工、电力工业、仪器仪表、集装箱、纺机、高速公路护栏、金属货架、民用电 器及日常用品制造等各个领域。我国近3 0 年来，冷弯型钢的生产取得了较大的发 展。目前，k s 型材全国已有l o 多个厂家生产，k b 型( 即c 型钢) 正在研制开发，前 景十分广阔。 c 型钢是一种性能优越的经济断面钢材，其内卷边可稳定截面、增加抗弯和抗 扭能力；在钢结构连接上简单易行省工、省料，可提高效率和质量；可减轻金属结 构质量，可制成跨度大、高度小的构件，便于实现工厂化生产，可大大缩短建筑周 期等而广泛应用于国民经济建设的各个领域。 随着建筑结构与建筑材料的发展，冷弯薄壁型钢越来越多地使用在工程上，尤 其是c 型钢不仅仅局限在配合各种金属饰面板时使用，而且在轻钢结构中也广泛采 用。所以随着我国经济和科技的迅速发展，c 型钢的需求量必将不断增长。 本文着重研究有限元在c 型钢冷弯成型过程中的模拟。应用有限元模拟可以有 效的处理复杂的边界条件并可以对位移加载模式的金属成型过程进行分析。为此， 本课题欲应用弹塑性大变形显示动力学有限元模拟方法，采用大型有限元软件 a n s y s l s d y n a 模拟冷弯c 型钢的成型过程，研究c 型钢冷弯成型过程中的金属 流动状况、应力、应变分布状况本文的计算结果对确定c 型钢成型工艺参数、提 高冷弯c 型钢的产品质量和类似产品的生产有参考价值。 河北理i ：人学硕士学位论文 1 绪论 1 1 冷弯型钢研究的目的和意义 冷弯型钢是一种经济断面型材。由于其本身具有断面均匀、产品质量高、能源 消耗低和经济效益高等特点，故被广泛应用于汽车、航空、建筑等行业1 1 棚。随着科 学技术的发展，各生产厂家已广泛采用整体型材加工技术，从而取代经过焊接等加 工成型的材料，这就要求各竞争者不断地改进技术、提高质量、降低成本，满足广 大用户的要求。尽管冷弯成型产品的生产和应用已有百余年的历史，产量和工艺都 达到了一定的水平，但是由于其本身所具有的特点和规律尚未完全被人们掌握和认 识。其仍然被称为是一门“未掌握的艺术”随着市场对高品质、多品种辊弯产品 需求的不断提高，过去那种试制时b j 长、精度差的传统设计和加工方式已经远远不 能满足用户的要求。同时随着计算机性能的不断提高，采用计算机对冷弯型钢进行 孔型辅助设计( c a d ) 及过程分析( c a e ) 技术已经成为一种趋势。 冷弯成型过程属于三维弹塑性大变形问题，在成型过程中，它不仅是纵向弹性 拉压和横向弹塑性弯曲等变形的综合；同时由于受到外部边界摩擦、孔型几何约 束、材料本身的加工硬化，材料横截面壁厚不均匀分布等影响，均能使变形形态发 生改变，引起带钢横向扭曲与纵向拉伸和压缩。因此，辊弯成型过程是十分困难 的，单纯用个数学模型难以描述，人工智能和专家系统是解决这一问题的方向 但是到目前为止，国内所研制的c a d 软件几乎都完全依赖经验公式和参数，缺乏 理论依据。设计人员不经过实践，无法初步判断金属变形是否合理，辊型设计是否 合理，因此辊弯成型的计算机模拟在辊弯成型c a d 中将有着特别重要的意义。通 过辊弯成型模拟可以对c a d 系统提供板材变形预报和验证模型，从而在缩短产品 设计周期与节约设计成本方面都具有积极的现实意义。 本文采用三维弹塑性大变形显示动力学有限元方法，模拟了冷弯c 型钢辊弯成 型过程中金属的三维变形，系统分析了成型过程中的金属流动规律和应力、应变分 布规律，并分析了成型过程中型材各种工艺参数对板材冷弯的影响。这不仅对实际 生产具有指导意义，同时对c 型钢的孔型设计也有参考价值。 2 1 绪论 1 2 冷弯型钢发展概述及特点 1 2 1 冷弯型钢发展概述 冷弯型钢是一种经济断面型材。它是用经过纵剪的热轧或冷轧带钢为原料，在 常温下，用连续辊弯成型、拉拔弯曲成型、冲压折弯成型等方法，加工制造出热轧 方法难以生产的各种断面型材。其中辊弯成型工艺又是冷弯型钢的主要加工方法。 它是通过一组纵向排列的轧辊将平整的原板逐渐变形使之达到适合使用要求的形 状。 随着建筑结构与建筑材料的发展，近年来c 型钢等冷弯薄壁型钢越来越多地使 用在工程上。尤其是c 型钢不仅仅局限在配合各种金属饰面板时使用，而且在轻钢 结构中也广泛用。冷弯薄壁型钢是用薄钢板( 厚度0 3 m m l m m ，最厚为1 6 m m ) 在 冷弯成型机上冷压而成1 9 】。轻质高强、便于加工、施工简便、速度快，在大型工业 厂房、食品加工车间、大型库房、飞机维修库等建筑中普遍使用。国外冷弯型钢品 种达1 0 0 0 0 种以上，应用于各个领域；我国经常生产的品种不足5 0 0 种，在专用品 种上还有很大差距【l o i 。 冷弯型钢发展的历史已有1 0 0 多年，但快速发展始于上世纪5 0 年代左右。近些 年，我国冷弯型钢发展很快，但与国外工业发达国家相比，仍有很大差距。今后我 国应重点丌发冷弯型钢在建筑领域的推广应用，发展大型冷弯机组、高精度机组和 专用机组，生产多种、高质量的冷弯型钢，以满足社会主义建设事业不断发展的需 求【1 0 l 。据不完全统计( 不包括焊接钢管) ，我国冷弯型钢总产量约为1 2 0 万t ，约占全 国钢材总产量的1 2 ，而美、日、俄等工业发达国家的冷弯型钢产量约占其钢材 总产量的3 5 1 1 1 1 。原因是我国钢结构建筑起步发展较迟缓，而日本的冷弯型钢 5 0 以上用于建筑领域：另外，我国过去钢材产量少，限制了钢结构的应用及发 展。现在我国钢产量居世界第一位，2 0 0 2 年钢卷板产量达3 5 0 0 万t ，预计今后5 年 内可达到5 0 0 0 万t ，为扩大冷弯型钢生产提供了可靠的原料保证。世界上生产冷弯 型钢的国家主要有美国、日本和俄罗斯。仅美国就有1 8 0 0 0 余条生产线，年产冷弯 型钢约3 5 0 万t ( 8 0 年代数据) ；日本的东芝钢管、丸一钢管和日本制管株式会社等大 型企业，以生产方矩形管和普通开口型钢主，最大的方矩管尺寸为4 0 0 m mx4 0 0 m m x 1 6 r a m ，圆管最大尺寸达6 6 0 r a m x1 9 r a m ：小型企业以生产质量商、批量小、截 面复杂和多种高附加值的产品为主。俄罗斯由于受其过去计划经济的影响，目前只 3 河北理f 大学硕十学位论文 有钢铁联合企业有冷弯型钢专业生产厂，重点开发铁路客货车辆冷弯型钢和客货汽 车用冷弯型钢i l o l 。 2 0 世纪7 0 年代后期8 0 年代初期，国外的冷弯型钢应用于设备制造和汽车上， 国内的汽车及制造行业纷纷向冶金行业提出要求，从而为冷弯型钢的发展打开了广 阔空间。冷弯型钢在建筑领域的应用稍晚一些，首先是在大型体育馆中少量使用， 如上海体育馆和上海游泳馆；9 0 年代开始大量使用，如上海东方明珠电视塔的钢结 构球体和宝钢三期工程目前，冷弯型钢正在向住宅钢结构建筑中发展和应用1 9 1 1 2 2 冷弯型钢生产现状 1 国外冷弯型钢生产现状 国外冷弯型钢生产概括如下： 1 1 冷弯型钢的生产规模、产品的品种和应用范围同益扩大。由于承重结构采用 冷弯型钢，使得坯料厚度增至8 m m1 4 m m 。奥钢联阿尔卑斯公司安装了一套 8 m m 1 4 m m 1 2 0 0 m m 的冷弯机组，可以生产1 4 r a m 的钢板桩。做高速公路用挡板， 不仅可以节约金属2 5 ，而且更为安全可靠。此外，微型冷弯型钢在仪表工业也使 用越来越广泛。 广泛采用新技术、新工艺。为了提高弯曲部位的金属性能，采用了局部加热 的方法来生产高强度厚壁冷弯型钢。目前，冷弯产品也向更深加工发展。美、闩等 国开发的冷弯成型与冲压、压花、轧边等工艺组成的联合生产线，使得产品更加接 近零部件的要求 冷弯成型设备也不断改进。由于成型速度是决定生产率的基本因素，故有提 高成型速度的趋势。其中法国的麦克公司已拥有了成型速度高达1 5 m s 的机组，并 正在制造2 m s 的高效机组 4 ) 以冷弯成型c a d ( 即以计算机孔型设计技术) 为中心的研究工作与开发工作正 在逐步深入和扩大。由于辊弯成型断面复杂，道次多，而且在成型过程中影响因素 又比较复杂，多年来在孔型设计中大量的参数无法从理论上精确确定，故开发c a d 技术。利用计算机来完成孔型设计，变形分析及绘图工作已是非常现实的问题。 2 国内冷弯型钢生产现状 我国于1 9 5 8 年开始生产冷弯型钢，主要开始于汽车、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。直到上世纪八十年代才逐渐有所发展。但 是与国外冷弯型钢生产还有很大差距。总产量仍然很低，约占全国生产钢材总产量 4 i 绪论 的0 5 ，而国外已达到5 ；从生产设备上看，我国设备比较陈旧，且中小型设 备多，大型专业化设备少，微型机组国内目前尚属空白。从品种规格、产品质量上 看，与国外也有很大差别，主要集中表现为： 1 1 坯料材质不优、品种单一、精度差。 2 1 产品标准远远跟不上品种开发，生产滞后于研究 3 ) 产品表面质量差、性能不稳、定尺率低、还有产品未去除内毛刺。 4 1 对于深加工产品，国外已做到零件化、部件化，我们则是由使用单位自行加 工成所需零部件。 3 冷弯型钢生产最新进展状况 辊弯成型按传统工艺有单张、成卷、连续和联合加工等。目前，世界各冷弯型 钢先进生产国，不仅在传统的冷弯成型工艺上有着先进优势外，同时他们还一直开 发新的辊弯成型工艺和成型设备【m 1 5 1 ，其大致可以分为两种类型； 1 ) 奥钢联的成型辊集中调节技术( c t a ) 【1 6 1 。如图1 所示，该机架结构简单、调 整方便。节约辊片费用，减少换辊时间，可生产直径与壁厚比值较大的产品；日本 中田制作所的柔性辊弯成型技术( f 科1 7 堋。如图2 所示，该机组在生产不同规格管 材时，不用换辊，只需要通过电液控制与机械传动装置来调整轧辊上升、下降、横 移以及转角，节省了辊片费用，减少了换辊时问，简化了调整工序，同时也节约了 备辊数量；另外还研制出排辊成型技术( c b r ) 1 1 9 , 2 0 l 。其轧辊的共同性强，轧辊调整 速度快，可实现柔性化生产提高经济效益和产品质量，故主要用于焊管生产但是 c t a 技术不适合生产太小直径管材；f f 技术使轧机维护和轧辊加工复杂化；而 c b r 技术生产厚壁管，则有轧机刚度不足等缺点。 图lc t a 成型机组轧辊横截面示意图 f i g 1 , s c h e m a t i cd i a g r a mo fc t a r o l lc “ s ss e c t i o n 5 河北理j ：大学硕士学位论文 i 围2 f f 机组和成型辊示意图 f i g 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ff fr o l l sa n dt h ef o r m i n g r o l lc 1 0 5 8s e c t j o l l 日本日新制钢公司的无辊自然成型技术和奥钢联的带有插入式立辊成型技 术。用于生产异型断面产品以及多种规格辊弯型钢。但无辊成型，不适合生产中厚 壁焊管；带有插入式立辊成型，轧辊设计和调整难度大；辊挤压和辊拉拔成型，不 适合生产大批量单一品种产品1 2 l i 。 1 2 3 冷弯型钢的特点 冷弯型钢得到较为广泛的应用，主要是因为其具有如下特点： 1 逐渐的连续变形方式，适合大规模生产。 2 高质量的热轧和冷轧带钢，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。 3 。不同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。 4 与其它种类的加工工艺设备相配合，可进行复合加工，生产各种复合型钢 材。 5 由于其加工一般在常温下进行的，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。 6 冷弯成型可生产出一般热轧反复难以生产的复杂断面、品种多样的薄壁冷弯 型材，从而在金属消耗最新的情况下，获得最大的强刚度。 7 在大规模生产方面，成型辊的费用比冲模少，寿命却比冲模长得多。 - 6 - 些凳坐嚣 1 绪论 1 3 冷弯型钢轧制工艺及设备简介 冷弯型钢轧制工艺按产品的不同分为开口型钢生产工艺和闭口型钢生产工艺两 种，其中开口型钢生产工艺如图3 所示。 雕3 开口型钢生产工艺流程 f i g 3 t e c h n o l o g i c a l p m c e s s o f o p e n c h a n n e ls e c t i o n 相应的设备有：纵剪机组，对焊装置、辊式成型冷弯机组、剪切装簧或飞锯。 闭口型钢生产工艺包括圆管和异型管，圆管工艺如图4 所示。 图4 闭口型钢生产工艺流程 f i g 4 t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s o f c k x g c dc h a n n e l $ e 虻t o g 相应的设备有：纵剪机组、对焊装置，冷弯成型和定径机组、高额焊接设备、 剪切装置( 飞锯或飞剪等k 如果能与其它如平板冲孔、镀锌等工艺结合。可进行深加工和生产高附加值产 品，提高冷弯机组的利用效率。 1 4 研究的内容和方法 目前，型钢的成型理论还尚不完善，尽管在这方面研究已经有比较长的时间， 但是其进展仍然比较缓慢，还不能很好地解决实际生产和设计中遇到的一些问题。 以往所做的大量工作，大多是建立在解析和试验基础上的，很难预测复杂塑性变形 的金属塑性机理，特别是没有全面考虑影响金属三维流动的复杂因素。因此，研究 辊弯成型力学性能，寻找备工艺参数在成璎过程中对型材变形的影响，及掌握金属 7 河北理工大学硕士学位论文 流动的变化规律，不仅能加深对辊弯成型理论研究，而且还能对实际生产与设计提 供指导作用。 为了更好地分析冷弯型钢在成型过程中金属的三维变形，本文采用了u p o a t e d l a g r a n g i a n 增量法( 简称u l 法) 有限元理论，同时考虑了成型过程中的材料与几何 双重非线性，对型钢成型过程进行了三维弹塑性有限元模拟。 本文将在以下几个方面开展系统的研究工作。 1 建立冷弯型钢有限元模拟的模型。 2 系统模拟成型过程中的位移场、速度场、应力场、应变场。 3 研究型钢成型时不同道次的横向应力、应变和纵向应力、应变分布的状况。 4 针对各成型参数对成型过程的影响及各道次中应力、应交的分布状况，研究 各因素对成型过程的影响，探索成型过程中的般规律，为生产、设计提供参考。 8 2辊式成型理论综述 2 辊式成型理论综述 2 1 辊式冷弯成型机理 辊式成型过程中，带材经过一系列孔型轧辊( 平辊，立辊) 连续弯曲挤压得到一定 断面形状的产品，这样的变形过程属于弹塑性大变形问题。它既包括横向弯曲变 形，又包含纵向拉伸压缩变形，是横向变形和纵向变形的综合。其槽钢成型示意图 如图5 所示。 盘。 j l 、芦盔7 、 jl v 、 国 i 菇 夸 鏊 矿 皇 1r t tlj i - 0 ， 1r - 图5 中间机架成型槽钢平缓过渡断l 的示意图 以及弯曲角4 和相对弯曲半径，的变化曲线图 f i g 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fd e f o r m a t i o nl e n g t hlb e n d i n ga n g l e4a n d b e n d i n g r a d i u s ，o f c o l dr o l l f o r m i n g c h a n n e l 当带材进入孔型时，其前端边缘与下成型辊接触后稍稍抬起，在带材中产生小 的弹性应力。当带材继续前进至与上成型辊接触后，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。翼缘在开始变形之前是平直的，在受到 9 河北理= 人学硕七学位论文 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l 区的形成过程结束。 当带材继续向前运行时，成型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n 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。 2 2 辊式成型理论的研究 辊式成型过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程。它即包含横向弯曲变形， 又包含纵向弹塑性拉压变形。而且成型辊与坯料的接触边界条件也非常复杂。到目 前为止，虽然国内外众多学者在探索成型理论领域做了大量的工作，也取得了很大 的成就，并且已经弄清了简单断面型钢的成型机理。但是，还没有一种方法能精确 的分析这一成型过程。就目前的分析方法，大致分为以下几种方法。 2 2 1 简化分析方法 简化分析法的基本思想是将横向弯曲变形和纵向变形分析分别考虑。其中横向 弯曲变形采用纯弯曲理论进行分析，变形过程分为弹性弯曲、弹塑性弯曲、塑性弯 曲三个阶段，分别给出了弹性区、塑性区横向应力和应变的表达式，以及考虑了弹 1 0 2 辊式成型理论综述 复后的残余应力的表达式。在所有道次( 第一道次除外) 中，在前一个道次中预先弯 曲的已划定部分的弯曲段逐渐以较大的角度弯曲，具有较大的曲率。用此方法，只 能作为初步分析。 假设弯曲处的相对曲率半径pz 5 。由于金属纤维的相互挤压很小，可忽略不 计：此时断面的畸变也不明显。在这种情况下可假定应力应变关系曲线为线性，只 考虑切向应力应变，并设塑性区应力应变关系为盯- b e 。此时单位长度带材弹塑 性弯曲时的弯曲力矩为： m 叫+ z b c 争。舭 式中： p 一曲率半径，m ； f 一弹性模量，m p a ； y ，一弹性区与塑性区分接口坐标，m ； s 一带材厚度，m 。 用p l 表示，则各变形区横向应力应变表示为： a 0 14 - 口“) 弹性变形区 巳a s _ 1 + a ( z ) y ( 2 a )巳- y u 砷 吼。e g n - i 。+ a ( z 一) y 一( 2 b ) 塑性变形区 乞o f n _ l _ 4 - 一( 7 ( z ) 。( 3 a ) a ；b z e - i 。4 g ( z 塑) y ( 3 - b ) 弯曲力矩沿平缓过渡段的变化为： 炉甜学+ 曰鲁m 黔z j i+ z p lj lz 河北理- i = 大学硕士学位论文 式中： 以一变形区宽度，m ； 口。o 一变形区起始点的弯曲角，。； a ( z ) 一变形区起始点与所研究断面之间段的弯曲角增量，。 在平缓过渡段的i i 区，成型辊孔型中已经成型的带材在外力矩和内力矩的作用 下开始回弹。根据a a 依留申卸载理论，卸载段的弯曲角将单调减小，而弯曲半径 则单调增大如图6 所示。 i 。朋、 r媲卜 y麦；l i 羚。囊i| “ ju ! f - 3 0 0 2 0 0 一l 01 0 02 距成攀辊轴平面的距离，鼍米 a 一弹性变形区：b 一弹龌性变形区；c 一卸载区 图6 沿1 号成型机架平缓过渡段的弯曲角4 ( 曲线1 ) 相对弯曲半径“曲线2 ) 和弯曲力矩飓( 曲线3 ) 变化曲线图 f i g 6 s c h e m a t i c c u f v e o f b e n d i n ga n g l e a ( c u r v e l ) ，r e l a t i v e b e n d i n gr a d i u s 肿u r v c2 ) a n db e n d i n gm o m e n t m z ( c u r v e3 ) a l o n gd e f o r m a t i o nl e n g t ho f t h e1 s ts t a t i o n 辊式成型与纯弯曲变形的主要区别是纵向变形，因而对纵向应变的研究也比较 多。r t a n g e l 首先提出了直线变形模型2 2 i ，他认为带钢成型各点都按直线流动， 辅助工具只是起导向作用，不起成型作用，并认为变形区的长度为两个机架的距 离。因此，当带钢边部成型高度h 与机架之间的距离l 之比为h a s - 辔1 。2 5 = 0 2 4 7 时，可避免边缘部位边缘波的产生，由此可确定最大的容许弯曲角为： 口一 v a p ，则磨擦力按下式计算： 式中： 易一- v a p u , 4 u ，| ( 7 2 ) 3 1 河北理工大学硕士学位论文 n 一切向摩擦力，n ； 蜥一两接触点的相对滑移量，m 口c 一接触表面的特性参数。 在本文为了研究冷弯成型过程规律而所采用的大型通用结构分析软件 a n s y s ，l s d y n a 中，计算摩擦力、接触面和板带间接触力时所采用的算法也是罚 函数法。但是，由于开发商e t a 公司及a n s y s 公司在与美国三大汽车公司( 通用、 福特、克莱斯勒1 二十多年的合作中积累了丰富的板成型模拟工程经验，在 a n s y s l s d y n a 程序中固化了大量的经过试验验证的专家经验，对于不同的成型 工艺己经给出了最优的模拟用参数，如质量比例参数、速度和阻尼系数、摩擦因 子，等等，程序还会根据己知信息自动选择或计算大多数需要由经验来确定的参 数，其中就包括罚因子的确定。所以用户可以将主要精力放在所研究的问题上，而 不是纠缠于某些参数的选择中。这大大方便了用户对该程序的使用。 3 2 - 4冷弯成型过稃中的有限元模璎处理方法 4 冷弯成型过程中有限元模型处理方法 4 1 板坯尺寸的确定 在冷弯成型过程中，准确决定坯料宽度是保证冷弯型钢断面形状尺寸精确度的 基本条件。准确决定坯料宽度尺寸能缩短孔型设计以及修改孔型的时间，并能消除 由于料宽引起的裂纹、开裂等缺陷，还能改善型材的使用性能。 板料弯曲，当变形较小时，中心层在板料中间；当变形较大时，中心层逐渐向 内移动，通常当弯曲内边界r 与板料厚度t 之比小于1 2 ，即p d t 1 2 时，就必须考 虑中心层内向的移动量。该移动量可用材料力学的方法计算出来，但比较繁琐，通 常根据试验方法得到钢板中心层位置系数聪见表1 ) ，则中心层圆弧半径p 为： p - + k t ( 7 3 ) 式中； r p 内圆半径，m m , j c 一中心层系数； f _ 板料厚度，m m 。 表1 系数k 与r t 的关系 t a b l e1r e l a t i o nb e t w e e ne a m f f i e i e mka n dr t 型! ：! ：! ：! ：! ：! ：! ! ：! ! ：旦! ! ：! ! ：望 三! ! ：! k0 3 50 3 7 50 40 4 1 50 - 4 30 “0 4 5o - 4 60 4 70 4 80 5 0 尹气 翘 一 图1 1 c 型钢断面图 f i g 1 1c r o s ss e c t i o n a ld r a w i n g o fc - s h a p es t e e l 3 3 河北理工大学硕士学位论文 本文中，产品断面如图1 1 所示，成型后的c 型钢尺寸为1 0 0 m m 5 0 m m 2 0 r a mx3 r a m 。查表得k - - 0 4 4 ，计算得p - - 4 3 2 m m 。 坯料总宽度为： 口- k + ( 7 4 ) 式中： 6 一一各弯曲圆弧段宽度，m m ； 6 d 一各直线段宽度，m i l l 。 圆弧段宽度按下式决定， k - 鲁( 7 5 ) 式中： 4 ，一弯曲区之间对应角，； p 一弯曲段中心层圆弧半径，m m 。 以下经验公式对开口冷弯型钢也适用。 b b 计一 q ( 3 s o4 - r b ) s i n a 2 - a + ( 7 6 ) 式中： 口卜不考虑圆角时断面的周长，m m ； q 一圆弧数； & 一料厚，蛐； r j 一内圆弧半径，姗； 口一弯弧对应角度，。； + 一宽度正公差，m m 。 本文中，岛和鼬均取3 m m ，则带宽b = 2 4 0 - 8 x ( 3 x 3 + 3 ) s i n 9 0 。 2 + 2 p p = 2 1 9 1 r a m 。 4 2 变形角的分配 冷弯型钢的成型过程是连续的过程，每一道次的变形都对整个过程有影响，而 变形角正是确定变形量的参数，所以它的分配直接关系到产品成型的好坏。通常， 3 4 4冷弯成型过程中的有限元模型处理方法 变形角的分配由成型机组的能力、成型道次、机架间距、总变形形量等因素决定， 可按照下面规律进行分配： 1 开始道次的变形角选取稍小。对于型钢9 0 。弯曲角来说选取1 0o 一2 0 。范围较 好，这是受咬入条件、边部拉伸和轧制稳定性所限制。 2 中间道次变形角尽可能大。由于边部拉伸逐渐减弱，所以利用材料塑性减少 轧制道次。 3 后面道次变形角越小越好。这是因为断面形状的变化造成了弯曲力的减小， 而且还减小了回弹，所以要求后面道次变型量减小。 4 异型钢的变型量分配，在许多情况下受几个弯角同时变形的限制，对断面上 一部分的变形分配会影响到另一部分，这就要做适当调整。 两种变形角的分配方式【7 5 1 ，一是平均分配。 b - f o o n 。( 7 7 ) 式中： a 一第，道次弯曲角，。； 日b 最终弯曲角，。； 舯一总成型道次： 玉一成型道次。 二是余弦分配。 ，3 c o s o i - 1 + j ( 1 一c 0 8 氏) ( 盈一孙) ( 7 8 ) 打 式中： 岛一第_ ，道次弯曲角，。； p o 一最终弯曲角，。； 弗一总成型道次： j 一成型道次。 变形角均匀分配，有利于成型稳定性。本文中，轧制道次取1 2 道，其中第6 道 和第1 2 道轧辊起矫直作用。变形角分配如表2 所列，其中，口为小边变形角度， 为大边变形角度。 3 5 河北理工大学硕士学位论文 表2 变形角分配表 t h b k2d i s t r i b u t i o no fd e f o r m e da n g l e 架次 l234567891 0 1 1 1 2 4 ( 。) 1 63 2 4 86 0 7 2 9 09 09 09 09 09 09 0 卢( 0 000 0 01 63 24 86 07 29 0 4 3 分析模型的建立 4 3 1 孔型变形图的建立 在冷弯成型过程中，孔型对成型后的产品质量起着很重要的作用，而辊花图的 设计又是孔型设计关键所在。所谓辊花图就是指各成型机架变形带横断面形状的重 叠图。它也是描述辊弯成型过程中带钢从平带坯变形为所需型材的变形行为指示 图。如图1 2 所示，若将直线与断面上的各相应点连接起来，就得到了板材成型过 程的近似形状，也就绘出了三维模拟变形图，形成了比较直观的模拟变形过程。即 先将小边弯成9 0 。，然后再将大边弯成9 0 。采用这种成型方式能保证成型过程稳 定，获得高质量产品。变形时，采用固定圆弧半径和腰宽使弯折点外移方法，此法 优点是圆弧形状用较少道次即可得到，腰宽尺寸准确【7 6 j 。然后根据轧机的性能、板 带的宽度、厚度、产品断面的高度、弯曲角、形状等诸多因素，来决定成型过程的 道次，再根据成型道次来确定机架的间距。 对于这种凭借经验进行轧辊孔型设计，由于设计需要不断来回修正轧辊的形 状，既不经济又延长了设计周期。随着计算机辅助设计( c a l ) ) 不断完善与发展，通 过变形图与c a d 技术有机结合，可使得孔型设计在有限元模拟中不断得到优化， 最终会获得合理孔型形状，从而大大加快孔型的设计与开发速度与质量。 图1 2 辊花图 f i g 1 2f l o w e rd r a w i n gb yr o l l 3 6 4 冷弯成型过程中的有限元模型处理方法 4 3 2 孔型配置 不。 为了得到精确尺寸，孔型配置分三类1 7 q ： 1 为了防止钢带在成形过程中出现横向位移，第一架采用闭式孔型如图1 3 所 2 其余孔型均采用开式孔型，见图1 4 。 3 最后一架采用封闭孔型，见图1 5 。 - 巩 图1 3 第1 架闭式孔型 f i g 1 3c l o s e dt y p eo ft h et s lp a s s 围1 4 开式孔型 f i g 1 4 0 p e n 孵p a s s 图1 5 封闭孔型 f i g 1 5c l o s e dt y p ep a s s 1 1 闭式孔型计算：变形角度为a = 1 6 4 。 ( 1 ) 成型下辊计算： 圆弧中心l z = 2 x ( 5 0 - 2 x 6 ) + 1 0 0 - 2 x 6 + 4 3 2 p = 1 7 7 6 m m ； 3 7 河北理工大学硕士学位论文 b z r = l z +