（工程力学专业论文）冷弯成型有限元分析及实验研究.pdf

昆i 理t 人学倾i j 学位论文 摘要 冷弯成型是板带深度加工、提高附加值的一个重要领域，但其成型 机理至今未完全研究清楚。本文是以探明冷弯成型机理为主线，从板带 的力学分析入手，以实验结果分析为依据，以有限元分折为方法，对冷 弯成型过程展，r 了研究。 本文首先总结了国内外冷弯成型研究领域的研究现状及成果，对冷 弯型钢特点、冷弯成型理论、冷弯成型加工工艺、冷弯成型有限元分析 和c a d 技术研究现状作 详尽的叙述。 其次，对分析冷弯成型变形机理时所对需要涉及到的非线性有限元 理论进行了简介和归纳，并应用该理论对冷弯成型过程进行了简单的分 析。 本文还针对冷弯成型过程的主要受力特征和变形过程，设计并加1 ： 出了冷弯成型变形装置，浚装置结构简单，成本低，应变和回弹量测试 方便。并使用该装胃对4 r a m 与6 m m 钢板试件进行了回弹测试及应变测试， 所测得的实验数据与理论分析基本吻合，f 确地反映出了冷弯成型中板 带的横向变形的特点。 使用a n s y s l s d y n a 建立实验试件模型并进行有限元分析，模拟 出了试件成型过程，分析了各个测点应力、应交随变彤角度变化的情况， 还讨沦了求解时问、试件厚度、有限元网格密度、模具倒角、试件翼长 因素对有限元试件模型内应力、应变的影响。试件的有限元分析结果j 实验测试数据吻合较好。 在a n s y s l s d y n a 模块中，使用壳单元( s h e l l l 6 3 ) 和刚体材料 建立轧辊模型，使用壳单元和经典双线性塑性材料模型建立轧件模型， 模拟出了一道次辊弯成型过程、两道次辊弯成型过程和多道次辊弯成型 过程，分析了轧件在各道次的应力应变分布情况。轧件有限元模型模拟 仿真出了轧件在冷弯成型过程中的横向变形和纵向变形，横向变形与冷 弯成型实验室测试装置测试数据一致，纵向变形与生产实际略有差距。 此外，作者还采用s o l i d l 6 4 体单元建立模型模拟冷弯成型测试试验 和两道次辊弯成型过程，研究了应力应变在轧件厚度上的分却情况，轧 件变形特点与壳单元建立的模型基本一致。 最后，在上述研究成果的基础上，总结全文，对装置需要改进之处 i 昆喇理t 人学颀i ：论文 及今后进一步丌展的研究工作提出了作者的个人看法。 通过奉文的研究，作者得出以下结论：自行设计的冷弯成型测试装 置较真实地反映出了冷弯成型过程中轧件的横向变形过程；对实验试件 和冷弯成型过程建立的有限元模型台理，与生产实际吻合较好；使用 a n s y s l s d y n a 软件，模拟冷弯成型过程是切实可行的；本文的研究对促 进冷弯成型理论研究和指导生产实际具有重要意义。 关键词：冷弯成型；有限元分析；实验研究；a n s y s l s d y n a 垦型些工叁堂些竺型兰塑兰一 a b s tr a c t c o l dr o l lf o r m i n gi sac o m p l i c a t e ds h e e ta n ds t r i p s t e e lm a n u f a c t u r i n g m e t h o da n da l li m p o r t a n tf i e l dw i t hh i g ha d d i t i o n a lv a l u e b u tn o wf o r m i n g m e c h a n i s mh a sn o tb e e ns t u d i e dc l e a r l y t h em a i np u r p o s eo ft h is p a p e ri s t or e s e a r c ho nf o r m i n gm e c h a n i s m o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， u s i n gf e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) a n a l y s i st h is p a p e r r es e a r c he x t e n s i v e l y o nt h ep r o c e s so fc o l dr o l lf o r m i n gf r o mt h em e c h a n i c a la n a l y s i so fs t e e l s h e e t f ir s t l y ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e da n de v a l u a t e dt h ed e v e l o p m e n ta n d a c c o m p l i s h m e n to fc o l dr o l l f o r m i n ga t t h e p r e s e n ti n c h i n aa n do u t s i d e t h e n ，t h ef e a t u r e s ，t h e o r i e s ，f e ma n a l y s i sa n dc a dt e c h n o l o g yo fc o l dr o l l f or m i n gw e r ed e p i c t e de x p l i c i t l y s e c o n d l y ，w h e nt h ed e f o r m a t i o n a lm e c h a n i s mo fc o l dr o l lf o r m i n gw a s a n a l y z e d ，i n t e r r e l a t e dn o n l i n e a rt h e o r i e sw e r ei n t r o d u c e da n ds u m m a r i z e d a n da p p l y i n gn o n l i n e a rf e m ，t h isp a p e ra n a l y z e ds i m p l yt h ep r o c e s so fc 0 1 d r 0 1 1 f o r m i n g b a s e do nm e c h a n i c a la n dd e f o r m a t i o n a lc h a r a c t ero ft h e p r o c e s so f c o l dr o l l f o r m i n g ，t h ea u t h o rd e s i g n e da n dm a c h i n e dt h et e s t i n gd e v i c eo f c o l dr o l l f o r m i n g i t sc o n f i g u r a t i o n i s s i m p l ea n dc o s t i sl o w s t a i n sa n d r e b o u n d i n gv a l u eo fs t e e ls h e e ta r et e s t e de a s i l yb yu s i n gt h i sd e v i c e u s i n g t h i s t e s t i n gd e v i c e ，t h e a u t h o rt e s t e ds t r a i n sa n d r e b o u n d i n g v a l u eo ft e s t i n gs t e e ls h e e t sw h o s et h i c k n e s si s4 r a ma n d6 m m t h et e s t i n g d a t aa c c or d b a s t c a l l y w i t h t h e or e t i c a lr e s u l t sa n d r e f l e c tc o r r e c t l y t h e t r a n s v e r s ed e f or m a t i o n a lc h a r a c t e r is t i eo fs t e e ls h e e td u r i n gt h ep r o c e s s0 f c o l dr o l l f o r m i n g u s i n gt h es o f t w a r eo fa n s y s l s - d y n a ，t h i sp a p e rc r e a t e dt h et e s t i n g s h e e tm o d e l ，s i m u l a t e dt h ep r o c e s so ft e s t i n g ，a n ds t u d i e dh o ws t r e s s e sa n d s t r a i n so f e v e r yt e s t i n gp o i n tc h a n g e dw h e n d is t o r t i n g a n g l ec h a n g e d m o r e o v e r ，t h i sa u t h o r a n a l y z e d o t h e rf a c t o r so f t e s t i n g s h e e tm o d e l a f f e c t i n go nt h ed i s t r i b u t i o no fs t r a i n sa n ds t r e s s e s ，s u c ha ss o l u t i o nt i m e ， t h i c k n e s so fs h e e t ，d e n s e n e s so ft h ef e m m e s h e s ，a n g l eo fd i e s ，l e n g t ho f 昆咧理t 人学坝l ：论文 s h e e t w i n g s ，e t c t h ef e ma n a l y s i sr e s u l t so f t e s t i n g s h e e tis c o n s i s t e n t w i t he x p er i m e n t a ld a t a i nt h ea n s y s l s d y n am o d u l e ，t h ea u t h o rc r e a t e dr o l l e rm o d e lu s i n g s h e l ll6 3e l e m e n ta n d r i g i db o d y m a t er i a l m o d e l ，c r e a t e ds h e e tm o d e l u s i n gs h e l l l 6 3e l e m e n ta n dc l a ss i c a lb i i i n e aris o t r o p ic h a r d e n i n gm o d e la n d s i mu l a t e dt h ep r o c es so fo n e - s t e p ，t w o s t e p ，a n dm a n y s t e pc o i dr o i i f o r m i n g t h e n t h ea u t h orr es c a r e h e d0 nt h ed is tr i b u t i o n0 fs t r e s s esa n ds tr a i i s0 ff o r m i n gs h e e t t h ef e mm o d e io ff or m in gs h e e ts i m u l a t e da c t u a l l yt r a ns v e r s ed e f o r m a t i o na n d l o n g i t u d i n a ld e f o r m a t i o no ff o r m i n gs h e e t t r a n s v e r s ed e f o r m a t i o na c c o r d s w e l lw i t he x p er i m e n t a ld a t ao ft e s t i n gs h e e t ，b u tl o n g i t u d i n a ld e f o r m a t i o nis l i t t l ed i f f e r e n tf r o ma c t u a lp r o d u c t i o n a d d i t i o n a l ，u s i n g s o l l d l 6 4 e l e m e n t ，t h ea u t h o rcr e a t e dm o d e ls s i m u l a t i n g t e s to fr 0 1 if o r m i n ga n dp r o c e s s o ft w o s t e pr o l lf o r m i n g a n d s t u d i e dt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s s e sa n ds tr a i n sa i o n gt h et h ic k n esso fs h e e t 1 、h e d e f or m a t i o n a lf e a t h er so ft h es o l i ds h e e tm o d e la r ec o n s is t e n tw i t ht h es h e e t m o d e lcr e a t e du s i n gs h e l le l e m e n t s a tl a s t t h ec o n c l u s i o n sa r edr a w na n dt h eu s e f u lr e c o m m e n d a t i o na n d p e r s p e c t i v e sa r ep u tf o r w a r d t h ec o n e l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：t h et e s t i n gd e v i c eo fc o l d r o l l f o r m i n gd e s i g n e di n d e p e n d e n t i y r e f l e c t s a c c u r a t e l yt h e c h a r a c t er s0 f t r a ns v er s ed e f o r m a t i o no ff o r m i n gs h e e td u r i n gt h e p r o c e s s o fc o l dr o l l f o r m i n g ；t 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 l pr o d u c t i o n ；i t i s p r a c t i c a l a 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 epr o c e s so fc o l dr o l lf o r m i n g ；t h es t u d i e s o ft h is p a p e ra r ev i t a lt o p 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 o g u i d ea c t u a l p r o d u c t i o no fc o l dr o l lf o r m i n g k e yw o r d s ：c o l dr o i i f o r m i n g ；f e m ；e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h ； a n s y s 【s d y n a v y 6 5 8 9 6 6 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下 ( 或我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：黑圾强 日 期：口口阜年2 月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、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，学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：缢蟠i 至论文作者签名：基亟i 塞 日 期：垫! 垒生兰月兰2 旦 垦婴型三查兰竺! ：兰竺至兰 一翌二! 塑 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 国外冷弯型钢发展现状心“l 5 ”1 冷弯型钢是一种经济断面型材，自1 8 38 年俄国采用压力成型生产冷 弯型钢以来，世界冷弯型钢生产已经有1 0 0 多年的历史。传统的型钢生 产方式是以热、冷轧板为原材料，在常温下经拉拔、折弯、冲压或辊式 成型等工艺制作成各种不同断面形状的型钢。 6 0 年代以来，国外大量制造宽带钢热、冷轧机，各主要产钢国家的 钢材品种有了重大变化。板带钢的比重显著提高，使冷弯型钢有了充足 的货源。8 0 年代，全世界年产冷弯型钢已达1 0 0 0 多万吨。特别是美、f l 、 前苏联、法、英、德、澳等国更为重视冷弯型钢的生产与应用，在基础 理论研究和应用计算机方面投入了大量的人力和物力。在美国，由美国 雷家基金和7 0 多个公司的资助下，俄亥俄州大学成立了专门研究冷弯成 型的工程研究中心，美国钢铁学会a i s c ( a m e r i c a n i n s t i t u t eo fs t e e l c o n s t r u c t i o n ) ，在密苏里罗拉大学设立了冷弯型钢结构中心 c c f s s ( c e n t e rf o rc o l d f o r m e ds t e e ls t r u c t u r e s ) 对冷弯型钢的贡献很大。 目前美国的冷弯型钢结构构件已经走向专业化、产业化的生产模式，冷 弯型钢年产量己达3 5 0 力吨。在r 本，只本政府、大学和工业集团组织 的通力合作下，组建了3 0 多个板成型研究集团组织，在冷弯型钢基础理 论和复杂断面门窗料型的设计、生产方面，进行了广泛的研究。东京大 学、东京工业大学的教授和研究人员发表了一系列的理论与实践研究成 果，现在同本的冷弯型钢年产量已达l 2 0 1 4 0 万吨。前苏联自5 0 年代大 力发展冷弯型钢以来，冷弯型钢产量的生产一直是稳产、增产。1 9 9 0 年 的冷弯型钢年产量已达到4 0 0 万吨。 目前，发达国家冷弯型钢产量已达到钢材总产量的4 之多。世界各 国冷弯型钢生产j 下朝着多品种、多规格、高精度、高效率、高速、自动 化连续方向发展。冷弯型钢品种多达l 3 0 0 0 多种( 黑色、有色金属) ，展 丌最大板宽达2 0 0 0 m m ，最大板厚达2 5 4 m m 。 1 1 2 我国冷弯型钢发展现状n “、3 一j 1 2 我国冷弯型钢的发展比较晚，从1 9 5 8 年开始起步，几经周折，进展 1 昆1 9 j 理t 人学坝i 学位论义第一章绪论 不大，直到l9 8 4 年冶金部颁布文件，将冷弯型钢列入高效钢材的重要品 种之一，大力提倡，并在钢结构协会中组建了冷弯型钢协会，对全行业 进行领导和协调，我国冷弯型钢事业才走上了快速发展的轨道。特别是 我国西气东输工程的启动，汽车、建筑、轻工业等工业的快速发展，也 为冷弯型钢业带来空前的发展机遇。 1 9 5 8 年我国在上海建成第一套专业化辊式冷弯机组，相继在鞍钢又 建成一套冷弯机组。7 0 年代，已经有9 套冷弯型钢机组，生产能力达到 2 1 5 力- 多吨年，而实际产量仅为l 万吨年左右。19 8 3 年产量达到7 万多 吨，占热轧钢材总量的o 2 4 ，出于存在技术落后，品种单一等缺点，只 能生产壁厚5 r a m 的简单形状产品。1 9 8 5 年成立冷弯成型协会以来，先后 从开本、德国、奥地利、意大利、美国等国家引进十余套冷弯成型机细 和高频焊机等先进设备。到2 0 0 4 年1 月，国内冷弯型钢生产机组达到l 0 0 ( 多套，较大的巾2 0 0 0 以上机组，现有和在建的有4 2 套。全国冷弯型钢生 产能力达到15 0 0 万吨年，基本满足市场需求量。 我国冷弯型钢的产量在过去的2 0 年中有了很大的提高，同时，冷弯 型钢的品种，出原来的一些简单断面的丌口型钢，发展到至今已包括丌 口和闭口断面的一般结构用型钢、多种异型复杂截面型钢、宽幅波纹板 型钢、带孑l 型钢等。宽幅的波纹板型的坯料展丌尺寸范围：宽度最大可 达155 0 m m ，厚度为0 3 3 m m 【1 1 。据估计，目r i l l 国内生产的冷弯型钢的品 种、规格约有2 0 0 0 余种。制造冷弯型钢用的坯料，由原来的单一碳素钢， 发展到优质碳素结构钢、低合会结构钢、不锈钢、涂镀层板带，以及一 些有色会属材料( 如铜、铝合会等) 。冷弯型钢已成为钢材品种种不可缺 少的一只后超之秀，受到广大用户的青睐。 随着产品需求范围的扩大，冷弯型钢机组为适合多品种及复杂断面 产品的加工要求，在设备配套中机架数量的设置、成型机架的结构形式 辅助设备配套、产品切断方式以及产品切断长度精度的控制等方面，群 有了很大的改进和提高。武汉汉口轧钢厂引进的1 10 0 1 2 7 冷弯型钢机组， 增加了大异型冷弯型钢产品的能力，宝钢冷轧厂引进了冷弯波纹板型钥 机组、陕西方菱冷弯型钢股份公司引进了具有多工序的复合功能冷弯型 钢机组，国内冷弯型钢企业设备的引进，填补了一些行业所需产品生产 的空白，其技术代表了当时国际上较为先进的水平，增加了我国冷弯型 钢的生产能力，对我国冷弯型钢生产技术的不断提高也起到促进作用。 昆圳删t 人学坝i 学位论史 第一章绪论 1 2 冷弯型钢定义及特点n 、2 3 “4 “酾1 冷弯型钢一般是以热轧或冷轧钢作原料，在常温状态下，经过拉拔、 冲压、折弯或辊式弯曲成型机组加工，加工制造出热轧方法难以生产的 各种薄壁型材。冷弯型钢具有断面合理、强度高、重量轻、金属利用率 商等特点，是一种经济断面型钢，广泛应用于汽车、航空、轻工、建筑 等各个行业。冷弯型钢可分为开口断面冷弯型钢和闭口断面冷弯型钢两 大类a 如图1 1 所示。图卜2 为南京轻工机械集团可生产的冷弯型钢产 品，此外，还可以根据用户需要定制冷弯成型产品。 酗l 截面) 幽卜2 复杂截面冷弯艰钢 冷拔弯曲成型方法是将板带钢通过一系列模孔拉制弯曲成所需断面 形状和尺寸的成型方法。这种方法效率低，速度慢，会属消耗大，但工 具简单，适合小批量小型冷弯型钢的生产。 折弯弯曲成型方法是在特殊的折弯机上将带钢逐步弯曲成型钢。这 种方法效率低，工序多，速度慢，只适合用于小批量厚而宽的型钢生产。 冲压弯曲成型法是将板带钢在压模内借助于冲压机的模具压力弯曲 成型钢。这种方法使用的冲压模具贵，产品规格品种有限，故只适；合于 昆i w 理t 人学坝l 。学位论文第一章绪论 短丽窄的冷弯型钢生产。 辊式弯曲成型法是让板卷或板带钢在连续通过许多相对旋转的轧 辊，通过随次改变其断面的形状，最终获得所要求的断面形状和尺寸的 成型方法。它是一个连续弯曲成型过程，即在同一时间内板带钢沿长度 方向上都与各组轧辊相接触，横截面逐道次产生弯曲变形。这种成型方 法的优点是：生产效率高。产品表面质量好，品种多，能耗少，成本低。 轧件长度不受限制，可生产出用其它成型方法难以生产或不能生产的复 杂薄壁型钢。辊式弯曲成型法( 简称辊弯成型法) 是比较先进的弯曲成 型法，因此得到了广泛应用。通常所说的冷弯型钢主要是通过辊弯成型 方法加工的，本论文中，冷弯成型就是指辊弯成型方法。 冷弯型钢特点具体表现在以下几个方亟： ( 1 ) 辊式冷弯型钢生产较生产同类产品的其它轧机设备简单、重量轻、 占地面积小、相对投资少、建设周期短、生产人员少、效率高。 ( 2 ) 冷弯型钢由于使用冷、热轧带钢卷为原料，在多道成型辊中弯曲 成型，所以产品表面光洁，产品断面尺寸精度高，机械性能良好；其加 工的产品长度可以根据用户的需要灵活调整。 ( 3 ) 产品的断面形状可按用户需要设计。结构合理，单位重量的断面 性能( 断面系数) 较热轧型钢优越，用于制造结构型钢可以节约钢材 10 4 0 。 ( 4 ) 冷弯型钢产品的材质多样化，不仅可以尘产一般碳素钢、低合会 高强度钢、不锈钢、而且可以生产各种镀层板、涂层板( 各种有机塑料 涂板) 、多种有色金属的冷弯型材，适应市场多方面的需要。同时冷弯型 铡生产工艺还可以延伸，对其进行深度加工有较好的综合效益。 ( 5 ) 连续的变形方式可以与其他的加工工艺串联起来，进行复合加工 ( 如与切断机械、冲空机械、焊接机械、焊接机械相配合，可以生产出 各种复合型钢材) 。 1 3 冷弯成型加工工艺乜7 8 、1 引 冷弯辊弯成型工艺可分为四种，即单张( 或单件) 成型工艺、成卷成 型工艺、连续成型工艺和联合加工工艺。冷弯成型加工成型工艺如图1 3 、 板带变形如图1 4 所示。图l 一5 为连续成型冷弯成型机组。 4 垦型些! 叁兰堡! ：兰些笙兰兰蔓二! ! ! 堕 翻i 3 辊弯成把示意凹 | 璺i1 4 辊弯成型时的板带变形幽 i 鳘| 1 _ 5 辊弯成型机组 单张成型工艺是定尺寸坯料的成型方法，主要应用于小批量且成型 后型材锯切比较困难的短定尺寸冷弯型镪产品。成型设备简单、工具费 用少、投资低。成卷成型工艺和连续成型工艺，机组设备投资大、占地 面积较大。目前投产的绝大部分辊式冷弯成型机组均采用这两种工艺。 联合加工工艺用于加工具有特定要求的冷弯型钢，如高强度冷弯型钢、 其设备最复杂、投资较高。 现代辊弯成型新工艺可以分为两类：第一类包括奥钢联的成型辊集 中加工技术( c a t 技术) 、r 本中用制作所的柔性辊弯成型技术( f f 技术) 、 排辊成型技术( c b r 技术) ，其共同特点就是轧辊的公用性强，轧辊调整 速度快，实现柔性化生产，提高经济效益和产品质量，主要用于焊管生 产。但c t a 技术不适合生产直径太小的管材：f f 技术使轧机维护和轧辊 加工复杂；c b r 技术生产厚壁管时，轧机刚度不足。 第二类包括同本同新公司的无辊自然成型技术、奥钢联开发的带有 插入式立辊成型技术以及f 1 本东洋特殊钢业株式会社的辊挤压和辊拉拔 昆1 9 j 理t 人学坝i 学位论义 第一章绪论 成型技术。此类成型工艺与传统成型工艺不同，它是为消除传统成型工 艺某一方面的缺陷，适应现代化生产而丌发的。其成型过程平稳，产品 质量好，尺寸精度高，不仅用于生产焊管而且还可以用于生产异型端面 产品以及多种规格冷弯型铡。但无辊自然成型，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， 不适合生产人批量单一品种产品。 1 ，4 冷弯成型理论研究进展阳1 1 11 2 。1 2 2 、圳 冷弯成型属于复杂的板带深加工技术，其复杂性表现在几何上的大 变形、材料上的超塑性、接触边界非线性和动态加工过程，使冷弯成型 理论难度很大，直到目前，国内外学者还没有提出一种完善而有精确的 分析方法。由于冷弯成型影响因素多，产品品种多，理论解析困难，冷 弯型钢产品的丌发，长期依靠设计者的经验和反复的试弯，制约了冷弯 型钢的发展。 7 0 年代国外丌始使用计算机对冷弯工具进行设计，使冷弯成型工具 设计进入了一个新的发展时期。国内也于8 0 年代初，做出了大量卓有成 效的工作。特别是s o 年代木以来，国内外又相继在冷弯成型力学、冷弯 成型实验分析、有限元分析技术等方面取得较大进展，从而有力推动了 冷弯成型研究的进展。 ( 1 ) 、在成型理论研究方面，前苏联学者做出了突出的贡献。1 1 h 古思等”“早在19 6 2 年就用能量方法分析了角材的连续弯曲，但存在明显 的不足，即描述板材变形后几何的未知函数，通过求变形功极值加以确 定，由于求解未知函数过程中加进了某些限制，因此所得变形功有局限 性，计算获得的板材变形后几何形状与板材各质点的实际位移不相符合。 b n 达维多夫1 6 7 】提出变形的“平稳过渡区”概念，即角度的改变是在 两机架阃的部分长度上完成的，握此导出边缘的伸长率为： r ：一 = ( 三2 口+ 2 a2 ( 1 一c o s ( a 只) ) 一8 ) l 口 ( 1 1 ) 式中，己日为平缓过渡区长度，a 为翼缘长度，a o , 为角度增量值。 免：山此给出防止缺陷条件和最大允许弯曲角。达维多夫采用直线变形假 设，其中对拉伸应变有决定作用的变形区长度l 8 只能由实验确定，因此 在实际应用l 受到限制。 ( 2 ) 、同本小奈弘。”1 从轧辊设计的计算机化出发，根据现有设计技 6 垦型些! 叁兰堡! ：兰些笙兰一笙二! ! i 堕 术资料分析，提出槽钢边部成型时水平投影轨迹为三次多项式，即 y ：a x 3 + 口x 2 + c x + d ，根据该轨迹可求得边部仲长工。 f 1 本学者木内学叭“、”从7 0 年代致力于冷弯成型增量型能量法的研 究，目的已经形成了一个较完整的体系，并且将这种方法用于辊式成型 的计算机辅助设计。其方法是提出形状函数概念，通过形状函数s 似j 的引 进和相临两个机架的孔型柬构造两机架之间坯料变形后的曲面。形状函 数s 伍) 的形式为： i x = x ( x ，歹) y = i ( y ) + ( l ( y ) 一k ( y ) ) s ( x ) ( 1 - 2 ) l z = z t ( z ) + z 2 ( z ) 一z 1 ( z ) ) s ( 功 式中s 仅j 代表成型过程的会属流线，可表示为： s c z ，= s i n f 三( 李 ”1 ，三= x ：一x et 一。， 珂是确定流线的可变参数，垂直于轧向选取微小单元作为一个元素， 假定它沿着方程( 1 2 ) 表示的曲面变形，假定冷弯变形是一个稳态过程。 使用增量法可得到每个元素变形时的应力应变表达式和变形功的数学表 达式，使总的变形功最小就可得到一个优化参数 ，最后可确定冷弯变形 空问曲面。 ( 3 ) 、8 0 年代末9 0 年代初，我国国内一批学者对冷弯成型基本理论 进行了全面研究，首先研究了轧辊断面对产品成型的几何限制问题，得 到冷弯变形时的弯曲角曲线。弯曲角曲线把任意两机架问的变形分3 个 区域，3 个区域的交点可以出边界条件确定，最终得到弯曲角的表达式。 在此基础上，研究了冷弯成型的基本变形方式和断面性质，认为变形有 四种变形方式，即纵向拉伸、纵向弯曲、横向弯曲、横向剪切，并分别 得到了这靼种变形的应力应变表达式和变形功的数学表达式。这是在一 般条件下得出的结论，理论本身的简化和假设很少，因面对任意断面型 钢的孔型设计和生产有普遍的指导意义。同时，关于冷弯成型力学理论 研究，虽然还有待于进一步的完善和发展，但对我国冷弯型钢工业的发 展起了很大的推动作用。 ( 4 ) 、各国学者针对各种简单断面冷弯型钢的变形，提出了应力、应 变表达式，如：c h i a n g k 。f 提出了在槽钢冷弯变形区的应力计算表达式； n a k a j a m a 通过对焊管成型时的几何空问形式进行简化，得到轴向应变的 ， 昆l 埘理t 人学倾i ：学位论史 笫一章绪论 数学表达式；w a l k e r 等人针对n a k a j a m a 的理论进行了深化和修正。 1 5 冷弯成型过程有限元分析进展阳1 2 39 、5 1 5 5 、盯一3 1 电子计算机的普及和数值计算方法的改进，为冷弯成型数值模拟提 供了有力的条件，各国学者竞相丌展冷弯成型计算机模拟研究工作。有 限元法是解决工程技术问题的可靠性工具。目的冷弯成型分析应用有限 元法有两大趋势：一是致力于独立丌发冷弯成型有限元软件，二是使用 大型商甩有限元软件对冷弯成型过程进行分析，并应用于冷弯工具设计， 解决实际生产问题，提高冷弯型钢产品。 r 本东京大学生产技术研究所木内学教授使用形状函数法对焊管辊 型、成型过程生产线、轧机架数、间距等一系列影响因素进行了系统的 分析，同时又进行了宽幅断面型钢、c 型钢、v 型钢冷弯成型以及直缝焊 管残余应力的研究。这种方法在处理应力应变关系时，做出只考虑垂直 应力作用而忽略剪应力作用的假设，导致计算精度降低。 同本山梨大学小野m 等人长期从事于直缝焊管、方形焊管、宽幅外卷 边相型钢冷弯成型的有限元模拟研究。他们使用刚塑性有限元法分别对 直缝焊管坯在丌口孔型和闭日孔型的变形进行研究。这种方法屉大的缺 陷是不能分析焊管和冷弯型钢成型的回弹问题。 美国r o l l k r a f t 公司的r o b e r t j h a r s t a i n 利用商用有限元软件着重分 析钢管定径成型时的应力应变分析、管壁的厚度变化、回弹控制。加拿 大w a t e r l o o 大学的t e r r yr w a l k e r 等人使用a b a q u s ，对直缝焊管成型 过程的应变进行计算分析，建立预报焊管成型过程的边缘稳定模型，并 得到了调整轧机参数的依据。 在我因，续松庆首次采用有限元法研究复杂的焊管成型过程，但是除 了强制位移外，应力结果与实际出入较大。张必强和张全根以材料力学 方法研究焊管成型f u j 题，精确度难以提高。 以燕山大学刘爿教授为首的课题组对辊弯次成型、二次成型方法， 分别使用全蹙、增量样条有限条法和弹塑性大变形三维有限元法进行深 入系统的理论研究和实验研究，取得了询：多重要的研究成果，并在平板 轧造模拟程序( e p f e p 3 ) 的基础上丌发了辊式成型过程的模拟程序。北 方工业大学刘继英教授引进c o p r a 系统，对冷弯成型进行有限元分析及 相应的冷弯成型c a d c a e 研究，代表了个发展方向。 昆1 9 j 理t 人学坝i 学位论义第一章绪论 1 。6 冷弯成型c a d 技术研究现状及发展3 、9 、1 0 、5 7 】 传统的冷弯成型加工模式存在以下两个缺点：第一，设计周期长， 难以实现对市场的快速反应：第二，机械加工精度低，有时甚至会出现 辊花报废。为解决这一难题，科技人员不断进行研究和实践，到了6 0 年 代，随着计算机技术发展和应用，尤其是计算机辅助设计( c a d ) 技术 及其基础理论近几年的发展，使得冷弯成型c a d 技术应运丽生，大大促 进了冷弯成型技术的发展。目前，国内外研制的计算机辊型设计( c a r d ) 系统很多，其中较为完善的系统有德国的c o p r a 系统、澳大利亚的 c a r d o f 系统、英国的o r t i c 系统、以及加拿大的d e l t a e n g 系统。 c o p r a 系统起源于德国慕尼黑大学的一项冷弯研究工程，该系统的 主要功能：优化冷弯成型工艺，进行冷弯工具和轧机的设计，进行工具 成本计算，绘制工程图纸，提供数控机床联结的手段，并可以进行冷弯 成型相关的有限元分析。 o r t i c 系统是英国r o l l s e cd e s i g n 有限公司丌发研制的，系统根据塑 性理论和残余应力理论，可以从数学上确定成型过程中的各种参数和力 学信息。其最大特点是在设计方法上强调经验与理论的结合，不仅能对 任意断面形状的产品进行工具设计，而且能对整条冷弯成型生产线的设 备如轧架、飞锯、输出辊道、液压装置等进行设计。o r t i c 系统至今 已经发展了1 0 余年，已为十几个国家设计开发过冷弯新产品及生产线。 c a r d o f 系统是澳大利亚j o h nl y s a g h t 公司丌发的交互式冷弯辊型计 算机辅助设计系统，采用考虑由实验测定的材料特性、辊型、纵向拉应 力与回弹的相互关系的数学模型，进行弹塑性理论计算。 国内冷弯型钢计算机辅助设计工作始于l9 8 3 年，北京科技大学会属 压力加工系与南京轧钢厂合作，丌发了一个方型管设计计算程序。自1 9 8 5 年起，又与广州异型钢厂合作，开发了角钢、槽钢、方矩管及焊管的辊 型设计系统，这些系统用f o r t r a n 语言编程，并把a u t o c a d 作为图形 显示与输出的媒介。燕山大学冷弯成型计算机模拟小组从l9 8 8 年丌始与 长春冷弯型钢厂合作致力于冷弯型钢孔型设计c a d 系统的研制与丌发。 先后为长春冷弯型钢总厂、南京冷弯型钢总厂开发了方型管c a d 系统、 小型型钢孔型设计系统，并已经用于冷弯成型实际生产。 c a d 技术在冷弯型钢领域晕，可大致归纳为两个发展方向，其一是 向自身的内涵的深度发展，用计算机技术分析成型过程中的应力、应变， 9 昆1 9 j 理t 人学颂i 学位论义第一章绪论 为确定成型工艺提供模拟方法，为实际生产提供最优的辊型设计。其二 向外延扩展的广度发展，用计算机技术不仅完成轧辊设计j 而且要实现 设钉+ 制造( c a d c a m ) 一体化，成为冷弯型钢生产向柔性化方向发展的重 要前提。北方工业大学的冷弯型钢研究人员与德国的d a t am 公司合作， 吸收国外的技术和经验，在冷弯型钢c a d c a m 方面取得了一定的成绩， 并成为德国d a t am 公司在中国的代理商。此外，冷弯c a d 柔性系统和 冷弯c a d 专家系统是目前冷弯c a d 技术的发展趋势，因内北京科技大 学、燕山大学等几家单位已致力这方面的研究。 1 7 本文选题的意义及主要研究内容 冷弯型钢这种高效型材产品的应用领域越来越广泛，要求专家学者 对冷弯成型工艺及其产品做出更加深入细致的研究，缩短冷弯型钢产品 的丌发周期，提高产品质量和力学性能，使冷弯型钢产品能够更好的满 足于多品种、低成本、高精度和高表面质量的市场要求。 本论文就是基于上面的前提下选题，对槽钢辊式加工工艺进行实验 和有限元分析，分析成型中轧件的变形特点及应力应变分布，为冷弯成 型c a d c a e 技术提供有力的实验数据和理论支持，最终应用于实际生 产。 冷弯成型是一种先进的会属加工工艺。深入地研究冷弯成型理论， 使用a n s y s 软件的l s d y n a 模块对冷弯成型过程进行模拟，在国内具 有领先水平，对板材冷弯成型及加工具有重要意义，是具有现实意义和 经济效益的前沿课题，在本论文中，作者将从以下几个方面丌展系统的 研究_ ：_ ：i ：作。 使用非线形有限元法对冷弯成型辊式加工板带变形进行简单分析。 通过对辊式加工工艺的综合分析，结合力学实验审现有的设置设计冷 弯成型实验室测试装置。并且使用该装置对板带在冷弯成型中的变形 进行研究。 建立有效的力学模型，使用a n s y s l s d y n a 模块对该实验装置中 的板带变形进行有限元分析，将结果实验测试的数摄作对比分析。最 后，对实际的辊式冷弯成型工艺过程进行模拟。 提出建议和结论。 丝业型! 叁兰竺! 堂些堡塞 笙墨! ! 垡堡鱼：里垒些笙 第二章非线性有限元基础理论 2 1 引言 有限元方法是2 0 世纪中叶在电子计算机诞生之后，在计算数学、计 算力学和计算工程科学领域旱诞生的最有效的计算方法。经过5 0 年的发 展不仅使各种不同的有限元方法趋于完善。而且已经丌发了一批使用有 效的通用和专用有限元软件。使用这些软件已经成功地解决了机械、水 工、土建、桥梁、机电、冶会、宇航、核能、地震、气象、水文、物理、 力学等领域众多的大型科学和工程计算难题，有限元软件已经成为推动 科技进步和社会发展的生产力，并且取得了巨大的经济和社会效益。 从6 0 年代中期丌始，非线性有限法是在线性有限法的基础上，作为 计算非线性结构的一种数值方法提出来的。在国外，出于电子计算机的 高速发展，非线性有限法在各个领域已被广泛的采用；在国内，从8 0 年 代初开始，逐步引起学术界和工程界的重视与应用。 线弹性力学的基本方程的特点是：几何方程的应变和位移的关系是 线性的、物理方程的应力和应变的关系是线性的、建立于变形前状念的 平衡方程也是线性的。但是在许多实际问题中，上述线性关系不能保持。 例如在结构的形状有不连续变化的部位存在应力集中，当外载荷到达一 定数值时该部位酋先进入塑性，如长期处于高温条件下工作的结构，将 发生蠕变变形a 上述现象都属于材料非线性范畴内研究的问题，此外， 板壳的大挠度问题，材料锻压成型过程的大应变问题等，需要采用非线 性的应变和位移关系，属于几何非线性范畴内研究的问题。 本文是以冷弯成型过程中的板带为研究对象，在冷弯型钢的辊式加 一l ：工艺中，由于板带的几何形状变化大、材料弹塑性变形以及接触边界 的不确定性等因素，必须采用大变形非线性的有限元法对其过程研究。 2 2 几何非线性问题的有限元计算 由于大位移、大转动引起的非线性问题称为几何非线性问题。几何 非线性问题大致可以分为两类，第一类是在受载荷后有大位移的结构， 结构内各线元和面元相对于受载荷之前的自然状态有较大的线位移和角 位移，又因构件内各点的应变仍在弹性范围内，故可用胡克定律描述材 料的应力一应变关系。第二类几何非线性问题，例如余属的成型、橡皮 1 1 昆i 叫理t 人学坝