辊弯成形过程仿真与参数优化 尹纪龙.doc

文库下载 免费文档下载/本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：/doc/a557d0145f0e7cd18425364c.html辊弯成形过程仿真与参数优化第19卷第4期 系统 仿 真 学 报? Vol. 19 No. 42007年2月 Journal of System Simulation Feb., 2007辊弯成形过程仿真与参数优化李大永，蒋劲茂，彭颖红，尹纪龙 （上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200240）摘 要：采用动力显式弹塑性有限元方法对U型钢辊弯成形过程进行仿真，分析了成形过程中应力、应变的分布演化特性，获得了弯曲角增量、机架间距对辊弯成形过程的影响规律，计算结果与实验结果有较好的一致性。基于数值模拟，对辊弯成型轧辊辊径进行优化设计。通过正交模拟实验获取计算结果样本，进而建立轧辊辊径设计目标函数的响应面模型，最终获得辊径优化设计结果，优化后辊弯成形板带截面上的纵向应变差显著降低，改善了成形性能。 关键词：辊弯成形；动力显式有限元法；响应面；优化中图分类号：TG335 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2007) 04-0893-04Study on Roll Forming Process Simulationand Roll Diameters OptimizationLI Da-yong, JIANG Jin-mao, PENG Ying-hong, YIN Ji-long(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)引 言Abstract: Considering the long forming distance of roll forming, the /doc/a557d0145f0e7cd18425364c.htmlroll forming of a “U” channel part was simulated with the dynamic explicit finite element method. The distribution of stress and strain was obtained and the influence of bending angle increment and stand distance on the forming process was studied. The calculated result shows good agreement with the experimental one. Furthermore, the roll diameters were optimized with a simulation-based optimization method. Through design of simulation experiments, large amounts of calculation results were obtained. Then a response surface model for roll diameter design objective function was established, through which the optimized roll diameters could be easily obtained. The contrast between the optimized scheme and initial one shows the validity of the simulation-based optimization method. The difference of longitudinal strain in the formed section is notably decreased through optimization and the forming performance of the sheet metal is i/doc/a557d0145f0e7cd18425364c.htmlmproved.Key words: roll forming; dynamic explicit finite element method; response surface; optimization了两个轧辊之间的板形及应变分布5。徐树成等人则采用三维U.L.弹塑性隐式有限元对辊弯成形进行了分析6。由于辊弯成形纵向规模大，并且板带与轧辊之间接触摩擦条件复杂，采用隐式有限元方法求解计算时间过长并且迭代收敛问题不易解决。因此，本文采用动力显式有限元软件DYNAFORM7对U型钢的辊弯成形过程进行仿真，研究带钢在成形过程中应力、应变分布演化情况，分析弯曲角增量、机架间距对辊弯成形的影响规律。在此基础上，将工程优化方法和数值模拟相结合，对轧辊的辊径参数进行优化。辊弯成形是以金属板带为坯料，通过多段成形轧辊对坯料逐步进行弯曲变形，从而得到均一截面产品的塑性加工方法。其产品为各种截面冷弯型钢，具有能源与材料消耗小、表面质量好、尺寸精度高、相对刚度与强度大的优点，在建 筑、交通、机械、家电等各行各业有着越来越广泛的应用1。辊弯成形是一个经历大转动、有限应变的过程，具有明显的复杂的几何非线性、物理非线性、边界条件非线性特征，成形规律难以把握。以往根据经验通过试错法进行辊弯产品设计，不仅调试周期长，难以适应市场变化，而且造成人力和材料的浪费，增加成本。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。Kiuchi、Nefussi、Walker等采用解析法进行求解1-31 辊弯成形全流程仿真有限元模型U型钢辊弯成形工艺过程如图1所示，板带通过一系列不同轧辊(30、60、90)的逐次轧制获得所需形状。根据结构对称性可取其一半进行建模。在CAD软件Unigraphics4mm4mm Stand 3Stand 2Stand 1://doc/a557d0145f0e7cd18425364c.htmlpar90R4。刘才等人采用有限条法对辊弯成形全流程进行了模拟。M.Brunet等人采用基于平面应力壳单元的二维弹塑性有限元方法计算收稿日期：2005-12-08 修回日期：2006-03-29基金项目：国家自然科学基金项目(50375095，50634010); 上海市科委项目(06QA14026, 03ZR14064, 041107049, 05JC14022)。作者简介：李大永(1973-), 男, 河北省唐山人, 副教授, 研究方向为塑性加工过程数值模拟; 蒋劲茂(1980-), 男, 湖南省永州人, 博士生, 研究方向为辊弯过程模拟; 彭颖红(1963-), 男, 四川省成都人, 教授, 博导, 研究方向为塑性成形理论与模拟技术。4 100mm图1 U型钢辊弯成形过程示意图Stand 0? 893 ? 2007年2月 系统 仿 真 学 报 Feb., 2007Effective strain2.216e-0011.994e-0011.773e-0011.551e-0011.330e-0011.108e-0018.863e-0026.648e-0024.432e-0022.216e-0020.000e 000中建立四道次共计十个轧辊以及带钢的CAD模型，导入有限元前处理软件HYYPERMESH划分有限元网格，然后进入DYNAFORM 中形成如图2所示计算模型。RU2RU3RU1RU0://doc/a557d0145f0e7cd18425364c.html RL0RL2_SRL1 图4 等效应变分布RL3_S RL3_DRL2_D 图2 辊弯成形有限元仿真模型在计算模型中，轧辊设为刚体，划分为壳单元。为了描述板料边缘处的变形，板料采用三层八节点实体单元建模。参与计算的带钢材料参数为：弹性模量E = 210Gpa，泊松比v = 0.3，板厚为4mm，等效应力-等效应变关系为0.143(1) =617.2（0.001292 8纵向应变/ U型钢辊弯成形包括从咬入、压下、轧制、甩尾等过程。初始时各机架上轧辊固定，夹送辊RL0首先抬起上压夹住板料，然后，轧辊RL1(30) 上压成形，接着板料行进至下一机架停下，轧辊RL2_D上压，轧辊RL2_S(60 向内侧压)后板料继续前进至下一机架，依次类推，直至板料完全从机架中甩出，可以稳定地成形。在实际辊弯成形中，带钢的前进是依靠驱动轧辊的转动，通过轧辊与带钢之间的摩擦力带动的。然而，在设定仿真边界条件时，如果设定轧辊转动，往往会由于计算中摩擦力的不稳定出现“打滑”现象，使带钢不能正常前进。为了提高计算的稳定性，可以通过给定带钢端部行进速度来施加边界条件，行进速度等于轧辊线速度。 70210 280350纵向位置 /X (mm) 图5 纵向应变仿真结果与实验结果比较140辊弯成形中的各种工艺参数，如道次间的弯曲角增量、机架间距、轧辊辊径等对带钢的成形都会产生影响。图6所示为第一、第二道次之间分别取10、20、30弯曲角增量计算得到的带钢边缘纵向应变对比，带材翼缘处纵向应变峰值随着弯曲角增量增加而增大。如果弯曲角过大，将使得机架间带材应变产生大的波动，易产生皱曲。://doc/a557d0145f0e7cd18425364c.htmlar图7为机架间距分别为300mm、400mm、500mm时带钢边缘纵向应变值。可以看出，纵向应变峰值随机架间距增大而减小。如果机架间距过近，小于带材成形区长度，则后一成形道次的变形会影响前一道次的变形。因此，设计机架布置时相邻机架间距需要考虑变形区长度。机架间距过短，则各道次成形作用相互干扰，材料易发生皱曲现象，而机架间距过大又会增大道次间板带的回弹。 纵向应变/ 2 仿真结果讨论在成形过程中带钢翼缘被逐渐折起，变形程度不断加剧。仿真的花型形状对于工艺设计特别是道次弯曲角的分配具有重要作用，图3为各道次成形过程的带钢连续成形的花型，可以看出整个成形过程稳定。图4为最终成形形状及其等效塑性应变分布图，在型钢截面中，弯角处应变最大，在翼缘处最小。图5为距U形零件边缘2mm处纵向应变的仿真结果与实验结果的对比，两者具有较好的一致性。随着每道次弯曲角度的增大，各机架道次带材的纵向应变峰值逐渐增高。8 100纵向位置 /X(mm) 图3 辊弯成形花型图6 弯曲角增量变化对边缘纵向应变的影响? 894 ? 2007年2月 李大永，等：辊弯成形过程仿真与参数优化 Feb., 2007 纵向应变/ 0.300.25MSE Strain 00.050.0033310.300.25MSE Strain 00.052927RU1D25160.00 ://doc/a557d0145f0e7cd18425364c.htmlar232221 201918 17RL3SD纵向位置 /X (mm) 图8 辊径优化响应面模型 表2 辊径优化结果(mm)图7 机架间距对边缘纵向应变的影响RU0D RL0D RU1D RU2D RU3D3 轧辊辊径优化在U型钢辊弯成形过程中，水平辊采用平辊，立辊采用锥形辊，辊径大小及其相互匹配情况是成形工艺设计中需要考虑的一个重要因素。如果辊径大小设计不合理，容易造成轧偏，无法正常生产。通过数值仿真与优化技术来优化轧辊辊径，有助于改善带钢成形性能，提高产品质量。板带成形截面上的纵向应变差是衡量板带成形性的一个重要指标。在本文研究中，将十个轧辊直径Dj(j=110)作为待优化参数，优化目标为最终成形横截面上纵向应变的方差大小，即OBJ=1Nnse119.14 113.75 284.28 255.99 154.29 RL1D1 RL2DD RL2SD RL3DD RL3SD 148.22 113.22 140.25 143.72 187.36(i=1i?aver)2 (2)式中， i为单元ir纵纵向应变，aver为横截面上各单元纵向应变平均值。初始设计辊径参数如表1所示。表1 辊径初始设计方案（mm） 纵向应变/ 在横截面上的位置/ Y (mm)图9 优化前后沿最终横截面上纵向应变分布的对比RU0D RL0D RU1D RU2D RU3D 150.0 150.0 250.0 250./doc/a557d0145f0e7cd18425364c.html0 150.0 RL1D1 RL2DD RL2SD RL3DD RL3SD 150.0 150.0 150.0 150.0 150.04 结论(1) 本文基于动力显式弹塑性有限元方法对U型钢辊弯成形过程进行了仿真，计算结果与实验结果具有较好的一致性。(2) 通过辊弯成形过程仿真，获得弯曲角增量、机架间距等因素对辊弯成形过程的影响规律，有助于辊弯成形工艺与产品的设计；(3) 通过工程优化技术与数值仿真相结合，可以实现辊弯成形工艺参数的合理配置，有利于改善成形性能，提高产品质量。根据辊弯工艺常识以及机架空间、强度的要求，设定每个轧辊的辊径设计范围作为约束条件，为50Dj1000,1j10 (3)即各个轧辊辊径在50mm与1000mm之间取值。首先针对设计变量进行数值模拟方案的正交实验设计；在获得所有各组方案的目标函数后，在工程优化软件HYPESTUDY9环境下建立设计空间内的响应面模型（如图8所示），然后在该响应面模型上内寻找最优解，最终得到如表2所示的优化辊径。图9为初始设计与优化后零件最终截面上纵向应变分布结果的对比，可以看出经过辊径优化后，截面纵向应变分布更加均匀。? 895 ? 参考文献：1 Kiuchi M. Analytical study on cold roll forming process C/ Reportof the Ints. of Ind. Sci., No.23, University of Tokyo. 1973.2 Neffusi G, Gilormini P. A simplified method for the simulation of coldroll forming J. International Journal of Mechanica/doc/a557d0145f0e7cd18425364c.htmll Sciences (S0020-7403), 1993, 35(10): 867-878.2007年2月 系 统 仿 真 学 报 Feb., 2007 3 Walker T R, Pick R J. Development in the geometric modeling of anERW pipe skelp J. Journal of Materials Processing Technology (S0924-0136), 1991, 25(1): 35-54.4 Liu C, Zhou Y, W Lu. Numerical simulation of roll forming byB-spline finite strip method J. Journal of Materials Processing Technology (S0924-0136), 1996, 60(1): 215-218.5 Brunet M, Mguil S, Pol P. Modeling of a roll-forming process with acombined 2D and 3D FEM code J. Journal of Materials Processing Technology (S0924-0136), 1998, (1): 213-219.6 徐树成, 王先进, 刘才. 弹塑性大变形有限元分析槽钢成形过程的位移场和速度长 J. 塑性工程学报, 1999, 6(3): 69-73.7 Engineering Technology Associates, Inc. ETA/DYNAFORM UsersManual M. Tro/doc/a557d0145f0e7cd18425364c.htmly: Engineering Technology Associates, Inc., 2003. 8 Damm K. Determination of longitudinal strains in roll forming ofstandard sections in a multi-stand machine D. Inst. For Production Technol., Univ. of Darmstadt, Germany, 1989.9 Altair Engineering, Inc. Altair Hyperstudy Training Manual M. Troy:Altair Engineering, Inc., 2005. （上接第867页）而MPSD字典只有1.5*104个，因此，即便是基于20个不同随机字典的MPSD方法，其运算量也大约只是MPGD方法的一半。但很显然，随着随机字典数和字典中原子函数的增加，运算量也会随之增加。 归一化均方误差%5.5 5 4.5 4 3.5 32.5 03 结论MP算法由于使用了时频原子构成的字典来分解信号，102030随机字典数4050 对信号瞬时结构的局部具有较好的自适应性，基于该算法的时频分布具有较高的时频分辨率，适合分析非平稳信号。基于20个不同随机字典的MPSD能较好地产生无偏的时频描述，能更精确地跟踪频率的变化。这个方法用来估计模拟多普勒血流信号的IWMF，结果表明这种方法比传统的声谱图法能够产生更精确的多普勒频移，但运算量也会显著增加。由于平均频移波形反映了血管内的血流速度，这意味着在血流测量方面，这个方法能提供更精确的医学诊断信息。图6 对100个SNR为20 dB的模拟多普勒信/doc/a557d0145f0e7cd18425364c.html号用基于不同个数随机字典的MPSD估计的IWMF的NRMSE值随机字典的MPSD算法估计的IWMF的影响几乎是相同的。当噪声增加的时候，两个误差值都随之增加。根据结果所示的平均频移的NRMSE值的大小，基于20个不同随机字典的MPSD算法估计频移具有更好的精度。105 0归一化均方误差/%10 5 0 10 5 0STFT MPSD(c) SNR=10dB STFT MPSD (b) SNR=20dB STFTMPSD (a) SNR= 参考文献：1 Evans D H, Mcdicken W N. Doppler Ultrasound: Physics,Instrumentation and Signal Processing M. Second Edition, JOHN WILEY&SONS, LTD., 2000. 2 3祁锦毅, 高上凯, 杨福生. 关于宽带和窄带超声血流速度测量方法的评价 J. 声学学报, 1997, 22(3): 255-267.Wang Y, Fish P J. Comparison of Doppler Signal Analysis Techniques for Velocity Waveform, Turbulence and Vortex Measurement: a Simulation Study J. Ultrasound Med. Biol.(S0301-5629), 1996, 22(5): 635-649.4 Mallat S G, Zhang Z. Matching Pursuits with Time-FrequencyDictionaries J. IEEE Trans. Signal Processing