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21 4 机械 设 计 与制 造 Ma c hi n e r y De s i g n M a n u f a c t ur e 第 5期 2 0 1 2年 5月 文童编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 5 0 2 1 4 0 3 大型 U形板材工件渐进滚弯成形数值模拟 I 李国庆 1 2 胡大超 付泽民 上海应用技术学院 上海 2 0 0 2 3 5 z 华东理工大学 上海 2 0 0 2 3 7 Nu me r i c a I s i mu l a t i o n 0 f mu l t i p l e s t e p i n c r e me n t a I r o l l b en d i n g f o r mi n g o f l a r g e s c a l e s h e e t me t a 1 wi t h U s h a p e LI Gu o q i n g 2 HU Da c h a o 1 FU Z e mi n S h a n g h a i A p p l i e d T e c h n o l o g y I n s t i t u t e S h a n g h a i 2 0 0 2 3 5 C h i n a 2 E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7 C h i n a 摘要 利用A B A Q U S 有限元分析平台 对大型 U形g N r 件渐进滚弯成形及其回弹过程进行数 值模拟 其中工件材料类型选择普通低碳钢 针对半椭圆形工件形状 提出用半径不同的五段圆弧逼近的 几何规划 在此基础上 根据加工过程可能出现的缺陷 合理设计滚弯道次 调整 A B A Q U S参数设置 用模 拟优化的工艺参数成形加工半椭圆形板材工件 经 o r i g i n 8拟合配准 其各段曲率半径最大误差小于 5 模拟结果表明 用渐进滚弯方法成形加工半椭圆形工件是可行的 且模拟过程满足准静态响应的要求 关键词 渐进滚弯 数值模拟 几何规划 拟合 A b s t r a c t S i mu l i o n o f mu l t ip l e s t e p i n c r e m e n t a l r o l l b e n d i n g f o r mi ng a n d s p r i n g b a c k of l a r g e s c a l e s h e e t me t a l w i t h U s h ape w a s i m p l e me n t e d i n t h i s p a p e r u s i n g A B A Q U S i n w h i c h t h e l o w c arb o n s t e e l i s s e l e c t e d t he m a t e r i al t y p e I n v i e w o ft h e s e m i e l l ip s e s h a p e o fw o r k p i e c e ag e o me t r i c p l a n usi n g u e s o 2 c s w i t h d if f e r e n t r a d i u s t o app r o a c h t h e o r i g i n al s h a p e i n p i e c e w i s e i s p r o p o s e d O n e b a s is oft h e p r o g r a mm i n g a n d acc o r d i n g t o t h e p o s s i b l e d e f e c t s i n t h e p r o c e s s i n g the r o l l i n g s t e p s are r e a s o n a b a t r anged a n d t h e p ara m e t e r s are adj ust e d i n A B A Q U S T h e l arg e s t e r r o r ofc u r v a t u r e r adi u s ofd iffe r e n t arC S is l e s s t h an 5 e r s i mu l at i o n of t h e s h e e t me t a l f o r m i n g acc o r d i n g t o o p t i m i z e d p r o c e s s fit t i n g w i t h o r i g i n 8 T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e i ncr e me n t al r o l l b e n d i n g me t h o d f o r f o r mi n g t h e s e mi e l l ip s e s h ape w o r k p i e c e is f e asi b l e a n d t h e s i m u l ati o n p r o c e s s me e t s t h e r e q u i r e m e n t s oft h e q u a s i s t ati c r e s p o n s e 一一K e w o I n c r e me n t a l r o l l b e n d i n g S i mu l a t i o n G e o m e t r i c p l a n F i t t i n g 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A L J L 1 刚 吾 随着造船 石化 压力容器等行业的发展 对各种形状 规格 及不同精度要求的板材工件需求量也大大增加 因此 作为板材 加工重要方法之一的滚弯工艺得到广泛应用fq 目前 国内外学者 对于滚弯工艺的研究主要集中于借鉴弯曲成形分析过程的基础 上 对滚弯过程进行理论上的分析 分析大多是单道次的滚弯过 程Il 对渐进滚弯过程进行理论分析鲜有学者研究 有限元模拟的方法具有试验周期短 成本低的优点 同时又 能够相对准确地分析成形过程中各种变量间的规律和相互关系 已经被大量应用于板材弯曲成形技术的各个领域口 但是国l f 对于渐进滚弯成形的有限元数值模拟还鲜见报道 滚弯过程支承 情况 面力 体力都不沿滚轮长度方向变化 可以视为平面应变过 程 基于此这里用A B A Q U S 有限元分析平台 对大型U形板材工 件渐进滚弯成形及其回弹过程进行二维的数值模拟 2成形工件的几何规划 成形加工的半椭圆形工件 其几何规划 如图 1 所示 将圆弧 部分的半椭圆分成 5个弧段 各弧段的弧半径分别为 2 4 4 4 mm 2 9 1 7 mm 3 3 4 9 mm 2 9 1 7 ra m 2 4 4 4 m m 其 对 应 弧 长 分 别 为 1 5 0 mm 1 5 0 m m 3 0 0 mm 1 5 0 m m 1 5 0 m m 板材总长为 1 3 6 0 m m 两 端直线段各长 2 3 0 m m 在板材展开长上根据各段弧长划分5个加 工变形区段 如图2 所示 图2中的编号 1 2 3 4 5 6 对应图 1 中 的编号 1 2 3 4 5 6 譬L 8 l 蹙 i 一 6 1 8 1 自 圆长轴 一 图 1将半椭 圆分成五个弧段 1 2 3 4 5 6 图 2在展开长度上分成五个加工变形区 k 来稿 日 j 胡 2 0 1 l o 7 0 8 基金项目 上海市教育委员会重点学科建设项目资助 J 5 1 5 0 1 第5 期 李国庆等 大型u形板材工件渐进滚弯成形数值模拟 2 1 5 3工件成形模拟 3 1 A B A QUS分析平台 有限元模型的创建是进行数值模拟的首要工作 数值模型 与实际生产情况的相符程度 决定最终结果的准确性和是否对生 产具有指导意义H 模型参考实际生产工艺确定参数 进行建模 因A B A Q U S E x p l i c i t 能够有效地解决某些在本质上是静态 的问题 准静态过程模拟问题 包括复杂的接触 如锻造 滚压和薄 板成形等过程 一般都属于这类问题目 故渐进滚弯成形模拟选择显 式动力学方法 回弹是成形分析的重要组成部分 因为回弹分析 决定了卸载后部件的最终形状 由于回弹过程不涉及接触 而且 一 般只包括中度非线性 A B A Q U S S t a n d a r d比A B A Q U S E x p l i c i t 求解更J陕 所以回弹的模拟采用 A B A Q U S S t a n d a r d 求解 3 2模拟设置 模拟用的是对称式三辊弯板机 上滚轮半径为 1 6 0 m m 下滚 轮半径为 1 6 0 mm 下部两滚轮中心距为 2 0 0 mm 板材材料为低碳 钢 尺寸为 1 3 6 0 x 8 m m 力学性能 如表 l 表 2所示 初始模型 如图 3 所示 表 1低碳钢的力学性能 图 3有限元模型 3 3滚弯过程模拟优化 为了成形半椭圆形工件 模拟时还需要合理规划各个圆弧段 的成形顺序 由几何规划图得知 中间圆弧段半径 最大 两端圆 弧段半径 R 和R 最小 在其他参数确定的条件下 成形半径 圆弧段所需的上滚轮下压量最小 成形半径R 和R 圆弧段的下 压量最大 若按从左到右或从右到左顺序成形 即先成形半径 或R 圆弧段中的 个 则成形相邻半径 或 圆弧段时 上滚 轮要上移 这时板材与上滚轮暂时分离 出现未加工的直线段缺 陷 圆弧的光顺性受到破坏 如图4 所示 鉴于以上原因 确定先成 形半径R 圆弧段 后成形半径R 和R 圆弧段的总体思路 具体 的成形顺序如下 模拟过程共分六道次 用图形表达整个滚弯过程 如图5 所示 编号 1 2 3 4 5 6对应图 2中的编号 每一道次在 A B A Q U S中包括两个 s t e p 在图 5中包含一个垂直线段和一个水 平线段 其中箭头向下表示上滚轮下压 向上表示上滚轮上抬 箭 头向左或向右表示工件的成形方向 与板材运动方向相反 根据板 材运动速度及各段圆弧的长度 调整成形不同圆弧段的时间设置 依据上滚轮下压速度和下压量调整下压时间设置 调整后成形各 圆弧段的时间参数设置 如表3 所示 从图5 可以看出 s t e p 8 属于 第四道次 主要作用是定位 时间值设置较小 加快模拟过程 图4成形缺陷 1 2 3 4 5 6 图 5滚弯过程规划 表 3成形时间设置 S t e p 成形时间 s 4 6 8 O 1 2 4板材曲率半径计算 按照几何规划 板材加工区各段曲率半径不同 所以在板材 相应段成形后 利用 A B A Q U S E x p l i c i t 后处理 对沿板材中性层 的节点进行坐标变量输出 然后将其导人 O r i g i n 8 0中 利用自定 义的圆拟合函数进行拟合 得到成形半径 节点数目的多少 影响 拟合圆弧段精度 选择节点过少 不足以准确拟合圆弧段 在第一 道圆弧成形后 中性层的节点坐标每十个点取一点导入 O r i g i n 8 0 中拟合的情况 横坐标为模拟过程的 坐标 纵坐标为 Y坐标 下压量为 3 5 mm 拟合半径为 3 3 9 5 8 m 如图6 a 所示

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