冷弯成形过程参数化仿 真

冷弯成形过程参数化仿 真

　　辊式冷弯成型，即在一排串联的成型轧机上，连续通过金属板和金属板带，顺次使其弯曲，将带钢加工成所需的截面形状的塑性加工方法。冷弯工艺设计主要依赖于经验和试探法，不可避免耗费人力和物力。为了缩短新产品开发周期，数值模拟成为冷弯设计的较佳选择，国内外许多学者对冷弯成型工艺进行了研究。李大永[1]和尹纪龙[2]采用显式算法对槽钢冷弯成型过程进行了求解；徐树成等[3]则采用三维弹塑性有限元对辊弯成形进行了分析；Han等[4]采用了有限条法对辊弯成形全流程进行了模拟；Heislizl[5]用软件PAM—Stamp模拟了槽型截面件的辊弯成型；Brunet等[6]首先采用基于平面应变壳单元的二维弹塑性有限元方法，计算带钢在轧辊处截面弯曲变形；Lindgren[7]采用MARC分析了不同的高强度钢冷弯成形过程；Sheikh[8]用 SHAPE软件进行了辊弯仿 真。
　　U型槽钢产品在结构上基本相同，但由于使用的场合、工况的差别，在尺寸结构上形成了一个系列，如果逐一地对其进行建模分析，重复工作量将相当庞大。因此在有限元分析过程中引入参数化设计的思想，可实现有限元建模与分析参数化。由于辊弯成型过程比较复杂，牵涉因素比较多，目前国内外尚未看到将参数化思想融入到辊弯成形有限元仿 真的报道。
　　本文利用有限元软件ANSYS提供的APDL语言，采用显式算法对U型槽钢辊弯过程进行了仿 真，将参数化设计思想融入到有限元分析，从而实现了冷弯槽钢参数化有限元仿 真。

1 槽钢辊弯成型参数化仿 真系统
　　槽钢辊弯成形参数化仿 真系统采用便于编辑和管理的模块化结构，包括用户界面、初始参数咨询选择、孔型参数计算等几部分组成。系统针对用户提出槽钢的设计规格，根据企业的生产条件，通过人机对话，选择设计方法、变形道次、计算公式及相关的孔型设计参数，分别进行冷弯槽钢的孔型设计，设计结果可以屏幕显示，又可以计入数据文件中。
　　用ANSYS—LSDYNA集成一个CAD/CAE专家设计系统，其中ANSYS做前后处理器，LSDYNA作为求解器进行求解。槽钢辊弯过程模拟流程图如图1所示。

　　成型道次角度的确定：
　　（1）受咬入条件、边部拉伸及轧制稳定性所限制，成型开始道次的弯曲角应相应减小，一般选10°到20°范围内为宜；
　　（2）中间道次的弯曲角的选择应尽可能大。这是由于咬入条件得到了改善，弯曲稳定性因素增加以及边部拉伸的有限制逐渐减弱，因此要尽可能利用材料的塑性，增大弯曲角，减少弯曲道次；
　　（3）后续道次弯曲角越小越好，断面形状的变化越小，弯曲力相应地减小，因此可减小回弹，保证了产品的精度。

　　生产实际中一般用变形角分配方式，即平均分配和余弦分配。

2 槽钢辊弯参数化有限元分析
2.1槽钢辊弯参数化建模
　　在槽钢辊弯分析中，对槽钢特征进行参数化设计。由于U型槽钢弯曲过程的对称性，只取一半进行研究分析，如图2所示。板子厚度为H，宽度为W，中性面上的弯曲角度为θ，弯曲半径为R，弯曲边长为L，弯曲道次为n道，轧辊间距为S，板子初速度为v，上轧辊半径为UR，下轧辊半径为DR。其中OA垂直于TD，OJ垂直于GD。
　　每一道次弯曲参数定义为数组形式，边长数组BC(n)，角度数组DE(n)，弯曲半径数组WR(n)，轧辊间距为S(n)，上轧辊半径UR(n)，下轧辊半径为DR(n)；根据弯曲的几何特征，设第n道次中性面上对称点S点的坐标为（0,0，-S(n)），T点的坐标为（0，-H/2，-S(n)），Q点的坐标为（0，H/2，-S(n)）。
弯曲部分的弧长：
P=2×π×WR(n)×DE(n)/360;
中性面上的直线和斜线的交点E的坐标为：
X5=W/2-BC(n)-P+TAN( DE(n)/2）×WR(n)，
Y5=0,Z5=-S(n);
下表面直线和斜线的交点D的坐标为：
X1=W/2-BC(n)-P+TAN（DE(n)/2）×（WR(n)+H/2），
Y1=-H/2,Z1=-S(n);
上表面直线和斜线的交点F的坐标为：
X6=W/2-BC(n)-P+TAN（DE(n)/2）×（WR(n)+H/2）
Y6=H/2,Z6=-S(n);
中性面的边部端点N坐标为：
X3=W/2-BC(n)-P+WR(n)×SIN（DE(n)）+BC(n)×COS（DE(n)），
Y3=2×WR(n)×SIN（DE(n)/2）×SIN（DE(n)/2）+BC(n)×SIN（DE(n)）,
Z3=-S(n);
下表面的边部端点G坐标：
X2=X3+H/2×SIN（DE(n)）,Y2=Y3-H/2×COS（DE(n)）,Z2=-S(n);
上表面的边部端点M坐标：
X4=X3-H/2×SIN（DE(n)）,Y4=Y3+H/2×COS（DE(n)）,Z4=-S(n)

　　圆弧AI半径为WR(n)+H/2,圆弧BJ半径为WR(n)，圆弧CK半径为WR(n)-H/2，辊花图由TQ、QC、CK、KN、NG、GI、IA、AT组成。
2.2 槽钢辊弯参数有限元模型
　　为了给出基于结构参数化的有限元分析方法的直观认识，本文给出调整带钢宽度、弯曲角度、弯曲道次而保持其他参数不变的模型和求解结果。
　　（1）有限元模型：本文选择的实例分析中主要考虑A、B、C三组参数，见表1.参数的模型的成形过程示意图可如图3；参数的有限元模型如图4。
材料为经典双线性随动硬化弹塑性，由实验测得材料的各项参数：密度ρ=7850kg.m-³,泊松比μ=0.28,弹性模量E=206GPa，屈服力σs=509MPa，仿 真时带钢前进的速度采用虚拟速度6000mm/s（实际为83.3mm/s）。
　　冷弯过程的边界条件：根据结构对称约束；带钢以一恒定的初始速度向辊缝运动，直至进入辊缝后，靠辊缝与带钢间的摩擦力带动带钢运动，完成冷弯成型过程。轧辊定义为刚性体，仅绕轴向旋转，其它方向均结束。
　　接触面采用自动面面接触，应用罚函数法进行接触控制，一旦计算中发生接触穿透现象，即施加一个很大的罚函数值使其返回到接触面进行准确的计算分析。冷弯过程中静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.15。

3 模拟结果分析
　　参数有限元模型求解的等效应力云图如图5所示，从图中可以看出槽钢辊弯过程中应力的分布规律，弯曲位置应力相对比较集中，边缘处偏小，这与实际情况相符。C组模型弯曲道次多，相应的每一道变形小，弯曲部位应力也随之减小。

　　在成型过程中带钢翼缘被逐渐折起，变形程度不断加剧，辊弯过程初期阶段金属是弹性弯曲，当金属等效应力超过屈服极限时金属弯曲时塑性弯曲，带钢抛出辊缝后不再受成型辊的约束而发生弹性回复。
　　需要说明的是，在这三组不同参数情况下的有限元分析中 ，从建立模型到有限元求解直到后处理操作的一系列过程全部包含在有限元分析流程中。计算时只需要在编制的参数化分析流程文件中输入参数便可自动得到调整后的有限元分析结果。

4 结论
　　鉴于国内外尚未使用参数化方法对槽钢进行有限元分析，本文根据”U”槽钢弯曲的基本特征，利用ANSYS提供的APDL语言，采用弹塑性有限元方法对”U”型槽钢冷弯成形过程进行参数化仿 真。通过对三组不同冷弯参数对槽钢进行参数化仿 真，分析轧制的应力和应变规律；这样既可以完成对冷弯槽钢成型过程的参数化分析，又可以实现轧辊的绘制。
　　给出新的冷弯槽钢模型参数，新的冷弯槽钢模型和新一轮的有限元分析甚至后处理操作均可自动实现。对于槽钢系列化的产品，采用上述的参数化有限元分析思想，可将结构分析的繁杂的工作简化为仅仅输入设计参数。因此，参数化仿 真不但可以减轻分析人员的工作量，同时还大大缩减分析过程。