三辊弯板机构板材成型过程数值模拟

螺旋钢管成形过程中, 带钢要经过非常复杂的弹塑性大挠度弯曲变形, 其中涉及到几何非线性、材料非线性和接触非线性, 理论分析十分困难[1]。现如今的加工过程中, 管材的成型质量是依靠经验和试加工的方式来获得, 不仅影响管材的质量, 还会浪费很多的人力物力。本文将基于ABAQUS软件, 对三辊式弯板机构中带钢的成形和变形过程进行数值模拟分析, 建立的三辊弯板机构板材成型过程的仿真模型, 为推导三辊弯板机进一步研究奠定分析基础。

1 基于ABAQUS/Explicit板材成型过程数值模拟基本原理

ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一, 特别是它的非线性力学 (几何、材料、接触) 分析功能具有世界领先水平。ABAQUS/Explicit对于求解广泛的、各种各样的非线性固体和结构力学问题是一种非常有效的工具。它是对隐式求解器的一个补充。ABAQUS/Explicit常常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) 一般属于这类问[2]。板材成形一般为准静态过程。在理论上, 采用隐式算法进行求解是严格的, 但计算中迭代收敛性差, 整体刚度矩阵带宽大, 对于每一个加载增量隐式算法都必须迭代到满足边界条件为止, 如果在一个合理的迭代次数之内不能满足边界接触条件, 则减小加载增量重新迭代。接触条件的改变就可能导致极小的加载增量, 从而使迭代不收敛。因此, 隐式算法不适用于像板材成形这样的多重非线性问题的分析。该类问题大多采用显式算法。同时, 用隐式算法进行计算, 目前要在普通PC机上分析, 存在计算时间量大, 计算时间长的缺点[3]。本论文采用显式算法对三辊弯板机构板材成型过程进行分析

2 实例分析

2.1 几何模型的建立

根据弯板机的技术参数, 确定文中模型的辊子及带钢的几何尺寸为:三个成型辊子直径均为Ф70mm, 长度均为1000mm, 板材尺寸为1200mm×960mm×8mm, 上下压平板尺寸均为700mm×1000mm×10mm同时设置压平板与钢板接触面圆角为R=8mm, 欲成型Ф426mm焊管, 两上辊中心矩为200mm, 采用对称式三辊弯板机构。根据成型过程中的受力情况, 同时减小计算时间, 选用二维平面模型建模。几何模型如图1所示。

2.2 模型材料力学性能

在三辊弯板机板材的成形过程中, 3个卷辊的变形相对于板材的变形为小变形。因此, 建立模型过程中将3个辊子作为刚性构件来考虑。材料为45钢, 其材料密度为7800kg/m3。选择三个成型辊为解析刚体, 两个水平方向限定辊也为解析刚体。带钢材料为不锈钢2Cr25N, 根据《机械设计手册》, 可以得到材料相关数据为:屈服极限σs=418MPa、弹性模量E=193GPa、泊松比υ=0.27, 密度8000kg/m3。

2.3 分析步和边界条件确定

由于成型辊为刚体, 边界条件及载荷均作用于参考点RP上。模拟过程主要分三步进行:第一步:限制1号辊、3号辊沿1、2、3方向的平移及绕1轴和2轴的转动, 限制2号辊沿1、3方向的平移及绕1轴和2轴的转动, 将2号辊上移46.1mm;第二步:沿2轴方向上移3号辊23.8mm;第三步:沿1轴正向给板材0.06m/s的进给速度;坐标轴的方向、边界条件如图2所示。

2.4 接触面的交互作用

ABAQUS/Explicit提供了两种模拟接触相互作用的算法, 通用接触算法和接触对算法。本论文中采用接触对算法。设定成型辊、钢板、压平板的各个表面, 定义接触对。根据ABAQUS/Explicit中设定接触对的过程中关于主从接触面的要求, 设定刚体表面为主面, 钢板上下表面为从面;设定压平板与钢板的接触面为主面, 钢板的上下表面为从面。设定接触后的模型如图3所示。

2.5 单元类型的选取及网格的划分

因为板材的厚度相比长度和宽度小得多, 所以可以看成是壳体, 板材的单元类型选用四节点缩减积分壳单元CPS4R。由于缩减积分单元在单元中心有一个积分点, 单元存在“沙漏”问题, 细化网格可以缓解沙漏问题。是否存在沙漏可以通过查看伪应变能 (ALLAE) 和内能 (ALLIE) 之间的比值来判断。采用结构化网格划分方法, 长度方向600个种子, 厚度方向4个种子, 文中采用的网格划分图4所示。

2.6 仿真结果与分析

根据实际生产情况, 设定板材进给速度为0.06m/s, 设定成型时间为10s。板材成型10s后的形状如图5所示。

应用ABAQUS/Explicit的后处理程序, 在图5中, 沿中性层上两点A、B之间的路径, 对最终成型后的形状进行场变量输出, 得到最终成型时刻A、B两点之间所有节点沿坐标轴1、2方向的位移。经ORIGIN7.5运算, 得出成型最终时刻沿坐标轴1、2方向的位移图6所示。经ORIGIN7.5进行运算, 采用软件ORIGIN7.5中的圆拟合工具对上述位移进行曲线拟合。拟合后的圆直径为Ф408mm, 即成型后钢管的直径。由于要生产的螺旋焊管直径理论值为Ф426mm, 可以得到仿真分析结果与理论计算的相对误差为 (426-408) /426=4.25%。结果表明, 数值模拟结果与理论值符合得很好。

1—带钢;2—上平板;3—下平板;4—1号辊;5—3号辊;6—2号辊

3 结语

本文利用ABAQUS/Explicit通用有限元软件对焊管机三辊弯板机构板材成型过程进行了数值模拟。以生产mm×8mm钢管为例, 输入上一章实例计算中得到的调型参数进行数值模拟。对成型后的几何形状进行圆拟合, 得到管径为mm。模拟结果与理论计算结果误差为4.25%。通过对模拟结果进行能量分析、变形分析和应力分析表明, 模拟结果与理论计算相一致。模拟结果对板材成型的生产实践具有指导意义。

摘要：近年来, 随着弹塑性大变形有限元方法的不断完善, 使得关于塑性成型的有限元模拟得到了很快的发展。目前, 用于有限元分析的模型有二维和三维两种模型。但国内外关于螺旋焊管成型过程的数值模拟研究很少。本文基于ABAQUS软件对螺旋焊管成型过程进行数值模拟。定量分析了成型过程中的参数与成型质量的关系, 指导实际生产实践。

关键词：三辊弯板机,板材成型,数值模拟

参考文献

[1] 邵春雷, 顾伯勤.利用ABAQUS/Explicit进行三辊弯板机板材成形数值模拟[J].石油化工设备 (第25卷) , 2006, 3 (2) :62～65.

[2] (美) ABAQUS Inc, 庄茁主[译].ABAQUS有限无软件6.4版[M].清华大学出版社, 2004, 6:25～110.

[3] Peng Zhang, Bin Guo, De～Bin Shan, Zhong Ji.FE simulation of laser curve bending of sheet metals.Journal of Materials Processing Technology, 2007, 184:157～162.