槽鋼輥彎成型過程的計算機仿真

1、畢業(yè)設計說明書 槽鋼輥彎成型過程的計算機仿真 學生姓名： 學號： 學 院： 系 名： 機械工程及自動化 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 年5月 槽鋼輥彎成型過程的有限元模擬 摘要 冷彎型鋼產(chǎn)品具有斷面合理、強度高、重量輕、金屬利用率高等優(yōu)點，是一種經(jīng)濟斷面型鋼，廣泛應用于汽車、航空、輕工、機械制造以及建筑等各個行業(yè)。輥彎成型過程是非常復雜的(本文以槽鋼為例)，其變形是橫向彎曲、縱向拉伸及橫向剪切等多種變形的組合，而且影響成型因素眾多。到目前為止，其本身所具有的特點和規(guī)律尚未被人們真正地理解與掌握，生產(chǎn)中的工藝設計和孔型設計仍然主要取決于經(jīng)驗知識，不僅調(diào)試時間長，難以適應市場變化，

2、而且造成資源的巨大浪費，增加成本。因此計算機輔助設計是非常必要的，可以準確模擬出槽鋼輥彎成型過程，為工程實際提供理論基礎。 本文首先介紹了國內(nèi)外關于輥彎成型理論研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，隨后以槽鋼為例分析了槽鋼輥彎成型過程變形與受力，并以彈塑性大變形有限元理論為基礎，對槽鋼成型過程做出合理簡化，建立分析模型，利用ANSYS軟件模塊對槽鋼輥彎成型進行了三維有限元數(shù)值模擬分析，得出了槽鋼在成形過程中各道次變形區(qū)應力、應變的分布規(guī)律。同時對在不同成型道次的板坯應力、應變分布情況進行了對比，并對不同道次關鍵點進行位移、等效應力和等效應變時間歷程曲線進行分析。探討了槽鋼輥彎成型過程回彈現(xiàn)象及一些工藝參數(shù)對槽

3、鋼成型的影響。本論文的研究結(jié)果對于冷彎型鋼產(chǎn)品的開發(fā)、孔型系統(tǒng)的設計提供了可靠的預測模型，為實際生產(chǎn)應用提供了直接依據(jù)，具有重要理論意義和應用價值。關鍵詞:槽鋼，輥彎成型，有限元法，ANSYS，模擬Finite Element Simulation for Roll FormingProcess of Channel SteelAbstractThe cold bending section product with such merits as the high intensity, the light weight,the high metal use factor, is one kin

4、d of economic sections, widely applied in the automobileaviation, the light industry, the machine manufacture as well as the construction fields.roll forming process is extremely complicated (this paper took channel steel as example),which distortion is the combination of crosswise curving, the long

5、itudinal stretch and thelateral shear. And moreover, the influence formation factor is multitudinous. So far, thecharacteristics and rules of itself have not yet truly understood and grasped. Thetechnological design and the roll pass design of production were still mainly decided by theexperience kn

6、owledge, which not only delayed the debugging time and was difficult to adaptthe market，but also wasted resources and increased the cost. Therefore, the computer-aideddesign is necessary and simulation of the steel roller curved formation process is done in orderto offer the pre-design theoretical b

7、asis. This article first introduced domestic and foreign fundamental research present situationand trend of development about roll forming. And then, it analyzed the trough steel rollcurved forming process distortion and the stress, taking the channel steel as the example. Andit made the reasonable

8、simplification to the channel steel formation process, established theanalysing model, carried on the three dimensional finite element simulation analysis using thesoftware LS-DYNA ANSYS to the trough steel roll forming and obtained the straindistributed rule of the channel steel in the forming proc

9、ess various while going alongdeformation range stress on the base of elastoplasticity finite distortion theory. Meanwhile,this paper compared the strain distribution situation in the different formation while goingalong tube blank stress, analyzed the equivalent stress and the equivalent strain curv

10、e vs timeto the different while going along key point and discussed the influences on the channel steelformation by trough steel roll forming process snapping back phenomenon and some craftparameter. The researching results of this paper provided the reliable forecasting model forthe pass system des

11、ign of the cold bending section product development and the direct basisfor the actual production application, which is of important theoretical significance and theapplication value.Key word: Channel steel, roll forming, finite element method, ANSYS, simulation目錄1 緒論.11.1冷彎成型概述.11.2計算機有限元仿真簡介.21.3國

12、內(nèi)外研究現(xiàn)狀.32 輥彎成型工藝設計.42.1料板展開寬度計算.52.1.1冷彎鋼板彎曲時中性層位置的確定.62.1.2毛坯料寬計算.62.2平緩過度長度的確定.72.3成型制度的確定.92.3.1成型道次數(shù)的確定.92.3.2彎曲角度的確定.112.3.3彎曲半徑的確定.122.4軋輥驅(qū)動直徑的確定.142.5孔型及成型輥設計.153 輥彎成型過程的有限元仿真.153. 1 FEA理論的應用方式.17 3. 2 有限變形基本理論.183.2.1變形過程的物質(zhì)描述和空間描述.184 槽鋼輥彎成型的計算機仿真.194.1有限元軟件ANSYS/LS_DYNA簡介.19 4.2有限元模型的建立和邊界

13、條件的確立.22 4.3仿真結(jié)果分析.254.3.1各道次位移場分析.26 4.3.2各道次等效應變分析.284.3.3各道次等效應力分析.31 4.4各道次橫向、縱向應變及橫向、縱向應力分析.33 4.4.1各道次不同時刻橫向、縱向應變分布情況分析.33 4.4.2各道次不同時刻橫向、縱向應力分布情況 .375總結(jié)和展望.41 5.1結(jié)論.41 5.2對冷彎型鋼發(fā)展前景的展望.42 參考文獻.44 致謝.471 緒論1.1冷彎成型概述我國冷彎型鋼生產(chǎn)起始于 20 世紀 5060 年代，只在鞍山、上海、重慶等個別地區(qū)，以服務于農(nóng)基業(yè)為主2。1958 年開始生產(chǎn)的冷彎型鋼開始用于汽車、建筑、自行

14、車制造等行業(yè)，其產(chǎn)品僅僅能滿足該行業(yè)自身需要3。70 年代末僅有 6 家制造廠，在改革開放的有利形式下，國民經(jīng)濟建設對鋼材品種和質(zhì)量提出了新的要求，冷彎型鋼的優(yōu)點逐步為人們所認識和接受，冷彎型鋼的生產(chǎn)取得了較大的發(fā)展4。八九十年代以來，冷彎成型工藝技術在我國得到廣泛應用。但是在國內(nèi)外，由于技術資料缺乏，工程技術人員經(jīng)常需要進行探索和利用試錯法解決工程問題，往往需要很長的調(diào)試時間，對市場的需求變化響應緩慢，而且造成了嚴重的資源浪費，生產(chǎn)成本相應較高。因此冷彎成型工藝仍被普遍認為是一種“未掌握的藝術”，還未上升為科學。主要原因是冷彎成型本身所具有的特點和規(guī)律還未被人們完全掌握和認知。近年來，我國冶

15、金行業(yè)的廣大工程技術人員通過引進消化國外技術、與高校開展科學研究、設計以及生產(chǎn)等實踐活動，積累了豐富的經(jīng)驗。并且，越來越多的研究人員和機構(gòu)的涌入，使得冷彎成型技術得到了較大的發(fā)展。通過冷彎成型技術制造出來的冷彎型鋼，因其具有能源與材料消耗小、表面質(zhì)量好、尺寸精度高、相對剛度與強度大等優(yōu)點，已經(jīng)成為輕工、汽車、建筑和航空等領域廣泛使用的經(jīng)濟型材5。冷彎型鋼能得到較為廣泛的應用，主要是其具有如下特點6：1）、斷面形狀簡單的冷彎型鋼（角鋼、槽鋼等），整個斷面的壁厚是一樣的，它們用來制造構(gòu)件時，可以簡化裝配工序，并減少結(jié)構(gòu)安裝勞動力；2）、逐漸的連續(xù)變形方式，適合大規(guī)模生產(chǎn)；3）、高質(zhì)量的冷軋帶鋼，經(jīng)

16、過連續(xù)的輥彎成型，仍然可以保持其優(yōu)良的表面質(zhì)量和精確的尺寸；4）、不架次的冷彎型鋼機組和不同工藝參數(shù)的成型機組，為生產(chǎn)各種規(guī)格、各種斷面形狀的產(chǎn)品提供了技術保證；5）、輥彎成型可以同其他生產(chǎn)工序合并成一條多功能的連續(xù)作業(yè)線，這樣就可以大大提高勞動生產(chǎn)率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低輔助材料和電力消耗；6）、由于加工通常是在常溫下進行，故可以用各種涂鍍層的帶鋼進行加工，而且不至于破壞其表面的涂層和鍍層；7）、冷彎成型可生產(chǎn)出一般熱軋難以生產(chǎn)的復雜斷面、品種多樣的薄壁冷彎型材，從而在金屬消耗最少的情況下，獲得最大的強剛度；8）、在大規(guī)模生產(chǎn)方面，成型輥費用比沖模少，而使用壽命卻比沖模長得多。用一套裝配式組合

17、成型輥可生產(chǎn)多種規(guī)格的冷彎型鋼，而一套型鋼軋輥只能軋制一種規(guī)格的軋材；9）、用冷彎型鋼代替熱軋鋼一般可節(jié)約材料 25%50%，這對于橋梁、車體等笨重結(jié)構(gòu)是非常有利的，而且冷彎型鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)比起來，最主要的優(yōu)點在于它的不燃性、強度高、結(jié)構(gòu)重量輕，構(gòu)件適于大批量生產(chǎn)，空間利用率高，施工期限縮短；10）、冷彎型鋼的縱向長度不受臺面尺寸的限制，適于加工成型橫斷面形狀復雜而縱向尺寸很長的制件。1.2計算機有限元仿真簡介計算機仿真模擬是利用電子計算機對自然現(xiàn)象、物理過程、系統(tǒng)過程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律、社會經(jīng)濟以至人腦思維等客觀世界進行比較逼真的模仿7。在許多的工程設計問題中都

18、存在瞬態(tài)動力學問題，這些問題往往都涉及一些瞬態(tài)動力學過程。如果不采用分析方法，而完全使用實驗手段，存在研制周期長，經(jīng)費消耗多，成功率低等弊端。隨著計算機輔助工程（CAE）技術的發(fā)展，采用瞬態(tài)動力學分析的方法對這些工程設計問題所涉及的特定的瞬態(tài)動力學過程進行數(shù)值仿真，以此作為設計工作的輔助手段，則能極大的提高工作效率8。與實驗相比，計算機仿真具有以下優(yōu)越性9：1）所需周期短。計算機仿真與CAD/CAE相結(jié)合，使得影響新產(chǎn)品各種性能的參數(shù)在開發(fā)過程中就可以得到控制，減少了產(chǎn)品的開發(fā)研制周期。2）所需費用低廉。由于不需傳感器、高速攝像機等大量的實驗設備，同時也不用耗費實驗材料從而大大節(jié)約了人力和物力

19、。3）具有可重復性。由于實驗過程受很多因素的影響，因此在研究不同參數(shù)對研究問題的影響時，不易得到明確的結(jié)果，因而計算機仿真分析依賴于計算機硬件本身，所以當改變某一參數(shù)時，可以很容易得到該參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。4）可以獲得任意所需數(shù)據(jù)。而實驗中要獲得較多的數(shù)據(jù)，就必須增加傳感器和高速攝像機等測量儀器的數(shù)量，而且，由于傳感器的安裝位置要求以及不可攝像點的存在，有些數(shù)據(jù)是不可獲得的。而計算機仿真在數(shù)據(jù)獲得方面是不受限制的，只要在所關心的點上建立一個描述坐標即可。5）不受時間、空間、氣候等條件的限制，可以隨時進行。所以計算機仿真分析具有實驗所無法比擬的優(yōu)越性 。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀為了獲得輥彎成形規(guī)律

20、，提高工藝設計水平，國內(nèi)外許多學者對輥彎成形工藝進行了研究。在國外，對輥彎技術及其工藝已有100多年的研究歷史，并且取得了豐碩的成果。最初，對其成型過程的分析多基于試驗為基礎的經(jīng)驗知識，但隨著輥彎型鋼的應用日益廣泛、研究的不斷深入以及計算機等相關技術的迅猛發(fā)展，研究方法得到了很大的發(fā)展。很多學者在求解輥彎成型方面提出了復雜的算法，但是真正能精確模擬分析的非常少。目前輥彎成型的分析方法大致采用以下三種：簡化分析法，有限條法和有限元分析法10。在日本，鈴木弘、木內(nèi)學、中島聰、新谷賢等在冷彎成型的基礎上，分析了圓弧形、V型、臺面型等斷面型材進行3段串聯(lián)成型時所發(fā)生的變化、應變變化以及坯料與軋輥的接觸

21、應力分布、成型負荷與成型轉(zhuǎn)矩等結(jié)果；木內(nèi)學還在實驗研究的同時，用解析法對加工薄鋼板的三維變形形狀、變形運動軌跡與附加的應變成分的關系、導入形狀函數(shù)進行了分析，并開發(fā)了利用含參數(shù)的形狀函數(shù)近似地描述帶材在成型時空間軌跡和變形曲面, 求解應變應力的變形解析模型11。山梨大學的小野田義富等對加工寬幅材單波成型時單段成型和順序成型兩種方法所產(chǎn)生的縱向彎度、邊波、肋波等進行了調(diào)查，并采用彈塑性有限元法對直縫焊管、方矩形焊管、寬幅外卷邊帽型鋼輥彎成型模擬研究17。中町英治等用彈塑性有限元法解析了汽車保險杠加工全過程中的應變與應力集中等。在我國, 蔡松慶首次采用有限元法研究復雜的焊管成型過程；張必強和張全根

22、曾以材料力學方法研究焊管成型問題；以燕山大學劉才教授為首的課題組, 對輥彎成型過程分別使用樣條有限條法和彈塑性大變形三維有限元法進行深入系統(tǒng)的理論和實驗研究,取得許多重要的研究成果821-23。由此可見，現(xiàn)下國內(nèi)外的研究都集中在有限元分析方面，但是在知道實際生產(chǎn)方面的研究還比較少。2 輥彎成型工藝設計輥彎成型時,坯料帶材在常溫或者局部加熱的情況下，通過一系列水平輥和立輥的連續(xù)擠壓而得到一定斷面形狀的產(chǎn)品。在變形過程中,坯料帶材包含兩種變形：1）、橫向彎曲變形， 2）、縱向拉伸/壓縮變形，但是帶材的斷面厚度和面積在理論上是不變的。當帶材進入孔型時，其前端邊緣與下成形輥接觸后稍稍抬起，在帶材中產(chǎn)生

23、小的彈性應力。當帶材繼續(xù)前進至與上成形輥接觸后，冀緣開始彎曲，即開始發(fā)生變形，并且在成形輥軸平面之前形成變形區(qū)24。翼緣在開始變形之前是平直的，在受到縱向扭曲之后其斷面仍然是直的，這樣變形區(qū)內(nèi)的帶材就形成了復雜的直紋曲面形狀。帶材斷面形狀發(fā)生變化，逐漸接近于該機架成形輥孔型的形狀。在翼緣變形的同時形成彎曲部位，此處的金屬依次連續(xù)產(chǎn)生彈性變形和彈塑性變形，隨著翼緣總彎曲角的增大彎曲半徑減小，而彎曲部位切向正應力增大。隨著帶材的前進并通過成形輥，在成形輥軸平面之前形成的變形區(qū)長度不斷加大。冀緣的直紋曲面與上輥接觸后變成平面，這就是變形區(qū)發(fā)展的下一個階段。彎曲部位的變形最終將具有彈塑性變形的性質(zhì)。在

24、帶材通過成形輥軸平面之后，翼緣被完全整直，縱向扭曲被消除，而保留彎曲部位的變形。其后，成形軋輥軸平面之前的變形區(qū)長度保持不變。但是，由于變形區(qū)的內(nèi)力矩不等于成形輥作用于帶鋼上的外力矩。因此，在帶材通過成形輥軸平面之后，冀緣繼續(xù)彎曲，直到彎曲部位切向正應力的力矩等于外力矩為止。這時變形區(qū)I區(qū)的形成過程結(jié)束。當帶材繼續(xù)向前運行時，成形輥軸平面之后變形區(qū)長度繼續(xù)增大，而彎曲角開始縮小，否則在變形區(qū)內(nèi)彎曲部位的切向正應力矩會超過外力矩。變形區(qū)II區(qū)開始形成，此處的彎曲部位消除彈性荷載，帶材前端也產(chǎn)生彈性變形。在消除彈性載荷的過程中，內(nèi)應力重新分布；而在成形輥軸平面之后變形區(qū)某一長度上，彎曲角不再減小。

25、當帶材繼續(xù)向前運行時變形區(qū)的尺寸不再改變，整個變形區(qū)上的應力和應變分布也保持不變。此時材料在該機架整個變形結(jié)束。由此可見，由于軋輥孔型施加載荷使板料產(chǎn)生橫向扭轉(zhuǎn)和縱向拉伸/壓縮變形，使得輥彎成型過程成為一個很復雜的變形過程。為了方便驗證仿真效果，本文以某種實際存在使用的普通槽鋼為例，進行了計算和仿真，從而可以真正意義上掌握槽鋼成型過程的變性規(guī)律，對生產(chǎn)和設計具有指導作用。 2.1料板展開寬度計算制定合理的毛坯就是使輥彎毛坯尺寸最小，材料等級最低，這首先意味著能減小材料耗用量，提高輥彎成型的材料的利用率，降低所用材料的價格，從而使產(chǎn)品成本降低，提高經(jīng)濟效益。使用合理毛坯進行沖壓，材料各部分的變形

26、都貢獻給有用形狀的形成，無附加變形、未參與變形的附加余料牽制。在機床及模具的狀態(tài)、潤滑條件一定的情況下，材料變形吸收能量最少，變形的應力、應變狀態(tài)最佳，因而板料的成型性能可得到最大程度的發(fā)揮。2.1.1冷彎鋼板彎曲時中性層位置的確定5一般來說，認為帶材的中性層不發(fā)生彎折或變形。因此，毛坯料的寬度一般采用圖形分析法，在斷面的中性層上計算確定。對于比較復雜的斷面，可以適當放大比例，從而進行精確的計算。當板料彎曲變形較小時，中性層在板料中間，變形較大時，中性層逐漸向內(nèi)移動。通常當彎曲內(nèi)半徑 r 與板料厚度 t 之比小于 12，即 r/t12 時，就必須考慮中性層向內(nèi)的移動量。該移動量通常是借助實驗的

27、方法得到鋼板中性層位置系數(shù) k（見表 2.1）。設為彎曲半徑 r 的中心到中性層的距離，即中性層的彎曲半徑 = r + kt。表2.1鋼板中性層位置系數(shù)的確定5R/t0.40.450.5k0.230.290.320.350.360.37R/t0.81.01.32.03.04.0k0.400.410.430.450.460.472.1.2毛坯料寬計算525毛坯寬度的計算，也是基于中性層不發(fā)生彎折或變形的。計算時，將彎曲件分解為若干段，并在中性層面上計算各部分長度，并求出其總和。 圖2.1板材彎角處的展開尺寸為：L3=/180=(R+kt)/180 （2.1） 式中 L3-折彎處

28、展開長度（中性層弧長）； -折彎處的角度。如圖2.2所示，板材毛坯料的寬度為L=2L1+L2+2L3 （2.2）本文例中，=90,R=4,k=0.44,t=2.3 L3=/180=*90*(4+0.44*2.3) /180=7.87 L1=L1-t-R=30-2.3-4=23.7 L2=L2-2t-2R=60-2*2.3-2*4=47.4 L=2L1+L2+2L3=1112.2平緩過度長度的確定526為了確定成型金屬的受力狀態(tài)及產(chǎn)生帶材變形的邊界條件，在實際成型時利用了平緩過度段的計算圖，通過該圖可用解析法計算變形區(qū)的長度、臨界彎曲角及成型孔型內(nèi)金屬壓力分布。圖 2.3 所示為成型槽鋼時平緩過

29、度段的計算圖。從圖可以看出，坐標軸原點位于成型輥平面內(nèi)彎曲部位曲線段的相鄰直線部分的過渡點上。 圖（a） 圖（b）圖 2.2 槽鋼成型時平緩過度段的計算圖a第一個成型機架中；b第一個機架后的各機架中在制作隨后的道次圖時，使x和y軸旋轉(zhuǎn)一個等于上一機架中翼緣彎曲角的角度，以便使x軸同被彎曲翼緣的原始位置平行。這時，在第二道次中平緩過度段的后端具有從上一機架出來的帶鋼斷面形狀。同時，假定整個平緩過渡段L分成l1區(qū)和l2區(qū)，其中每個區(qū)又由許多相互垂直且處于應力平衡狀態(tài)的部分組成。平緩過渡段的長度可按下式求出：L=l1+l2=b+0.63(/360)2b2/s20.2 （2.3）式中 l1和l2平緩過

30、渡段區(qū)和第區(qū)的長度，毫米；每一道次的斷面彎角，度；b 斷面彎曲部分的寬度，毫米；s 所成型帶材的厚度，毫米。2.3成型制度的確定合理的成型制度對降低能耗具有至關重要的意義，而其中成型道次的確定則是冷彎成型設計中最重要也是最難得問題?，F(xiàn)今為止提出的成型道次的而確定方法都是基于簡單的V型斷面和槽型斷面的，對于復雜的斷面形狀，成型道次的確定比較復雜。2.3.1成型道次數(shù)的確定1圖2.3是根據(jù)某金屬制品公司的產(chǎn)品目錄整理出來的一些斷面型材，當制品彎曲角度約為90時，作為彎曲角度數(shù)1求得制品斷面角度數(shù)n,與此制品成型時使用的成型道次數(shù)N的關系。 圖2.3 各種輥式彎曲截面型材的成型道次與彎角數(shù)的關系如圖

31、所示，兩者的關系雖然分散在較寬范圍，但宏觀來看也可以說成比例關系。并且冷彎成型的成型道次數(shù)由斷面的對稱、非對稱性，板厚以及斷面彎曲角度數(shù)等決定。再者，圖中縱軸所示成型道次數(shù)是水平軋輥與立輥數(shù)值之和。成型道次數(shù)還包括為提高制品精度所用的軋輥。圖中雖未表示，但不銹鋼鋼板、鋁板制品與普通鋼板相比需要更多的成型道次數(shù)，這是為了避免表面擦痕或減少回彈，所以材質(zhì)也與成型道次數(shù)有關。圖2.4是對對稱面中除去寬幅斷面后所示成型道次數(shù)N與形狀因子函數(shù)的關系。形狀因子函數(shù)是斷面總彎曲角n、板厚t、及右立邊長度之和F之積Fnt定義的斷面形狀表示值。形狀因子函數(shù)不包括底部腹板寬，這是由于考慮到底部腹板只送斷面型材，不

32、參與彎曲。如圖所示，雖然數(shù)據(jù)很分散，但可以說成型道次數(shù)N與形狀因子函數(shù)Fnt有關。如圖，對稱斷面型材分為C型與帽型兩類，可以分別用各自的曲線表示形狀因子函數(shù)Fnt與成型道次數(shù)N的關系。圖2.4 對稱斷面的形狀因子與成型道次2.3.2彎曲角度的確定輥彎成型彎曲角度的分配與輥彎成型道次數(shù)的確定同樣重要，因此，許多研究者進行了彎曲角度的分配公式推導。輥彎成型的彎曲角度分配計算，如圖2.5所示，假設立邊端部水平面投影軌跡用三次曲線表示時，板材彎曲角度分配是最佳的。圖2.5軋輥彎曲角分配計算以圖示槽型斷面為例，假設全成型道次數(shù)N，立邊最終彎曲角度o,立邊長度H，第i道次立邊彎曲角度為i,三次曲線的表達式

33、與邊界條件為式（2.4）（2.6）。并且各機架間距相等。Y=A3+B2+C+D （2.4）在=0 及 =N 處 dy/dx=0 (2.5)在=0 處 y=H， 在 =N 處 y=Hcos0在=I 處 yi=Hcosi (2.6)由此可知第i次輥式成型彎曲角度i為 cosi=1+(1- cos0)2(i/N)3-3(i/N)2 (2.7)這樣就可以將各成型道次從1N的變形角由上式中的總變形道次數(shù)N確定出來。取i=1,2,3,n代入公式（2.7），可得到各道次的輥彎成型彎曲角度。為了調(diào)整軋輥角度分配，將變動指數(shù)代入公式（3.7） cosi=1+(1- cos0)2(i/N)3+-3(i/N)2+

34、（2.8） 若賦予正值，則成型前段部分彎曲角度增量小，即變?yōu)檩^細彎曲角度分配，但后段部分變?yōu)檩^粗的彎曲角度分配。若賦予負值則剛好相反。若機架間距為不等間距，可將上述變動指數(shù)的值直接代入，以考慮間距的影響。2.3.3彎曲半徑的確定27中間各道次斷面彎曲半徑是確定成型制度的另一個重要參數(shù)。若工件成型時的彎曲半徑和彎曲處弧中心距不變，則彎曲段開始部分位于成品型鋼圓角的開始處，接近工件中央，而且彎曲順序是從中央到兩邊。若工件成型時的彎曲半徑是不變的或變化的，而彎曲處弧中心距是變化的，則彎曲段開始部分位于型鋼邊緣附近且彎曲順序是從兩邊到中央。在這種情況下，彎曲半徑中心距減小，各道次的彎曲半徑可按下式求出

35、：R=180bn/()-kt (2.9)式中: bn成品型鋼彎曲處弧長，毫米；規(guī)定道次中的彎曲角；t工件厚度，毫米；k 系數(shù)，它與相對彎曲半徑有關。若成型時的彎曲半徑不變，可按下式求出各道次中彎曲部位弧的中心距(圖2.6):Cn=Ck+1(90-n1)+2(90-n2)/180 (2.10)式中 Cn第n個道次中彎曲部位弧的中心距；Ck成品型鋼彎曲部位弧的中心距；2和1彎曲部位變形中性層的彎曲半徑；n1和n2規(guī)定道次中的彎曲角。圖 2.6 弧中心距的確定示意圖若成型時的彎曲半徑不變，則所獲得的成品冷彎型鋼集合尺寸的精度較高，而成型力較大。若成型時采用變化的彎曲半徑，則作用于成型輥上負荷減少，使

36、成品冷彎型鋼幾何尺寸的精度稍有降低。若成型時成型工具的彎曲半徑不變，則壁厚超過 1.5 毫米的冷彎型鋼采用的彎曲半徑比技術條件規(guī)定的值小 1 毫米。為使型鋼彎曲部位彎曲半徑達到最小的允許值，成型輥不按計算值的要求加工出圓角，而僅僅稍微磨鈍各棱角即可。2.4軋輥驅(qū)動直徑的確定 軋輥驅(qū)動直徑是指材料的輸送速度V(m/min)和軋輥圓周速度（m/min）相一致的軋輥直徑D（mm）上的點，關系如式（2.11）所示。這作為計算軋輥各部分外徑時的基準值使用，另外，在確定軋輥驅(qū)動直徑時必須考慮成型機的說明書、前后裝置等。 V=DN （2.11） 式中 N軋輥轉(zhuǎn)速，r/min。軋輥驅(qū)動直徑每道次設置不同，通常

37、從首道次到末道次逐漸增大。這樣做是為了通過增大軋輥驅(qū)動直徑來提高軋輥的圓周速度，以便成型中的材料具有張力。一般來說，對于軋輥驅(qū)動直徑的增加量，鋼板取0.5mm。如果是鋁合金、銅板之類的易拉伸材料，或者在斷面剛性低的斷面材料成型的情況下，各道次的軋輥驅(qū)動直徑比第一道次的直徑漸次增加約1%。軋輥驅(qū)動直徑在孔型基準線的位置，根據(jù)斷面的不同而異。一般說來，選在受力最大的彎角的斷面位置。在導向片的封閉孔形成性中，下輥在管子的底部；上輥分別選取導向片輥和板端的交點處。2.5孔型及成型輥設計29對于小尺寸的型材，成型輥應盡可能貼近帶坯,但過分接觸也會造成擦傷。對每一成型輥不僅要從個體上而且應從整個變形過程來

38、決定成型輥與帶坯在何處接觸、何處增大壓力和尺寸、何處減小成型輥輥徑,以使材料自由進入下一道次。一般生產(chǎn)尺寸精度較高的產(chǎn)品時，除采用平輥外，還采用中間立輥及必要的導衛(wèi)裝置。一般生產(chǎn)槽鋼的平輥孔型分為3 類：開始幾道由于斷面橫向剛度小，容易發(fā)生彎折點偏移現(xiàn)象（總彎曲角30以下），所以常采用閉式孔；中間道次一般都是從3085范圍，可以采用開式孔；最后幾道為保證斷面形狀及尺寸精度要求，多采用精扎孔。3 輥彎成型過程的有限元仿真 冷彎成型過程是一個比較復雜的成型過程，涉及到幾何學、運動學、動力學等很多方面，其變形不只是單一的某一方向的變形，還伴有各種附加的變形（如縱向的彎曲變形、縱向橫向的伸縮變形等）。

39、在采用數(shù)值方法進行研究時會有很多困難，如：成型過程的帶鋼是三維變形曲面；帶鋼發(fā)生的多種變形是一個幾何非線性、材料非線性以及接觸邊界非線性三種非線性的耦合問題；板坯是上下軋輥和帶材三個物體的接觸問題，邊界復雜。隨著人們對冷彎成型工藝認識的不斷深化，計算機以及有限元技術的成熟，采用有限單元法分析技術（FEA）進行仿真得到越來越廣泛的重視。有限單元分析（FEA）技術是力學與計算機技術結(jié)合的產(chǎn)物，隨著計算機技術的發(fā)展，在工程中得到越來越廣泛的使用。有限元方法的特點是把整個連續(xù)的物體看做是由若干個簡單的有限個單元組成的集合體，通過對各個單元的特性的分析，以及考慮每個單元在整體結(jié)構(gòu)中相互聯(lián)系的特征，將離散

40、化模型的數(shù)學表達式變?yōu)榫仃嚧鷶?shù)方程式，用數(shù)值方法求解這些代數(shù)方程，從而計算出物體上各處的應力和位移。有限元分析的基本步驟如下28：l 建立求解域并將其離散化為有限單元，即將連續(xù)體問題分解成節(jié)點和單元等個體問題；l 假設代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)；l 建立單元方程；l 構(gòu)造單元整體剛度矩陣；l 施加邊界條件、初始條件和載荷；l 求解線性或非線性微分方程組，得到節(jié)點求解結(jié)果，例如得到不同節(jié)點的位移量、應力應變量或熱力學問題中的溫度量等；l 得到其他重要信息。 目前有限元法在冷彎成型中越來越受到重視，根據(jù)本構(gòu)力一程的不同，有限元法可分為三種類型分別為:粘彈性有限元法、剛

41、塑性有限元法、彈塑性有限元法。其中彈塑性有限元是分析板材類金屬彈塑性加載與彈性卸載問題較為完善的力一法，由于冷彎成型屬于彈塑性大變形過程，在成型過程中必須同時考慮兒何非線性和材料非線性，要想獲得精確結(jié)果，必須考慮三維流動。在研究金屬成型這一領域中，同時存在兩種研究力一向，一種是利用商業(yè)有限元軟件結(jié)合GAD軟件來進行理論研究和成型工具設計;另一種是致力于獨立開發(fā)專用冷彎成型領域的有限元軟件。 有限元分析的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，

42、從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而日_能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在兒個肚紀前就已產(chǎn)生并得到了應用，例如用多邊形(有限個直線單元)逼近圓來求得圓的周長，但作為一種力一法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似力一法，應用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其力一便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及，有限元力一法迅速從結(jié)構(gòu)

43、工程強度分析計算擴展到兒乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并日_實用高效的數(shù)值分析力一法。3. 1 FEA理論的應用方式有限元法用于冷彎成型問題的方式主要有兩種：一種是側(cè)重于基礎理論的原始研發(fā)，一種是在成熟的有限元分析軟件基礎上的二度開發(fā)和應用。原始一度研發(fā)的例子包括：日本學者小野田等人采用剛塑性有限元法對電焊管進行研究，解決了W彎曲法中管坯邊部的減薄或增厚現(xiàn)象。木內(nèi)學等人開發(fā)了用于焊管以及異型管分析的專用軟件，用于FFX成型等研究。法國的M.Brunent等人利用彈塑性有限元法分析了板料的冷彎成型，用二維的有限元法對橫截面進行了分析，再用三維的有限元法對兩個或四個連續(xù)斷面間的板

44、帶進行分析，并開發(fā)了有限元軟件PROFIL來分析完整的材料應變歷史，而且具有優(yōu)化軋輥斷面設計的功能。我國燕山大學等單位以有限元在輥彎成型領域的研究為題，完成了一批博士碩士論文的研究工作。一度開展需要冷彎成型相關理論的深入研究并積累了大量的技術資料。現(xiàn)在雖然有一部分軋輥設計軟件已具有仿真功能，但由于模型過于簡化等原因，與實際結(jié)果之間尚有一定差距。目前成熟的商業(yè)化有限元軟件很多，在這樣的基礎上開展輥彎成型有限元仿真研究有利于獲得實際應用成果，解決工程問題。對于企業(yè)的工程技術人員，他們更關注的是如何能解決實際問題。一般說來，他們對有限元的深奧理論和復雜的前后處理、邊界條件的設定等問題感到困惑。因此許

45、多公司的冷彎成型設計軟件中都增加了有限元仿真模塊，可以進行二度開發(fā)，用戶能方便地進行前后處理和自動完成設計數(shù)據(jù)的建模，降低了使用的難度，具有一定的通用性。3. 2 有限變形基本理論293.2.1變形過程的物質(zhì)描述和空間描述從變形的角度來說，物體的變形過程是從一種圖形狀態(tài)變換到另一種圖形狀態(tài)的過程。由于物體是由質(zhì)點組成的，故物體的形態(tài)可用質(zhì)點間的相互位置來表征，而質(zhì)點的位置則又可以由質(zhì)點在坐標系中的坐標來表示。設質(zhì)點a在零時刻(初始圖態(tài))的位置坐標ai(i= 1,2,3) ，此后，在t時刻(變形圖態(tài))該質(zhì)點經(jīng)變形后到達位置xi(i=1,2,3) 則它是坐標 a 和時間 t 的函數(shù)，即xi =xi

46、(a1,a2,a3,t) 對于物體中質(zhì)點的運動，可以有兩種方式描述。一種是以ai(i= 1,2,3)和 t 作為單獨變量來描述，則這種方式被稱為物質(zhì)描述又可被稱拉格朗日描述。其中 ai (i=1,2,3)和t通常稱為拉格朗日參數(shù)。另一種是以xi (i=1,2,3)和t作為單獨變量來描述，此時稱其為空間描述，同時又可稱為歐拉描述。其中xi (i=1,2,3)和t通常稱為歐拉參數(shù)。通常采用物質(zhì)描述適于求解固體力學方面的問題。根據(jù)參考系的不同，拉格朗日有限元法又分為全拉格朗日有限元法(簡稱 T. L 法)和修正拉格朗日有限元法(簡稱 U. L 法) 。全拉格朗日有限元法是以初始構(gòu)形為參考構(gòu)形，其增量

47、線性應變包括總位移效應，應變位移矩陣的構(gòu)造都比較復雜。修正拉格朗日有限元法是以前一個相鄰構(gòu)形為參考構(gòu)形，在實際求解過程中，使用到的是不斷變化的參考構(gòu)形。本文采用修正拉格朗日方法描述。有限變形的基本概念為：構(gòu)形 在變形過程中，變形物體所占有的空間位置叫構(gòu)形。在 U.L 法中,當變形體(工件)在增量步開始時的構(gòu)形稱為初始構(gòu)形。在分析中以此構(gòu)形內(nèi)的狀態(tài)變量為參考量。故也稱為參考構(gòu)形(在 U.L 法中初始構(gòu)形和參考構(gòu)形可以是不同的構(gòu)形) 。在增量步結(jié)束時的構(gòu)形稱為當前構(gòu)形。兩個構(gòu)形質(zhì)點位置都可以用直角笛卡爾坐標來描述。4 槽鋼輥彎成型的計算機仿真4.1有限元軟件ANSYS/LS_DYNA簡介ANSYS

48、軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用化有限元商業(yè)分析軟件，其代碼長度超過10000行，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、電子、造船、汽車交通、國防軍工、土木工程、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究，是目前主要的FEA程序。該軟件可運行于PC機、NT工作站、UNIX工作站以及巨型計算機等各類計算機以及操作系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。它具有多物理場耦合的功能，允許在同一模型上進行多種耦合計算，同時在PC機上生成的模型可運行于工作站及巨型計算機上，所有這一切保證了ANSYS用戶對多領域多變工程問題的求解。此外，

49、ANSYS軟件還能與大多數(shù)CAD軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中高級的CAD/CAE軟件之一。利用其數(shù)據(jù)接口，可以精確地將在CAD系統(tǒng)下生成的幾何數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸NSYS，并通過必要的修補準確地在該模型上劃分網(wǎng)格并進行求解，這樣就可以節(jié)省用戶在創(chuàng)建模型的過程中所花費的大量時間，使用戶的工作效率大幅度提高。ANSYS程序主要包括前處理模塊、求解模塊和后處理模塊三部分。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；求解模塊包括結(jié)構(gòu)分析（結(jié)構(gòu)線性分析、結(jié)構(gòu)非線性分析和結(jié)構(gòu)高度非線性分析）、熱分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分

50、析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS程序提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。ANSYS進行顯示動力分析時使用ANSYS模塊，該模塊是ANSYS公司與LSTC公司相互合作，優(yōu)勢互補的產(chǎn)品。該程序?qū)NSYS前后處理器和LS_DYNA求解器相連接，由于ANSYS程序在有限元模型的建立及結(jié)果處理上優(yōu)勢明顯，而LS_DYNA程序中的顯式算法能快速求解短時間、大變形、動態(tài)問題和復雜的多沖非線性接觸問題，兩者的完美結(jié)合很大程度上彌補了ANSYS在非線性領域的不足，同時大大加強