高强度钢厚板冷弯成型及回弹分析

作者:吴义江;赵耀 刊名:中国造船 上传者:邓克平

【摘要】高强度钢厚板冷弯成型中的回弹是关注的焦点。通过数值仿真方法对回弹的影响参数进行了分析。首先对两个实例进行数值模拟并与试验结果相比较,分别对接触算法和回弹算法的有效性和适用性进行了验证。然后,用该数值仿真方法分析冷弯成型中凸模下压量、板材的厚度、模具边缘与钢板之间的摩擦系数、钢板的厚向异性系数、凸模的半径、成型的加载历程、钢板的材料性质对板材成型回弹的影响。对钢板的应力及应变分布进行了分析,对应力及应变分布与回弹之间的关系进行了总结。结果表明,模具下压量、板厚、材料性质和上模具半径对成型结果影响较大,而摩擦系数、厚向异性系数、加载对成型影响较小。钢板中心区域的应力对板的回弹影响较大,当中心应力水平降低时,板的回弹量相应减小。

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0引言随着船舶向大型化、轻型化、低能耗方向发展,高强度钢在船舶上的应用越来越广泛。船用钢板的尺寸较大、加工工艺复杂,其成型规律不易总结[1]。由于屈服极限的提高,应用传统工艺成型高强度钢板时回弹现象显著。准确预测回弹高强度钢的回弹成为人们关注的焦点[2]。Huang[3]等通过试验与有限元计算结合的方法,研究了V形模具成型中冲压载荷与板宽板厚的关系,验证了其使用的仿真方法。Chan[4]用有限元计算分别对V形弯曲成型中V形区域和模具口区域的回弹特性进行了研究,得到回弹与压头半径、压头夹角、模具口半径等相关的结论。石磊[5]等采用U形件回弹模型,针对600MPa级别的高强度钢进行了回弹试验研究。他的研究表明,不同工艺参数、不同材料性能参数对弯曲回弹呈单调的影响规律。目前大部分研究是针对汽车、航空航天上使用的薄板进行的,对船舶使用的厚板研究还较少[6-8]。厚板成型时的回弹是自动化成型的一大障碍,严重影响了船舶生产制造的效率。本文的研究对象是船厂广泛使用的单曲率冷弯成型,成型装备由单曲率长条状凸模和单曲率长条状凹模组成。其成型方式是将钢板放置在凸模与凹模之间,然后凸模下压使钢板弯曲,局部产生塑性变形。随着下压量的增大,弯曲程度逐渐增大,直至达到目标形状。在整个成型过程中涉及到弹塑性大变形、模具与钢板之间的接触、卸载后的回弹等强非线性问题,理论分析困难。本文使用数值反、正计算方法来研究成型的相关问题,对高强度钢厚板在冷弯成型时的回弹与应力、应变分布的特性展开研究。首先利用已有的试验结果对仿真方法的有效性进行了验证,然后根据某高强度钢板材选择了3种板厚进行成型数值仿真计算,对板材冷弯成型过程中的影响因素进行了分析。1成型仿真方法验证在冷弯成型过程中钢板必然要发生弹塑性大变形。随着弯曲程度增大,钢板与模具间的接触也在不断的改变。卸载时弹性变形的回复使板的弯曲程度在一定程度上有所减小,即回弹。对回弹的描述分为两种:回弹量,即板上各点回弹后挠度减去回弹前挠度的差值;回弹比,即板上各点回弹后的曲率与回弹前的曲率之比。本文对仿真方法的有效性采用了两个算例进行验证。将数值计算结果与Huang的试验[3]和本研究中进行的试验结果进行对比。Huang的试验和本研究中进行的试验模型示意图分别如图1和图2所示。数值仿真分析中需要用到的参数和变量列于表1。图1Huang试验模型图2本研究试验模型表1使用的变量变量说明变量说明Wn/mm凸模下压量,n表示下压位移量。yr垂直钢板轧制方向的厚向异性系数Rup/mm凸模半径?模具与钢板接触的摩擦系数Rdown/mm凹模半径E/MPa杨氏模量Wup/mm上模宽度E/MPa双线性模型塑性阶段的斜率Wdown/mm下模宽度y屈服应力r/mm凹模倒圆弧半径泊松比xr钢板轧制方向的厚向异性系数1.1接触仿真方法验证在有限元计算中定义接触对及接触属性。两对接触分别是凸模与板上表面及凹模与板下表面的接触。定义模具表面为主面,钢板表面为从面。在接触属性中分别定义了接触时的法向属性为硬接触,切向属性为罚函数摩擦。WdownWdownWupWupRupRupRdown在Huang的V形模具成型试验中分析了模具下压量与冲压载荷之间关系。本文取其一个模型利用有限元进行建模仿真。计算模型如图3所示。上下模具采用的是离散刚体单元,板材选用的为壳单元,在模具接触区对网格进行了细化。由于下压增大时钢板接触区域会逐渐扩大,全板的网格尺度大小取0.5mm。成型板的相关尺寸及材料属性如表2所示,其模具相关尺寸参数见表3。图3Huang的试验仿真计算模型表2Huang试验

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