胡盛德，張雪峰，劉 勇，馬 力，鄭劍峰，王 絹，汪雯婕

（武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430081）

冷彎矩形管由于其自重輕、截面經(jīng)濟(jì)、精度高、表面光潔和環(huán)保被廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)件和漿體運(yùn)輸領(lǐng)域［1－2］，然而冷彎矩形管主要成型過(guò)程所存在的復(fù)雜性，使得其仍是一門(mén)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工程技術(shù)。業(yè)內(nèi)不少學(xué)者采用有限元法模擬冷彎成型過(guò)程，探討模擬計(jì)算參數(shù)對(duì)冷彎成型計(jì)算結(jié)果的影響，這些研究成果雖為冷彎成型過(guò)程的定性分析起到很好的作用［3－6］，但因缺少現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及材料模型和成型過(guò)程型鋼性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使得模擬成型與實(shí)驗(yàn)成型存在相當(dāng)差距。

為此，本文基于ANSYS－APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以現(xiàn)場(chǎng)冷彎母材拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立本構(gòu)模型，對(duì)冷彎矩形管主要成型過(guò)程進(jìn)行FEM模擬，以期為冷彎矩形管成型過(guò)程的工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)對(duì)象與模擬流程

本文模擬軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)象為某型鋼廠15道次厚壁矩形管冷彎成型過(guò)程，其中性面輥花工藝如圖1所示。由圖1可看出，冷彎成型過(guò)程模擬分為5個(gè)部分：第1部分為1～4道次，即板帶平整和兩頂角發(fā)生的主要彎曲變形；第2部分為5～8道次，即兩底角發(fā)生的主要彎曲變形；第3部分為9～11道次，即頂?shù)捉峭瑫r(shí)發(fā)生的剩余微小變形；第4部分為擠壓高頻焊接；第5部分為12～15道次，即焊管形狀的精整。

冷彎成型過(guò)程模擬流程如圖2所示。計(jì)算過(guò)程按照上述5個(gè)部分進(jìn)行。

圖1 矩形焊管冷彎輥花工藝Fig.1 Cold－forming process of a rectangular steel tube

圖2 冷彎成型仿真流程Fig.2 Simulating process of cold－rolled forming

2 模型描述

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系模型

冷彎板帶材料本構(gòu)關(guān)系模型直接關(guān)系到模擬結(jié)果的正確與否。以某熱軋Q345鋼帶為原料，沿寬度方向取樣，經(jīng)拉伸實(shí)驗(yàn)后繪制成實(shí)驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線，再編制程序擬合雙線性硬化模型。當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與雙線性模型對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)流動(dòng)應(yīng)力差的平方和最小時(shí)，認(rèn)為獲得最佳模型，F(xiàn)EM模擬時(shí)取若干試樣雙線性模型參數(shù)的平均值。圖3為母材試樣實(shí)驗(yàn)雙線性模型的擬合結(jié)果。

圖3 母材試樣實(shí)驗(yàn)雙線性模型擬合曲線Fig.3 Bilinear model fitting curves of parent metal

2.2 幾何模型與FEM模型

輸入材料屬性和幾何參數(shù)，包括母材雙線性屈服強(qiáng)度、彈性模量、切線模量以及板料長(zhǎng)度、寬度和厚度等參數(shù)，加上上述5個(gè)部分的不同成型參數(shù)，包括機(jī)架間距、輥徑、道次彎曲角、彎曲半徑和道次接觸等，建立幾何模型。為了節(jié)省空間和提高計(jì)算速度，考慮板料和軋輥的對(duì)稱性，取其1／2進(jìn)行建模計(jì)算，圖4為冷彎變形2～8道次的幾何模型。

圖4 冷彎主要變形道次的幾何模型Fig.4 Geometric model of main deformation in cold forming

對(duì)板料和軋輥均采用薄殼四節(jié)點(diǎn)四邊形單元SHELL163進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，得到FEM模型。將沿殼厚方向積分點(diǎn)參數(shù)NIP設(shè)置為5，母材本構(gòu)關(guān)系為雙線性硬化模型（BKIN）。將軋輥定義為剛性體，每個(gè)軋輥由一個(gè)PART控制，軋輥數(shù)量由輸入的軋制道次和軋輥類型通過(guò)循環(huán)程序控制。板料與軋輥之間采用庫(kù)侖摩擦模型，其靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)分別取0.2和0.1。冷彎成型的第2、4、7道次軋輥FEM模型如圖5所示。

圖5 軋輥FEM模型Fig.5 FEM modeling for rollers

3 模擬結(jié)果與討論

模擬冷彎產(chǎn)品為200 mm×300 mm×9.2 mm高頻感應(yīng)矩形焊管，結(jié)果表明成型第1道次的板帶切邊平整，沒(méi)有引起帶鋼的塑性變形［7］，故本文不作模擬。研究還表明，頂角經(jīng)過(guò)第2～4道次冷彎，其強(qiáng)度達(dá)到擠壓焊接前該位置最高強(qiáng)度的96%；底角經(jīng)過(guò)第5～8道次冷彎，其強(qiáng)度達(dá)到擠壓焊接前該位置最高強(qiáng)度的91%，主要冷彎變形在前8道次發(fā)生［7］。因此，本文利用開(kāi)發(fā)的程序，對(duì)冷彎第2～8道次進(jìn)行模擬。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果，根據(jù)輥花工藝和模擬計(jì)算參數(shù)編制程序，在冷彎成型模擬完成后，提取歷經(jīng)每個(gè)道次后彎角部位各節(jié)點(diǎn)的最大等效應(yīng)力。將本文彎角部分節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力模擬平均值與文獻(xiàn)［7］中所測(cè)量的彎角試樣屈服應(yīng)力進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖6所示。由圖6可看出，模擬等效應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)值相吻合，最大相對(duì)誤差小于9%。

圖6 彎角等效應(yīng)力模擬與實(shí)驗(yàn)值比較Fig.6 Comparison between simulated effective stresses and measured values in corner portion

圖7 第2道次變形等效應(yīng)力云圖Fig.7 Effective stress field in Pass 2

圖8 各道次變形等效應(yīng)力云圖Fig.8 Effective stress field in different passes

圖7～圖8為模擬各道次的等效應(yīng)力云圖。由圖7可看出，第2道次剛咬入時(shí)，彎角變形區(qū)附近等效應(yīng)力最大，高頻焊對(duì)面的中央平板局部以及帶鋼邊部等效應(yīng)力次之，彎角部位發(fā)生了明顯的塑性變形，中心局部區(qū)域發(fā)生了小量塑性變形，其他部位仍處于彈性變形階段。第2道次穩(wěn)定冷彎階段，邊部高應(yīng)力區(qū)范圍擴(kuò)大，鋼帶邊部不少區(qū)域進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。由圖8可看出，其他道次的等效應(yīng)力分布變化規(guī)律類似于第2道次，但隨著應(yīng)變程度的增加，邊部和彎角部位高應(yīng)力區(qū)域和塑性變形區(qū)域的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，帶鋼頭部出離輥道后的不規(guī)則回彈清晰可見(jiàn)。

表1為2～8道次冷彎后彎角部位節(jié)點(diǎn)塑性等效應(yīng)變平均值。由表1可看出，冷彎成型第2～4道次彎角部位總的等效塑性應(yīng)變值為0.36。道次等效塑性變形主要在第3、4兩個(gè)道次完成，共計(jì)0.302，占第2～4道次全部應(yīng)變的83.88%，其中第4道次等效塑性應(yīng)變?cè)黾恿孔畲?，?4.44%。第5～8道次等效塑性應(yīng)變的變化規(guī)律類似于第2～4道次，第8道次等效塑性應(yīng)變?cè)隽孔畲?。輥花參?shù)符合道次參數(shù)分配的一般規(guī)律：在變形角選擇上，開(kāi)始道次選取稍小，中間道次要盡可能大，后面道次則越小越好。但計(jì)算表明，此工藝參數(shù)值不是最好，因?yàn)榈?、8道次等效塑性應(yīng)變?cè)黾恿窟^(guò)大，而第3、6、7道次等效塑性應(yīng)變相對(duì)較小。為達(dá)到軋輥磨損均勻，減少換輥時(shí)間，又能生產(chǎn)較好的板形，避免出現(xiàn)翹曲褶皺等缺陷，應(yīng)盡量保證板料在中間各個(gè)道次等效塑性應(yīng)變要大，但應(yīng)變?cè)隽肯嗖畈灰^(guò)大。由此可看出，適當(dāng)?shù)卦黾拥?、6、7道次的變形角，可使鋼管變形和軋機(jī)負(fù)荷達(dá)到更加均勻。

表1 彎角道次等效應(yīng)變平均值Table 1 Mean effective strains in the corner portion

4 結(jié)語(yǔ)

基于冷彎成型過(guò)程的實(shí)驗(yàn)，在建立連續(xù)輥彎成型模擬軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用ANSYS－APDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了冷彎成型過(guò)程FEM模擬程序，對(duì)冷彎主要變形道次進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，模擬軟件可用于輥花設(shè)計(jì)與冷彎工藝優(yōu)化。

［1］ Q V Buia，J P Ponthot.Numerical simulation of cold roll－forming processes［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，202（1）：275－282.

［2］ A Alsamhan，P Hartely，I Pillinger.The computer simulation of cold－roll－forming using FE methods and applied real time re－meshing techniques［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，142（1）：102－111.

［3］ C D Moen，T Igusaa，B W Schafer.Prediction of residual stresses and strains in cold－formed steel members［J］.Thin－Walled Structures，2008，46（1）：1 274－1 289.

［4］ 胡斯堯，李立新，彭娟.基于BP網(wǎng)絡(luò)的冷彎型鋼軋后回彈預(yù)報(bào)模型［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，29（5）：446－448.

［5］ 曾國(guó)，來(lái)新民，于忠奇，等.多道次輥彎成形數(shù)值模擬技術(shù)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41（10）：1 598－1 602.

［6］ 胡盛德，羅惟，陳楠，等.連續(xù)輥彎成形過(guò)程模擬研究［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（5）：468－470.

［7］ 胡盛德，李立新，周家林.冷彎厚壁矩形型鋼管冷彎效應(yīng)［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32（6）：76－81.