李福濤，葛位維，張召春，李 瑋

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

L形管件彎曲成形有限元分析

李福濤，葛位維，張召春，李 瑋

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

采用有限元軟件Deform－3D建立了L形管件三維有限元模型，并對其彎曲過程運動仿真。模擬分析了管件的等效應(yīng)力、金屬流動速度、材料損傷分布以及模具間隙和芯棒對彎管質(zhì)量的影響。對成形缺陷進行了分析，通過優(yōu)化得到滿足要求的彎曲管件。

機械制造；彎管；Deform－3D；有限元模擬

0 前言

管材彎曲成形是管材塑性加工技術(shù)的重要組成部分。用管材制造的彎曲零件，具有重量輕、吸震力強、介質(zhì)流通量大等一系列優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天等產(chǎn)業(yè)中，同時也對管材彎曲技術(shù)和質(zhì)量提出了更高的要求[1][2]。由于管材的空心特點，管材在彎曲成形過程中容易出現(xiàn)失穩(wěn)起皺、截面畸變以及拉裂等缺陷。

管材彎曲過程是一個受工藝參數(shù)和材料性能等諸多因素交互作用的復(fù)雜成形過程。目前的管材彎曲成形理論,還不能很好解決生產(chǎn)中各種成形缺陷[3]。而試驗研究則需開發(fā)模具并反復(fù)調(diào)試，試驗周期長，成本高。采用有限元模擬技術(shù)可深入了解矩形管的彎曲成形機理，對失穩(wěn)起皺等成形缺陷進行預(yù)測，掌握材料、成形工藝等參數(shù)對彎曲管件成形過程中失穩(wěn)起皺的影響規(guī)律。通過對L形管件彎曲成形過程的有限元模擬，為模具設(shè)計及生產(chǎn)調(diào)試提供指導(dǎo)。剛性體。其原理如圖1所示，在模具的作用下，管材彎曲模轉(zhuǎn)動逐漸彎曲成形。圖2所示為彎曲成形的有限元模型。

模擬中對網(wǎng)格采用局部細(xì)化的方法，網(wǎng)格總數(shù)為12萬個。其他條件設(shè)置如下：初始溫度20℃，材料模型Q235鋼，彎曲模轉(zhuǎn)速0.1rad/s，彎曲角度90°，管件和彎曲模、芯棒、夾緊模等主要部件的摩擦系數(shù)分別為0.1、0.1、0.6。在軟件中設(shè)置運行的步數(shù)為160步。

1 有限元模型的建立

本次彎曲成形模擬中所選用的彎管零件材料Q235鋼，壁厚3mm，彎曲模半徑160mm。由于管材厚度較大，有異于其他薄板成形，故采用有限元軟件Deform－3D來進行模擬。在三維軟件Pro/E中建立管材和彎曲模具的幾何模型，然后導(dǎo)入到Deform－3D中。在模擬中，將彎管設(shè)置為塑性體，其他部分為

2 彎曲過程的模擬及分析

2.1 模具間隙對彎管質(zhì)量的影響

彎曲過程中，管件和芯棒、壓力模、防皺塊之間都存在著間隙。芯棒套在管材中，在彎曲過程中決定著管件的質(zhì)量好壞[4～6]。因此，解決管件和芯棒的間隙大小，是一個重要因素。試驗中，對芯棒和管材的間隙分別取0.1mm、0.3mm、0.5mm，分析間隙對質(zhì)量的影響，如圖3所示。由圖3（a）可見，當(dāng)間隙值過小，彎曲比較困難，無法形成一個光滑的圓弧。圖3（b）間隙大小合適，表面質(zhì)量較好。圖3（c）由于間隙過大，芯棒很難在彎曲過程中發(fā)揮防止管材產(chǎn)生折皺的作用，導(dǎo)致彎曲中發(fā)生明顯的塌陷、折皺和局部破裂現(xiàn)象?？梢?，當(dāng)模具間隙設(shè)置不合理的時候，會導(dǎo)致較嚴(yán)重的缺陷。

圖3 間隙對彎管質(zhì)量的影響

2.2 芯棒位置對成形質(zhì)量的影響

在彎管工藝中，尤其是異型管的小弧彎管，芯棒的作用至關(guān)重要。彎角外側(cè)材料發(fā)生伸長變形,彎角內(nèi)側(cè)材料發(fā)生壓縮變形,整個彎曲截面都會發(fā)生形狀畸變。不加芯棒時，管腔得不到有力支撐容易出現(xiàn)管件內(nèi)陷現(xiàn)象，在型管的彎曲部分，橫截面的畸變導(dǎo)致表面質(zhì)量較差。且側(cè)面有一定的塌陷。如圖4所示，其塌陷值在2.66mm～3.55mm之間浮動。根據(jù)模擬結(jié)果，容易失穩(wěn)的地方出現(xiàn)在開始起彎處，而在此處亦容易出現(xiàn)鵝頭等缺陷。

圖4 無芯棒的彎管效果

加入芯棒后，如圖5所示，管件內(nèi)陷現(xiàn)象得到改善。但芯棒位置對彎管效果有很大影響：圖5（a）由于芯棒靠后，在最大變形區(qū)，管徑細(xì)化現(xiàn)象明顯，其值從25mm減少到約為21.42mm，說明芯棒沒有起到很好的支撐作用。而圖5（b）芯棒位置較為合理，管件沒有明顯缺陷。

圖5 加芯棒后彎管效果

2.3 彎曲過程中的等效應(yīng)力和損傷破壞分布

在管件彎曲過程中，應(yīng)變主要發(fā)生在彎管的外側(cè)和內(nèi)側(cè)。由于防皺塊的作用，在管材的末端也存在著大的應(yīng)變，這是由于在彎曲過程中，由于管材的翹起，導(dǎo)致芯棒和防皺塊之間的壓力增大。

由于管材的剛性，所以彎曲成形的圓弧并不十分圓滑，管材受拉伸的部分變得較為平直，而受壓縮的部分就可能產(chǎn)生折皺[4]。

如圖6所示為彎曲不同階段的等效應(yīng)力。在第50步，管材下端和上端部分受力很低，大部分在600MPa以下；隨著靠近彎曲部分，等效應(yīng)力逐漸增大；在靠近彎曲部分，局部達(dá)到最大值。在第90步，隨著彎曲的進行，管材兩端的等效應(yīng)力逐漸增大，在彎曲部分，管件內(nèi)外側(cè)都受到很大應(yīng)力，在1100MPa左右。在第150步，也就是運行即將結(jié)束時，管件彎曲部分的內(nèi)表面受最大應(yīng)力的面積相對縮小?？梢?，管件外側(cè)更容易受到破壞。

圖6 彎曲過程中等效應(yīng)力分布

如圖7所示為彎曲過程中，不同階段彎管各個部位所受到的破壞。破壞因子數(shù)越大，該位置越容易出現(xiàn)折皺和破裂。當(dāng)旋轉(zhuǎn)到總時間的9/16時，只有輕微破壞情況在彎曲部分。當(dāng)旋轉(zhuǎn)到總時間的9/16時，在L形管材的左右半邊都有破壞，但是右半部分開始出現(xiàn)比較大的破壞。隨著旋轉(zhuǎn)的進行，管材右半邊的破壞面積逐漸增大。當(dāng)快結(jié)束時，如圖7（c）所示，管材右半部的破壞很大，破壞因子達(dá)到0.7左右。通過與等效應(yīng)力分布圖相對比可得，破壞發(fā)生在等效應(yīng)力較大的位置，而且管材的右端遭受的破壞情況更嚴(yán)重。因此可以適當(dāng)增加管材右端部分的厚度，或減少彎曲的弧度。

圖7 彎曲過程中損傷破壞因子的分布

2.4 金屬速度流動分布

圖8為彎曲過程金屬流動分布圖。在圖8（a）中，當(dāng)發(fā)生較小角度的彎曲時，管件的前端和末端的金屬流動速度較大，且比較平穩(wěn)。而在管材發(fā)生彎曲的部分，由于受到夾緊模的阻礙，金屬水平方向的流動受到阻礙，流速降低。在圖8（b）中，由于發(fā)生了較大的彎曲，這時金屬流動比較平緩。因此，管材不易發(fā)生折皺等現(xiàn)象。隨著彎曲角度的增大一直到圖8（c），管材彎曲外側(cè)的速度和內(nèi)側(cè)向比較低，這將導(dǎo)致內(nèi)側(cè)金屬流動到其他地方，使內(nèi)側(cè)金屬體積減小，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)出現(xiàn)變薄現(xiàn)象。

圖8彎曲過程中的金屬流動分布

通過分析金屬流動分布圖可知，在彎曲成形的初始階段，可適當(dāng)降低彎曲的速度，以使其表面在夾緊模附近不出現(xiàn)金屬堆積，避免管材表面出現(xiàn)凸凹不平。而在加工的中間過程，在不影響表面質(zhì)量的前提下，速度可以適當(dāng)增大，以提高生產(chǎn)效率。在成形的末期，由于管材彎曲的角度較大，變形又開始困難起來。為使金屬流動上下面平穩(wěn)，可適當(dāng)降低速度，增加助推力，使管件未參加彎曲一側(cè)的金屬在助推

3 總結(jié)

（1）利用有限元法對模具間隙和芯棒位置對彎曲質(zhì)量的影響進行了研究。較大和較小的間隙均會降低表面質(zhì)量。當(dāng)間隙為0.3mm時，折皺和破裂現(xiàn)象明顯減少。

（2）對L形彎管的應(yīng)力和破壞因子的分布進行了分析。彎管外側(cè)表面等效應(yīng)力數(shù)值較大。端部破壞較為嚴(yán)重，容易出現(xiàn)裂紋。

（3）在彎曲過程中，金屬堆積導(dǎo)致表面凸凹不平，出現(xiàn)折皺現(xiàn)象?？赏ㄟ^適當(dāng)降低彎管速度來解決。力的擠壓下，該側(cè)的金屬流動過來，彌補正在發(fā)生彎曲部分的金屬的流失，防止彎曲部分由于變薄引起其他缺陷產(chǎn)生。

[1] 吳建軍，張 萍，何朝陽.大直徑薄壁彎管回彈的有限元模擬[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（1）：79-81.

[2] 古 濤，鄂大辛,高小偉,任 穎.管材彎曲成形的有限元模擬與實驗分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（10）：66-68.

[3] 鄭晨陽,鄂大辛,劉 穎，等.材料模型對彎管壁厚變化有限元仿真的影響[J].塑性工程學(xué)報，2010，17（5）：23-26.

[4] 于 丹.厚材料的碳素結(jié)構(gòu)鋼彎曲成形模具設(shè)計[J].模具技術(shù)，2009，（1）：9-11.

[5] 趙剛要.薄壁矩形管彎曲成形失穩(wěn)起皺的數(shù)值模擬 [D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[6] 李佳佳，劉郁麗，趙剛要，等.工藝參數(shù)對薄壁矩形管繞彎成形失穩(wěn)起皺影響的顯著性分析[J].熱加工工藝，2010，39（13）：77-80.

FEM analysis of bending process for L-shaped tube

LI Futao，GE Weiwei，ZHANG Zhaochun，LI Wei
（SANY Heavy Industry Co.,Ltd.,Changsha 410100,Hunan China）

The FEM model for L-shaped tube has been built by use of 3D finite element analysis(FEA)software Deform-3D.The motion simulation of the bending process has been carried on.The influence of tube equivalent stress,velocity,and the material damage distribution on the tube quality has been simulated and analyzed,as well as the influence of die clearance and mandrel.The forming faults have been analyzed.The bending tube which meets the requirement after optimization has been obtained.

Bending tube;Deform-3D;Finite element simulation

TG356.5

B

1672－0121（2012）02－0076－03

2011－12－15

李福濤（1981－），男，工程師，從事金屬塑性成形、管材彎曲成形等研究