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钢板三辊弯曲过程的建模与计算

浏览数量:31     作者:本站编辑     发布时间: 2018-08-30      来源:本站

抽象

  钣金弯曲工艺是一些最常用的工业制造操作。这些过程的开发和优化是耗时且昂贵的。因此,有限元模拟可能有助于钣金产品的设计和质量保证。在本研究中,使用商业有限元包来分析钢板的三辊弯曲。这个过程的二维有限元模型是基于ABAQUS / Explicit环境构建,基于几种关键技术的解决方案,如接触边界条件处理,材料属性定义,网格划分技术等。具有所需曲率半径的地图是通过改变两个下罗拉之间的距离和上罗拉的位置来建立。开发的地图使滚动过程更容易,耗时更少。使用优化数值结果的工业实验进行了验证数值模型。还研究了残余应力和等效塑性应变分布。将数值回弹现象与分析结果进行了比较。

  1.简介

  圆柱形截面或套圈用于许多工程应用,如压力容器,热交换器壳体和锅炉腔室。它们也是石油和天然气钻井平台的主要骨架。轧机与三和四个辊子对于生产具有各种曲率的套圈是必不可少的[1-3]。迄今为止,仅使用分析和经验模型进行了冷弯圆柱弯曲过程的研究。杨和志马[4]有通过模拟三辊弯曲U形截面工件的变形,讨论了曲率的分布和计算出的弯矩随轧辊的位移和旋转处理。 Huaetal。 [3]提出了一种确定轧辊弯曲力,驱动扭矩和薄板连续单道四辊弯曲功率的配方。甘地和拉瓦尔[5]已经发展了分析和经验模型,明确地估计顶辊位置作为板的三辊圆柱弯曲的最终曲率半径的函数。

  本文采用二维动态显式有限元(FE)分析方法研究了三辊弯曲工艺参数。如图1中示意性所示,

建模与计算(1)

图1.金字塔形三辊弯曲机的配置。

建模与计算(2)

图2.用于建模的工件的初始尺寸(mm)。

金属板由A点的两个侧辊送入,通过调节上辊的位置弯曲成任意曲率,然后在B点退出。然后,将工件焊接在一起以制成套圈。该轧制过程始终始于对工件两端进行预弯曲的关键操作(图2)。当滚动完整的圆柱形状并确保更好地封闭接缝时,该操作消除了平点。

  三辊弯曲过程的成功在很大程度上取决于操作员的经验和技能。工作通常通过多次通过方法产生弯曲,也称为“反复试验”,以优化滚子弯曲机的弯曲能力。然而,多次通过方法表明由于材料浪费和损失而导致高成本生产时间。该过程的可重复性,精确度和生产率需要使用单程生产方法[5]。

  然而,后一种方法一直是一个挑战,因为操作者必须知道不同的机器参数以获得具有所需直径的套圈。参数包括上罗拉(U)的位置,底辊(a)之间的距离和金属板(e)的厚度。

  2.有限元建模

  从FE建模的角度来看,轧制过程很复杂。其与其他成形工艺的共同特征包括大应变塑性,大位移和接触现象。但是,这个过程似乎更多比其他形成过程复杂。例如,由于上辊和下辊的运动,工件被摩擦拉入辊缝。

  为了使用Abaqus FEs代码对轧制过程进行建模并确保计算的准确性和效率,考虑了许多关键技术,如几何建模,装配,接触边界条件的处理,材料属性,网格等的定义[6]。这些技术将在下一节中详述。

  2.1建模问题

  尝试使用隐式和显式解决方法来运行成功的模拟。隐式方法在可以使用大时间增量的模型中是有利的。使用隐式方法进行了几次尝试,但是经过几度旋转后,模拟被中断。鉴于问题的非线性和严重的接触条件,使用大的时间增量是不可能的。因此,显式解决方法似乎更多适合,因为问题需要非常小的时间增量。 Han和Hua [7]使用环形工件的冷旋锻造模型确认了动态显式程序的这种选择。该显式动态分析程序基于使用对角元素质量矩阵的显式积分规则的实现。使用显式中心差来整合身体的运动方程整合规则[8],如下所示:

建模与计算(3)

建模与计算(4)

图3. S275JR的单轴拉伸试验。

其中uN是自由度,下标i是指显式动态步骤中的增量数。

  以下各节详细介绍了不同的步骤。

2.2建模问题

  整个三辊弯曲加工模型由工件和辊子组成。钢板被定义为可变形体,并且不可变形的辊被定义为离散的刚体。其中每一个刚体被分配到参考点(RP)以表示其在所有自由度上的刚性运动。

  2.3材料属性

  辊子由C46锻造的碳钢制成,并且被认为是刚体。钢板被指定为可变形体。 S275JR钢的材料特性使用杨氏模量E,密度ρ和泊松比ν。为了确定钢的塑性行为,常规的应力 - 应变曲线是从单轴拉伸试验(NF A 03-151)获得的,如图3所示。假设各向同性弹性行为,杨氏模量为210 GPa,泊松比为0.3。使用屈服强度(290MPa)和低于拉伸强度(489MPa)的几个拉伸应力对塑性应变点描述了应变硬化。动态在计算中使用显式方法,并考虑了纸张的重量。使用的钢密度为7800kg·m-3。质量缩放极大地影响计算结果;质量缩放越大越短计算时间。然而,非常高的质量缩放可能导致不稳定的解决方案。在目前的工作中,发现优化的质量缩放参数是3000次。

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