不同厚度下船舶板材高頻感應(yīng)自由彎曲成形

張繼祥，安國(guó)銀，李政君，王智祥

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)船舶工程中心，重慶 400074)

不同厚度下船舶板材高頻感應(yīng)自由彎曲成形

張繼祥1，安國(guó)銀1，李政君1，王智祥2

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)船舶工程中心，重慶 400074)

應(yīng)用ANSYS軟件建立高頻感應(yīng)自由彎曲有限元模型，研究了船板高頻感應(yīng)成形板厚對(duì)可加熱溫度、變形角度、應(yīng)力、變形及冷卻后的殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明:不同厚度的船舶板材可加熱溫度皆在860℃以上進(jìn)入奧氏體溫度區(qū)。在無(wú)約束、忽略船板自重的情況下，不同厚度的船舶板材單面彎曲角度在10-2數(shù)量級(jí);加熱結(jié)束后，不同厚度的船舶板材的應(yīng)力都達(dá)到屈服應(yīng)力，發(fā)生了塑性變形。冷卻結(jié)束后殘余應(yīng)力主要集中在線圈正下方。隨著板厚的增加，可加熱溫度下降，并在中厚板區(qū)有波動(dòng);彎曲角度先增加，后減小;最大殘余應(yīng)力先減小，后增加。在給定加熱頻率和功率條件下，船板的高頻感應(yīng)加熱變形的最有效厚度為14 mm。

高頻感應(yīng);彎曲成形;數(shù)值模擬

0 引言

熱應(yīng)力成形是一種通過(guò)對(duì)工件進(jìn)行局部加熱、冷卻，靠工件內(nèi)部溫度分布不均而產(chǎn)生的熱應(yīng)力來(lái)促使工件發(fā)生彎曲變形的一種成形方法。由于熱應(yīng)力成形不需要模具，非常適合小批量多品種零件的加工，在航空航天、造船、汽車、機(jī)械等行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景，因此，熱應(yīng)力成形已成為板料成形領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)［1］。成形方法包括水火彎板熱應(yīng)力成形、激光熱應(yīng)力成形和高頻感應(yīng)熱應(yīng)力成形等。

隨著我國(guó)造船業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)化高效率的造船技術(shù)的概念越來(lái)越得到各船廠重視［2］。在船舶制造過(guò)程中，船舶型面板材的加工制造是船舶制造中的重要環(huán)節(jié)之一［3-4］。目前，在船舶制造中普遍采用水火加熱熱應(yīng)力成形方法，但是這種技術(shù)還主要是靠作業(yè)工人的經(jīng)驗(yàn)積累，不利于精確成形，難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化［5］。隨著現(xiàn)代精密成形技術(shù)的發(fā)展，船用鋼板精確成形控制和成形自動(dòng)加工設(shè)備的研制及應(yīng)用成為造船界急需解決的問(wèn)題［6］。

激光加熱成形也是一種常用的板材熱應(yīng)力成形方法。利用高能激光照射加熱金屬板材，誘發(fā)不均勻熱應(yīng)力，使板材發(fā)生塑性彎曲變形的非接觸板材加工工藝。該工藝具有高度柔性，無(wú)需模具和外力，可以實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜曲面成形，在船舶、汽車、航空航天和微電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［7］。但是激光器激光斑點(diǎn)小，成形弧度曲面曲率半徑小，成形率低，而且激光加熱普遍功率較小，不能滿足厚板熱應(yīng)力成形。

高頻感應(yīng)加熱具有加熱效率高，氧化少，節(jié)能，工作環(huán)境安全、清潔污染少，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)逐漸發(fā)展成為一種新的板料熱應(yīng)力成形方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室研究和數(shù)值模擬研究?jī)蓚€(gè)方面展開(kāi)工作。日本在造船方面最先將高頻感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用其中，日本石川島播磨重工和大阪大學(xué)合作，對(duì)高頻感應(yīng)加熱進(jìn)行了深入的研究，研制出了高頻感應(yīng)彎板自動(dòng)成形試驗(yàn)機(jī)。韓國(guó)和美國(guó)的一些學(xué)者和專家也對(duì)其進(jìn)行了一些研究［8］。在國(guó)內(nèi)，張雪彪，等［9］通過(guò)有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行鋼板感應(yīng)加熱的數(shù)值計(jì)算，模擬獲得的局部橫向收縮變形量和溫度變化曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果相吻合，感應(yīng)加熱時(shí)間和感應(yīng)器中的電流強(qiáng)度對(duì)于橫向收縮變形的影響顯著;周宏，等［10］采用ANSYS軟件對(duì)低碳鋼平板的高頻感應(yīng)加熱彎板成形過(guò)程進(jìn)行了彈塑性有限元分析，加熱條件完全相同時(shí)，平板尺寸的變化對(duì)最終溫度場(chǎng)的變化影響不大;范平［11］通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，在其他工藝參數(shù)不變的前提下，隨著電流的增大，板料彎曲角度先增后降。

筆者利用ANSYS軟件對(duì)不同厚度的Q345船板高頻感應(yīng)的加工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析加熱溫度，彎曲角度，應(yīng)力應(yīng)變等隨著板厚而發(fā)生的變化。

1 研究模型

1.1 對(duì)象模型

研究對(duì)象為240 mm×160 mm×δ mm的Q345船用鋼板，板厚 δ分別取 3，4，6，8，10，12，14，16，18，20 mm，如圖1。線圈x向尺寸為52 mm，z向尺寸等于板材的寬度160 mm。在建立ANSYS有限元模型時(shí)，由于對(duì)稱性，模型可簡(jiǎn)化，并忽略其重力，無(wú)約束。

圖1 高頻感應(yīng)加熱二維模型Fig.1 Two-dimensional model of high-frequency induction heating

采用兩種單元類型，結(jié)構(gòu)分析和電磁分析中鋼板、線圈和空氣采用Plane13單元，熱分析中輻射單元采用表面效應(yīng)單元SURF151單元。模型在寬度方向(z方向)均勻加熱、均勻變形，因此可以簡(jiǎn)化為單層，劃分網(wǎng)格時(shí)只在板材的長(zhǎng)度方向(x方向)和厚度方向進(jìn)行。根據(jù)變形特點(diǎn)，在靠近線圈部分網(wǎng)格局部加密，建立高頻感應(yīng)有限元分析模型如圖2。

圖2 高頻感應(yīng)有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model of high-frequency induction

1.2 材料參數(shù)

將相關(guān)文獻(xiàn)［11］中的板材相對(duì)磁導(dǎo)率u、電阻率ρ、熱導(dǎo)率 K、熱焓值 i、彈性模量 E、屈服強(qiáng)度σs、切變模量G和熱脹系數(shù)β等參數(shù)引入模型，以上各參數(shù)隨溫度變化而變化。泊松比μ為0.28，輻射率 L 為 0.68 W/(m2·sr)，兩者均為恒定值。線圈材料為純銅，其相對(duì)磁導(dǎo)率 ucu為1H/m，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率ua也為1 H/m。在本次研究中，高頻感應(yīng)加熱數(shù)值模擬屬于自由彎曲，即無(wú)約束，忽略船板自重。

1.3 熱源特征

采用直徑為6 mm的圓形高頻感應(yīng)加熱源對(duì)平板加熱。感應(yīng)線圈材料為純銅，線圈離平板距離為5 mm，線圈電流I為750 A，頻率f取50 kHz。

2 數(shù)值分析過(guò)程

由于高頻感應(yīng)加熱涉及到電磁分析、熱分析和結(jié)構(gòu)分析，所以在ANSYS中分析需要進(jìn)行耦合分析。在電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)這3個(gè)場(chǎng)的計(jì)算中，溫度場(chǎng)是核心，起著承上啟下的作用。在電磁分析物理環(huán)境中，主要目的是通過(guò)電磁場(chǎng)的計(jì)算獲得渦流產(chǎn)生的熱量值，為熱分析服務(wù)。在熱-結(jié)構(gòu)耦合分析物理環(huán)境中，一方面溫度場(chǎng)的計(jì)算會(huì)反過(guò)來(lái)影響電磁場(chǎng)的計(jì)算;另一方面熱應(yīng)力產(chǎn)生的變形的計(jì)算也是依靠溫度場(chǎng)計(jì)算的。隨著溫度的變化，材料性能表現(xiàn)出了高度的非線性，所以該分析是涉及到電磁分析，熱分析和結(jié)構(gòu)分析的非線性耦合分析，過(guò)程比較復(fù)雜，計(jì)算量較大。

數(shù)值模擬采用的加熱方式為靜止加熱，分兩個(gè)階段:第1階段，感應(yīng)加熱階段，感應(yīng)加熱6 s后停止加熱;第2階段，冷卻階段，在空氣中自然冷卻，冷卻600 s。

3 結(jié)果分析

結(jié)果表明，在給定加熱頻率(f=50 kHz)、功率(線圈電流I=750 A)和無(wú)約束、忽略自重的條件下，最有效變形厚度δ為14 mm。

3.1 板厚對(duì)高頻感應(yīng)加熱溫度的影響

從高頻感應(yīng)加熱6 s后的溫度云圖(圖3)上，可以看出所有厚度的鋼板加熱溫度皆在860℃以上并進(jìn)入奧氏體溫度區(qū)。薄板可以將整個(gè)厚度透熱，厚板只能部分厚度加熱，在船板厚度方向表現(xiàn)出很大的溫度梯度。

圖3 高頻感應(yīng)加熱6 s后不同板厚的溫度云圖Fig.3 Temperature contours of different thickness on high-frequency induction after heating 6 s

圖4為高頻感應(yīng)可加熱溫度隨船板厚度變化曲線。從圖中可以看出，高頻感應(yīng)能將薄板加熱到1 000℃以上，并隨著板厚的增加，可加熱溫度逐漸下降，在中厚板區(qū)有一定波動(dòng)，說(shuō)明中厚板可加熱溫度受散熱條件的影響較大。

圖4 高頻感應(yīng)可加熱溫度隨船板厚度變化曲線Fig.4 Curve of heating temperature of high-frequency induction changes with thickness of ship plate

圖5為高頻感應(yīng)加熱冷卻速度變化曲線，其變化規(guī)律與可加熱溫度曲線變化規(guī)律一致，說(shuō)明冷卻速度和板厚有很大的關(guān)系。由于受散熱條件的影響，薄板熱容量小，相對(duì)對(duì)流、輻射散熱面大，可以加快冷卻;而厚壁板由于傳導(dǎo)的作用，散熱快，冷卻速度隨板厚增加而增加。

圖5 高頻感應(yīng)加熱冷卻速度隨船板厚度變化曲線Fig.5 Curve of cooling rate of high-frequency induction changes with thickness of ship plate

3.2 板厚對(duì)彎曲角度的影響

板厚對(duì)彎曲角度的影響如圖6。

圖6 板厚對(duì)彎曲角度的影響Fig.6 Curve of the influence of free bending angle on thickness

從圖6中可以看出，船板的彎曲角度隨著船板厚度的增加，先增加，再減小。船板較薄時(shí)，在整個(gè)厚度方向均能加熱到透熱，這時(shí)溫度梯度很小。隨著板厚的增加，在中厚板區(qū)，彎曲變形主要靠不均勻加熱造成的熱應(yīng)力。在厚度方向的溫度梯度越大，角度越大。在船板厚度增加到一定程度后，受加熱功率的限制，彎曲角度隨著板厚的增加反而減小。在給定條件下，厚度為14 mm的船板變形效果最好，和最初的猜測(cè)是一致的。其單面彎曲角度在10-2數(shù)量級(jí)。本次研究采用無(wú)約束，忽略船板自重的模型，在這種情況下進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果與其他研究者的數(shù)值模擬結(jié)果接近，但是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的彎曲角度相比還有一定的差距。

3.3 板厚對(duì)高頻感應(yīng)加熱應(yīng)力、應(yīng)變的影響

圖7為不同板厚高頻感應(yīng)加熱6 s后的等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，最大應(yīng)力能夠達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，說(shuō)明高頻感應(yīng)加熱可使材料發(fā)生塑性變形。加熱6 s時(shí)刻，最大應(yīng)力區(qū)即塑性變形區(qū)不是在線圈正下方，已經(jīng)擴(kuò)展出去;線圈正下方應(yīng)力較小，此處由于加熱溫度較高，屈服應(yīng)力減小，也達(dá)到了材料在高溫時(shí)的屈服條件。最大應(yīng)力隨著板厚的增加逐漸升高，并有一定的波動(dòng)。

圖7 高頻感應(yīng)加熱6 s后不同板厚等效應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent stress contours of different thickness after 6s on high-frequency heating

圖8為船板冷卻后的最大殘余等效應(yīng)力隨著板厚的變化曲線。從圖中可以看出，最大殘余應(yīng)力是隨著板厚的增加而先降低后有所增加。

圖8 船板冷卻后的最大殘余等效應(yīng)力隨著板厚的變化曲線Fig.8 Curve of maximum equivalent stress changes with thickness after cooling of ship plate

圖9為冷卻600 s后不同板厚的殘余等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出最大殘余應(yīng)力分布在線圈正下方區(qū)域，達(dá)280 MPa，可以確認(rèn)在冷卻過(guò)程中此處發(fā)生了塑性變形。

圖9 冷卻600 s后不同板厚的殘余等效應(yīng)力云圖Fig.9 Residual equivalent stress contours of different thickness after cooling 600 s

圖10為冷卻600 s后Uy隨著板厚的變化曲線?？梢钥闯?，Uy方向位移和彎曲角度隨著板厚的變化曲線規(guī)律是完全一致的。

圖10 冷卻600 s后Uy隨著板厚的變化曲線Fig.10 Curve of Uychanges with thickness after cooling 600 s

圖11為船板高頻感應(yīng)冷卻600 s后的Uy分布云圖。從圖中可以看出，位移最大的節(jié)點(diǎn)分布在遠(yuǎn)離線圈較遠(yuǎn)的地方，從左到右位移是逐漸增加的。

圖11 船板高頻感應(yīng)冷卻600 s后不同板厚的Uy分布云圖Fig.11 Uycontours of different thickness of ship plate on high-frequency induction after 600 s

4 結(jié)語(yǔ)

筆者采用高頻感應(yīng)加熱成形方法，在無(wú)約束，忽略自重的情況下，研究了船板厚度對(duì)成形加熱溫度、彎曲角度、應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論:

1)不同厚度的船舶板材可加熱溫度皆在860℃以上并進(jìn)入奧氏體溫度區(qū)?？杉訜釡囟入S著板厚的增加逐漸下降，在厚板區(qū)有一定的波動(dòng)。

2)在無(wú)約束，忽略船板自重的情況下，不同厚度的船舶板材單面彎曲角度在10-2數(shù)量級(jí)，彎曲角度隨著板厚的增加，先增加，再減小。在給定條件下厚度為14 mm的船板成形效果最好。

3)高頻加熱結(jié)束后，不同厚度的船舶板材的應(yīng)力都達(dá)到屈服應(yīng)力了，發(fā)生塑性變形;高頻感應(yīng)加熱冷卻結(jié)束后，殘余應(yīng)力主要集中在線圈的正下方。

［1］范平，陳明和，黃永成，等.板料高頻感應(yīng)熱應(yīng)力成形技術(shù)試驗(yàn)研究［J］.鍛壓技術(shù)，2008.33(4):38-42.

Fan Ping，Chen Minghe，Huang Yongcheng，et al.Experimental study of high-frequency induction thermal stress forming technology of plate［J］.Forcing ＆ Stamping Technology，2008，33(4):38-42.

［2］李敢，江小玲，羅宇.冷卻條件對(duì)船板高頻感應(yīng)彎曲成形的影響［J］.造船技術(shù)，2007，279(5):24-27.

Li Gan，Jiang Xiaoling，Luo Yu.Ship cooling conditions to the impact of high-frequency induction bending［J］.Journal of Marine Technology，2007，279(5):24-27.

［3］Solomon M J，Almusallam A S，Seefeldt K F，et al.Rheology of polypropylenelclay hybrid materials［J］.Macromolecules，2001，34:1864-1871.

［4］Kawasumin K，Hasegawa H，Kato M，et al.Preparation and mechanical properties of polypropyleneclay hybrinds［J］.Macromolecules，1997，30:6333-6338.

［5］紀(jì)卓尚，劉玉君，孫振烈，等.船體曲面鋼板水火加工成型工藝的理論與應(yīng)用研究［J］.中國(guó)造船，1998(10):118-124.

Ji Zhuoshang，Liu Yujun，Sun Zhenlie，et al.Study on theory and application for sheet plate bending by line heating［J］.Shipbuilding of China，1998(10):118-124.

［6］羅宇，江曉玲，鄧德安.材料力學(xué)性能對(duì)高頻感應(yīng)彎板成形的影響［J］.材料工程，2005(8):35-38.

Luo Yu，Jiang Xiaoling，Deng Dean.Influence of mechanical properties of materials on high-frequency inducting plate bending［J］.Journal of Materials Engineering，2005(8):35-38.

［7］金雄，姚振強(qiáng).板材激光成形的全工藝曲面模擬生成方法［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42(1):91-94.

Jin Xiong，Yao Zhengqiang.Research on full procedure simulation of sheet laser forming［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2008，42(1):91-94.

［8］吳強(qiáng).鋼板感應(yīng)加熱工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)值模擬［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［9］張雪彪，劉玉君，胡雪鋒，等.鋼板感應(yīng)加熱成形的實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值模擬［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(3):239-243.

Zhang Xuebiao，Liu Yujun，Hu Xuefeng，et al.Experimental analysis and numerical simulation of induction heat forming of sheet plate［J］.Journal of Harbin Engineering University，2009，30(3):239-243.

［10］周宏，羅宇，蔣志勇，等.船舶板材幾何尺寸的變化對(duì)高頻感應(yīng)彎板成形的影響［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(9):22-30.

Zhou Hong，Luo Yu，Jiang Zhiyong，et al.Influence of geometry of ship panel on high-frequency inducting plate bending［J］.Ship Science and Technology，2009，31(9):22-30.

［11］范平.高頻感應(yīng)彎板成形技術(shù)研究［D］.南京:南京航天航空大學(xué)，2008.

Free Bending of Ship Plate of Different Thickness on High-Frequency Induction

Zhang Jixiang1，An Guoyin1，Li Zhengjun1，Wang Zhixiang2
(1.School of Mechatronics＆ Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Center of Vessel Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

In this paper，a FEM model of high-frequency induction free bending is established;the heated temperature，stress，deformation，residual stress and bending angle after cooling，etc are studied on different thickness ship plate.The results show that the steel plate can be heated to 860℃ above the austenitic temperature.Bending angle of ship plates of different thickness in one-sided is 10-2degree in the case of the absence of constraints and ignoring ship plate weight.The stresses are to the yield stress and promote plastic deformation of different thickness after the high-frequency heating.When the plate is cooled，the residual stress will mainly be concentrated at the bottom of the coil.Heating temperature is gradually decreased with some fluctuations in the slab area.The maximum bending angle first increases and then decreases;the maximum stress first decreases and then increases as the thickness increases.Under the conditions of a given frequency and power，the best result of deformation thickness of plate is 14mm in high-frequency induction heating.

high-frequency induction;bending forming;numerical simulation

TG404;U671.3

A

1674-0696(2012)04-0900-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.39

2012-01-16;

2012-03-22

重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(KJ080407)

張繼祥(1971—)，男，山東單縣人，副教授，博士，主要從事材料成形技術(shù)方面的研究。E-mail:jixiangzhang@163.com。