管材拉彎工藝及數值模擬分析

范遠航

（酷派軟件技術（深圳）有限公司，廣東深圳 518057）

0 引言

拉彎工藝是當今彎管業一種比較重要的成形方法，也是一種比較簡便經濟的成形方法之一。但整個變形過程因素多而復雜，涉及破裂、起皺等多種質量問題，很難采用解析方法分析，長期以來一直依靠設計者經驗，進行反復試制。隨著計算機技術的發展，基于有限元法的數值模擬技術得到廣泛應用，它能夠比較準確地反映管材彎曲成形過程，預測成形各種缺陷，并且可以快速調整工藝參數間的匹配關系來研究其對成形缺陷影響，以獲得最佳工藝參數[1]。近年來，國內外學者對管材拉彎方面做了大量研究工作。國外的Welo.T[2]和Paulsen.F[3]等采用彈塑性有限元軟件ANSYS分析了鋁合金單雙室矩形管繞彎過程，研究了彎曲半徑和摩擦對外側翼板塌陷和回彈的影響。國內的金朝海、周賢賓[4]等人采用動力顯式有限元程序Pam-Stamp對鋁合金矩形管拉彎過程進行了模擬，分析了模具最大作用力、管材截面畸變、成形件回彈規律；鄭晨陽[5]等研究了材料模型對管材彎曲變形影響，將線性硬化和指數硬化材料模型用于過程仿真。上述研究結果表明，有限元法模擬管材拉彎，可以高效準確地分析成形過程，大大降低設計、加工成本。本文采用有限元法數值模擬技術進行了管材相對彎曲半徑R/D和相對彎曲厚度t/D的變化對拉彎過程影響研究。

1 管材拉彎成形工藝分析

圖1 管材彎曲時受力及其應力應變狀態

管材受外力矩M作用彎曲時（如圖1（a）），其變形區外側材料因受切向拉伸作用而伸長εθ＞0，變形區內側材料又受到切向壓縮作用而縮短εθ＜0。由于切向應變εθ沿管材斷面是連續分布的，因此在拉伸區過渡到壓縮區存在εθ=0，即應變中性層，所在位置可用曲率半徑 ρε表示。同樣，由于切向應力σθ沿管材斷面分布也是連續的，因此也會存在應力中性層σθ=0，所在截面位置可用曲率半徑ρθ表示。管材彎曲變形的實質是依靠中性層內、外材料的縮短與伸長進行的。在中性層外側的材料受切向拉應力，使管壁減薄，最外側容易產生裂紋（如圖2a）；中性層內側材料受切向壓縮應力，使管壁增厚，最內側容易出現皺褶（如圖2b）。

圖2 管材彎曲缺陷

2 管材拉彎有限元建模

ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用顯示非線性動力分析程序，能夠較為真實地模擬各種復雜幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成形等非線性動力沖擊問題，在工程應用領域被廣泛認可為最佳的分析軟件[6]。因此，本文利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對管材拉彎成形進行數值模擬。

圖3 管材拉彎成形數值模型

管材拉彎過程是在拉彎力作用下使管材沿滾輪彎曲成形的過程，因此管材拉彎成形模擬模型可簡化為如圖3所示形式。

數值模擬過程所采用的假設有：

（1）金屬管材為各向同性，忽略了異性效應對管材拉彎成形過程的影響；

（2）金屬管材符合冪硬化材料模型，忽略了材料的速率敏感指數等對管材成形過程的影響；

（3）模具為剛性材料，忽略模具的彈性變形。

3 數值模擬結果分析

3.1 相對彎曲半徑R/D對管材拉彎成形過程的影響

模擬相對彎曲半徑R/D對管材拉彎成形的影響時，設相對彎曲厚度t/D不變為0.08，相對彎曲半徑分別取1.5、2.0、2.5、3.0。

管材彎曲90°時，相對不同彎曲半徑條件下的等效應力云圖如圖4所示，R/D=1.5時（圖4（a）），最大等效應力為293.23 MPa，最小等效應力為 33.82 MPa；R/D=2.0時（圖4（b）），最大等效應力274.9 MPa，最小等效應力為9.69 MPa；R/D=2.5時 （圖 4（c）），最大等效應力268.006 MPa，最小等效應力為5.94 MPa；R/D=3時（圖4（d）），最大等效應力258.33 MPa，最小等效應力為5.57 MPa。可以看出，隨著相對彎曲半徑R/D的增大，等效應力越來越小。

管材彎曲90°時，管材彎曲變形處的壁厚變化云圖如圖5所示，R/D=1.5時（圖5（a）），管材彎曲變形處外側最大減薄量為12.95%，內側最大增厚量為13.49%；R/D=2.0時（圖5（b）），管材彎曲變形處外側最大減薄量為10.30%，內側最大增厚量為12.21%；R/D=2.5時（圖5（c）），管材彎曲變形處外側最大減薄量為9.25%，內側最大增厚量為9.37%；R/D=3.0時（圖5（d）），管材彎曲變形處外側最大減薄量為8.18%，內側最大增厚量為7.89%；可以看出，隨著相對彎曲半徑R/D的增大，管材彎曲變形處外側減薄量越來越小，管材彎曲變形處內側增厚量越來越小。

圖4 等效應力云圖

圖5 壁厚變化云圖

圖6 等效應力云圖

3.2 相對彎曲厚度t/D對管材拉彎成形過程的影響

模擬相對彎曲厚度t/D對管材拉彎成形的影響時，設相對彎曲半徑R/D不變，為2.0，相對彎曲厚度分別取0.08、0.10、0.12、0.14。

圖7 壁厚變化云圖

管材彎曲90°時，不同相對彎曲厚度條件下的等效應力云圖如圖6所示，t/D=0.08時（圖6（a）），最大等效應力274.904 MPa，最小等效應力為9.682 MPa；t/D=0.10時（圖6（b）），最大等效應力268.959 MPa，最小等效應力為6.965 MPa；t/D=0.12時（圖6（c）），最大等效應力265.348 MPa，最小等效應力為9.722 MPa；t/D=0.14時（圖6（d）），最大等效應力263.61 MPa，最小等效應力為8.572 MPa。可以看出，隨著相對彎曲厚度t/D的增大，等效應力越來越小。

不同相對彎曲厚度條件下壁厚變化如圖7所示，t/D=0.08時（圖7（a）），管材彎曲變形處外側最大減薄量為10.30%，內側最大增厚量為12.21%；t/D=0.10時（圖7（b）），管材彎曲變形處外側最大減薄量為9.07%，內側最大增厚量為8.89%；t/D=0.12時（圖7（c）），管材彎曲變形處外側最大減薄量為8.53%，內側最大增厚量為8.18%；t/D=0.14時（圖7（d）），管材彎曲變形處外側最大減薄量為8.19%，內側最大增厚量為8.53%；可以看出，隨著相對彎曲厚度t/D的增大，管材彎曲變形處外側減薄量越來越小，管材彎曲變形處內側增厚量越來越小。

4 結論

針對管材拉彎成形問題，采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA分析了彎曲工藝參數對管材拉彎成形過程的影響，得到如下結論：

（1）相對彎曲厚度t/D一定時，隨著相對彎曲半徑R/D的增大，彎曲變形等效應力和壁厚變化的百分比減小；

（2）相對彎曲半徑R/D一定時，隨著相對彎曲厚度t/D的增加，彎曲變形等效應力和壁厚變化的百分比減小；

（3）增大相對彎曲半徑和相對厚度，有助于提高管材拉彎成形質量的提高。

［1］湯月寶.管材彎曲成形數值模擬技術的研究與研發［D］.南京：南京航空航天大學，2007.

［2］WELO T，PAULSEN F，BROBAK T J.The Behavior of Thin Walled Aluminum Alloy Profiles in rotary Draw Bending Comparison Between Numerical and Experimental Results［J］ .Journal of Materials Processing Technology，1994，45： 173-180.

［3］ PAULSEN F，WELO T． Cross-sectional Deformations of Rectangular Hollow Sections in Bending：Part I-experiments［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2001，43（1）：109-129.

［4］金朝海，周賢賓.鋁合金矩形管拉彎成形過程的數值模擬［J］.材料科學與工藝，2004（06）：572-575.

［5］鄭晨陽，鄂大辛.材料模型對彎管壁厚變化有限元仿真的影響［J］.塑性工程學報，2010（05）：23-26.

［6］羅健輝，陽林，梁文炎.基于ANSYS/LS-DYNA的板材液壓成形數值模擬的軟件研究［J］.機床與液壓，2007，35（10）：60-63.