基于Marc的不銹鋼—鋼復(fù)合板滾彎成形數(shù)值分析

劉持森，徐英鵬，馬宏杰

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，青島 266404）

0 引言

壓力容器用爆炸焊接不銹鋼—鋼復(fù)合板（以下簡(jiǎn)稱復(fù)合板）常以碳鋼為基材，不銹鋼為覆材，經(jīng)爆炸焊接而成[1]。復(fù)合板既具有足夠的基體強(qiáng)度，又具有不銹鋼的耐腐蝕性，采用復(fù)合板制造壓力容器不僅滿足了產(chǎn)品性能要求，還大大節(jié)約了成本，廣泛應(yīng)用于石油、化工和航天等行業(yè)。由于基材與覆材是通過爆炸焊接而成，在復(fù)合板滾彎或者封頭旋壓時(shí)經(jīng)常產(chǎn)生復(fù)合界面加工缺陷，常見的有界面分離、覆材表面起褶、覆材裂紋等。采用有限元分析方法，研究成形過程中覆材表面和復(fù)合界面應(yīng)力狀況，可以優(yōu)化滾彎工藝，減少加工缺陷。

由于復(fù)合板覆材與基材厚薄相差太大，并且復(fù)合界面情況特殊，所以給有限元分析帶來了很大困難，經(jīng)反復(fù)進(jìn)行對(duì)比研究，確定采用Marc/Mentat軟件。Marc/Mentat是國(guó)際上通用的非線性有限元分析軟件，它是MSC.Software Cooperation（簡(jiǎn)稱MSC）公司的產(chǎn)品[2]。可以快速模擬冷熱成形、擠壓、彎曲、軋制等各類塑性加工成形，提供坯料變形、最終應(yīng)力應(yīng)變分布、溫度分布、組織性能變化等規(guī)律[3]。

1 彎曲試驗(yàn)數(shù)值分析

1.1 復(fù)合界面形態(tài)

圖1顯示復(fù)合板復(fù)合界面呈波紋狀，上層為不銹鋼覆材，下層為碳鋼基材。爆炸焊后復(fù)合界面生成金屬間化合物，其連接密集，有的成片分布、有的聚集成線，在承受外載荷時(shí)容易沿此線開裂，是潛在的裂紋源[4,5]。

圖1 基材與覆材

為保證復(fù)合板加工成形時(shí)復(fù)合界面仍結(jié)合良好，NB/T47002-2009《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定復(fù)合界面剪切強(qiáng)度不小于210MPa，并且復(fù)合板的彎曲試驗(yàn)要合格。

1.2 彎曲試驗(yàn)有限元分析

某公司選用基材Q245R，覆材316L，板厚25 mm（基材22mm+覆材3mm）的復(fù)合板制造壓力容器時(shí)，曾出現(xiàn)筒體滾彎和封頭旋壓后復(fù)合界面斷續(xù)分離現(xiàn)象。為模擬真實(shí)情況，選取同材質(zhì)、規(guī)格的復(fù)合板進(jìn)行有限元分析。根據(jù)彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，取試樣尺寸220mm×50mm×25mm，彎曲壓頭直徑40mm，彎曲角度180°。

在板厚方向劃分6個(gè)網(wǎng)格，其中復(fù)合界面位于節(jié)點(diǎn)上。由于模型對(duì)稱，所以試樣寬度取一半。彎曲180°后的模擬結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

圖2 模擬與試驗(yàn)結(jié)果

比較圖2模擬與試驗(yàn)結(jié)果，試樣在寬度方向上外表面受拉伸收縮變窄，模擬值為3.269mm，真實(shí)值為3.140mm。內(nèi)表面受擠壓變寬，模擬值為3.304mm，真實(shí)值為3.420mm。觀察彎曲試樣復(fù)合界面無肉眼可見分層，但用著色滲透檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)彎曲邊緣有斷續(xù)分離現(xiàn)象，如圖3所示。這表明在大變形下，復(fù)合界面薄弱部位抗剪強(qiáng)度低于彎曲產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力，導(dǎo)致試樣發(fā)生局部破壞。

圖3 復(fù)合界面彎曲缺陷

由于基材與覆材力學(xué)性能不同，模擬分析時(shí)復(fù)合界面不能用基材或覆材的應(yīng)力–應(yīng)變曲線，其自身應(yīng)力–應(yīng)變曲線又無法通過試驗(yàn)得到，所以只能提取復(fù)合界面最大剪應(yīng)力，以此判斷界面的破壞情況。

圖4為模擬彎曲剪應(yīng)力隨時(shí)間變化歷程圖，圖中顯示在第9增量步剪應(yīng)力開始達(dá)到210MPa，最大值為350MPa，這表明要想彎曲試樣界面完好，復(fù)合界面實(shí)際抗剪強(qiáng)度必須大于350MPa。

圖4 復(fù)合界面剪應(yīng)力變化歷程

事實(shí)上，剪切試驗(yàn)測(cè)得界面平均剪切強(qiáng)度為430MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)下限值210MPa，也高于彎曲模擬的最大剪應(yīng)力350MPa，這就保證了彎曲后圖3中試樣大部分結(jié)合良好。由于波紋狀復(fù)合界面組織、成份并不均勻，有的還存在細(xì)微孔洞，不同生產(chǎn)廠家的復(fù)合板質(zhì)量差距也很大，造成有些部位剪切強(qiáng)度偏低，所以滲透檢驗(yàn)還是發(fā)現(xiàn)圖3中復(fù)合界面有斷續(xù)分離現(xiàn)象。

圖4中波峰波谷交替出現(xiàn)，這是因?yàn)閺澢^程加工硬化、晶粒再結(jié)晶、長(zhǎng)大、形變和再硬化等不斷交替進(jìn)行，在復(fù)雜的硬化和軟化情況下，曲線便出現(xiàn)周期性的峰值。

以上對(duì)比表明，采用Marc有限元分析復(fù)合板彎曲試驗(yàn)與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果一致，本方法可用于復(fù)合板滾彎成形過程分析。

2 筒體建模

2.1 網(wǎng)格劃分

在卷板機(jī)上輥壓力作用下，滾彎過程中復(fù)合板處于3向應(yīng)力狀態(tài)，不適合再選用殼體單元建模，又因?yàn)橐敵鰪?fù)合界面的層間應(yīng)力，所以選擇3D Solid Composite復(fù)合材料單元。

根據(jù)滾彎筒體外徑φ2200mm，復(fù)合板尺寸1500 mm×600mm×25mm（22mm+3mm），卷板機(jī)型號(hào)W11-30-3000，上輥直徑φ480mm，下輥直徑φ400mm，下棍中心距600mm，按真實(shí)尺寸建模。由于覆材厚度僅3mm，復(fù)合界面厚度約0.4 mm，給網(wǎng)格劃分帶來困難，經(jīng)建模對(duì)比，決定在復(fù)合板厚度方向劃分5個(gè)網(wǎng)格，界面厚度忽略不計(jì)，復(fù)合板中間對(duì)稱，仍取板寬一半建模，如圖5所示。

圖5 有限元分析模型

2.2 材料鋪層

3D Solid Composite復(fù)合材料單元可以允許不同分層鋪設(shè)不同特性的材料，并且計(jì)算結(jié)果可以輸出不同材料層的層間應(yīng)力，比較適合復(fù)合板對(duì)模型的要求。

材料在板厚方向共鋪設(shè)9層，上面第一網(wǎng)格內(nèi)設(shè)3層覆材和2層基材，每層厚度1mm，其他4層為基材。輸入Q245R彈性模量211GPa，泊松比0.286，316L彈性模量206GPa，泊松比0.28，并分別輸入2種材料的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線。

3 數(shù)值分析

根據(jù)復(fù)合板特點(diǎn)，著重分析兩種情況下的滾彎成形數(shù)據(jù)。由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了復(fù)合界面剪切強(qiáng)度不得小于210MPa，所以第一種情況分析板厚25 mm時(shí)剪應(yīng)力隨卷板機(jī)上輥下壓量的變化規(guī)律，第二種情況分析采用不同滾彎次序時(shí)剪應(yīng)力的變化規(guī)律。

3.1 上輥下壓量與剪應(yīng)力的關(guān)系

在卷板過程中，主要通過上輥下壓來控制板材彎曲曲率半徑，研究清楚上輥每次下壓量對(duì)卷板時(shí)復(fù)合界面剪應(yīng)力的影響規(guī)律，就可指導(dǎo)我們制定合理的滾彎工藝。

模擬實(shí)際工況，定義有限元分析條件，其中輥、板間摩擦系數(shù)取0.2。

圖6 下壓量與剪應(yīng)力關(guān)系

圖6為復(fù)合界面剪應(yīng)力與上輥下壓量數(shù)值分析曲線，隨著時(shí)間變化，也即上輥下壓量增加，剪應(yīng)力快速升高，當(dāng)壓下40mm（圖中2s處）時(shí)剪應(yīng)力達(dá)到170MPa，此后繼續(xù)增加下壓量，直到4s處剪應(yīng)力基本保持不變。由此可見，剪應(yīng)力增加主要集中于上輥下壓40mm過程中，因此滾彎要采用下壓—滾動(dòng)—下壓工序，避免上輥一次壓下造成剪應(yīng)力急劇升高。

圖6中5s處為上輥壓到卷板極限后下輥開始滾動(dòng)，此時(shí)剪應(yīng)力迅速?gòu)?70MPa上升到210MPa左右，然后又基本保持穩(wěn)定。這說明當(dāng)上輥壓下超過40mm后，剪應(yīng)力不再隨下壓量而增加，軋輥滾動(dòng)則變?yōu)橛绊憦?fù)合界面剪應(yīng)力的重要因素。

3.2 滾彎次序?qū)魬?yīng)力的影響

實(shí)際卷板過程中不允許上輥一次壓到位，但是也有違反操作規(guī)程的現(xiàn)象，下面分兩種滾彎道次分析復(fù)合界面剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律。

1）經(jīng)理論計(jì)算，筒體外徑彎曲成φ2200mm時(shí)上輥壓下量約35mm。假設(shè)上輥采用1次壓下滾彎成形，得到復(fù)合界面剪應(yīng)力隨滾彎過程的變化曲線，圖7顯示界面最大剪應(yīng)力152MPa，后隨滾彎進(jìn)行剪應(yīng)力保持穩(wěn)定。

圖7 1次滾彎剪應(yīng)力歷程圖

2）假設(shè)上輥分3次壓下進(jìn)行滾彎，即第一次壓下20mm，滾壓一遍，然后再壓下7mm，反方向回滾一遍，最后壓下8mm，滾壓三遍最終成形。圖8為提取的復(fù)合界面剪應(yīng)力曲線，最大值為139 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)復(fù)合板的最低要求210MPa。與圖7對(duì)比，采用3道次滾彎時(shí)最大剪應(yīng)力比1道次小13MPa。

圖8 3次滾彎剪應(yīng)力歷程圖

從圖8中還可看出，17s處第2道反向回滾時(shí)剪應(yīng)力明顯降低，在27s處第3次滾壓時(shí)剪應(yīng)力值重新升高，但最高值沒有超過第1道次的極大值，這表明分道次滾彎可降低復(fù)合界面剪應(yīng)力。

由于復(fù)合板界面結(jié)構(gòu)特殊，實(shí)際滾彎并不是反復(fù)次數(shù)越多越好，還要防止反復(fù)滾壓造成金屬間化合物過度破碎引起裂紋，特別是圓筒焊完滾圓時(shí)更要注意。

4 結(jié)論

1）按標(biāo)準(zhǔn)NB/T47002-2009要求進(jìn)行復(fù)合板彎曲試驗(yàn)有限元分析，所得數(shù)值與真實(shí)結(jié)果一致。

2）當(dāng)卷板機(jī)參數(shù)、復(fù)合板厚度一定時(shí)，在0～40mm范圍內(nèi)，隨上輥下壓剪應(yīng)力不斷升高，所以在復(fù)合板滾彎成形時(shí)應(yīng)重點(diǎn)防范此階段產(chǎn)生加工缺陷。

3）滾彎道次對(duì)復(fù)合界面剪應(yīng)力影響顯著，特別是反向回滾時(shí)，會(huì)顯著降低界面應(yīng)力。

4）模擬顯示，板寬兩側(cè)自由邊界處剪切應(yīng)力高于板內(nèi)部，對(duì)滾圓和旋壓封頭類大變形加工后的過渡段和直邊段應(yīng)該重點(diǎn)進(jìn)行無損檢測(cè)。

[1]NB/T47002-2009,壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板[S].

[2]陳火紅,楊劍,薛小香,等.新編Marc有限元實(shí)例教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3]馮超,孫丹丹.全新marc實(shí)例教程與常見問題解析[M].北京:水利水電出版社,2012.

[4]裴海洋.爆炸復(fù)合板復(fù)合界面微觀組織分析.壓力容器[J].2002,(11):38-39.

[5]顧海根.爆炸焊不銹復(fù)合鋼制壓力容器.壓力容器[J].2002,(12):25-30.