談談對汽車輥彎型鋼成型進行仿真的必要性

趙生蓮

摘 要： 本文從冷彎型鋼的應用現狀，輥彎成型的特點等方面，闡述了對汽車輥彎型鋼成型進行仿真的必要性。

關鍵詞： 冷彎型鋼 輥彎成型 仿真

1.引言

絕大部分金屬材料都必須經過材料成型加工才具有實際使用價值，材料成形加工科學與技術既是制造業的重要組成部分，又是材料科學與工程的四要素之一。因此，材料成型加工理論和技術的研究對國民經濟發展及國防力量增強均有重要作用。

未來的制造企業將由人、管理及技術三要素組成，而以人為本，以技術創新為依托，將是未來制造業的發展方向。隨著社會發展與進步，制造業的發展將走向大批量、高質量、低成本、快速成型、柔性生產的集約化制造系統。新一代制造工藝及裝備、建模與仿真和快速成型工藝系統與產品的開發將成為21世紀三項關鍵先進制造技術，輕量化、精確化、高效化將是新一代材料成形加工技術的重要研究領域，材料成形制造將向更輕、更薄、更精、更強、更韌、成本低、周期短、質量高的方向發展。

材料成形加工過程的計算機建模與仿真是先進制造技術的重要組成部分，已在鑄造及塑性成形加工等領域得到廣泛應用。現代制造產品及加工工藝開發系統以設計及成形加工過程的建模與仿真為核心內容，在產品零部件設計過程中，對產品成形制造過程的工藝技術進行模擬仿真，以最新技術和最低成本預測產品制造過程中可能出現的工藝技術問題。

隨著科學技術的發展及資源的日趨短缺，人們對產品的要求不僅僅停留在實現某些特定功能和達到一定安全性能上，而是希望在滿足這兩方面的前提下盡量節約資源、降低損耗，達到更高的生產效率和原材料利用率。

2.冷彎型鋼的應用現狀

冷彎型鋼是一種用途極廣的經濟斷面鋼材，具有重量輕、成本低、工藝性能好等優點，擁有廣闊的應用領域，已成為大批量生產最常用的板帶金屬加工之一。冷彎型鋼作為一種經濟的輕型薄壁鋼材，具有重量輕、強度高、工廠化制作程度高、投資少、施工周期短、抗震性能好、環境污染少和可回收利用等諸多優點[1]，被廣泛應用于汽車、航空、建筑等行業。

建筑業是冷彎型鋼的第一大用戶[2，3，4]，鋼結構住宅在歐洲、北美、日本等地早已規模化、產業化，鋼結構住宅的用鋼量占到建筑用鋼總量的30%以上，建筑面積占總量的40%。瑞典是當今世界最大的鋼結構生產國與出口國，歐洲各國都到瑞典定制住宅輕鋼預制件。美國最早采用鋼框架結構建住宅，1996年已擁有20萬幢鋼框架小型住宅，約占住宅建筑總數的20%。日本的鋼結構建筑數量最多，其冷彎型鋼的一半以上用于建筑業，如冶金、汽車制造業的廠房。在澳大利亞，2000年鋼框架住宅占全部住宅數量的50%。

近年來，隨著我國經濟建設的快速發展和人們對冷彎型鋼的認識及相關建筑規范的完善，冷彎型鋼在我國房屋結構特別是建筑工程鋼結構中的用量越來越多。上海同濟大學已經出現全冷彎型鋼鋼結構的住宅建筑樣板房，在昆明也已經出現冷彎型鋼結構的別墅小區。2001年我國冷彎型鋼產量約為150萬噸，占當年鋼材產量的1%左右。而在國外工業發達國家，冷彎型鋼已經占其鋼產量的3%～5%，說明我國冷彎型鋼的發展很有潛力。目前國外建筑用冷彎型鋼約占其冷彎型鋼產量的25%～30%，按此推算，加上彩涂板和上下水管，我國建筑用冷彎型鋼應該在80萬噸左右，這充分顯示了我國建筑用冷彎型鋼是大有可為的。

冷彎型鋼的問世及應用，開拓了主要借助優化截面形狀而不單純依賴增加材料用量及改善材料性能提高材料利用率的新途徑，這對節約能源和資源具有十分重要的意義。全國人大通過的我國第十一個五年規劃，特別指出我國今后經濟發展的重點是強調技術創新，建設節約型社會。因此，加快冷彎成型技術研究，開發更多新型冷彎型鋼產品，對推進“十一五規劃”的實現具有重要的現時意義。

3.輥式冷彎成型的特點

輥式冷彎成型是金屬薄板帶在一系列成型輥作用下，通過連續變形而被加工成具有復雜斷面的型材。在冷彎成型過程中，由于金屬板帶受到多點且不等壓力的反復、連續彎曲作用，變形過程受諸多因素影響，變形復雜，理論解析十分困難，幾乎不可能用一個統一的力學模型描述。因此，長期以來，冷彎孔型和工具設計主要依賴設計者的經驗與反復試制。目前冷彎型鋼的成型輥的設計仍以經驗設計為主，然后依賴試錯法獲取工藝規律，缺乏完善的成形理論。

4.對輥彎型鋼成型進行仿真的必要性

設計者在軋輥設計階段并不能完全確定金屬變形是否合理，軋輥系統孔型設計是否正確，只有在線試生產才會發現問題，但此時已經有相當一部分材料被浪費了。所以，冷彎型鋼企業生產成本的很大一部分耗費在成型輥的調整和產品的試生產階段。采用冷彎成型過程的計算機模擬與仿真技術，能在一定程度上對設計和生產中的問題進行預測，并提出相應的處理方法，這樣可以比較合理地進行軋輥設計，有效減少生產調試時間，提高生產效率，減少原材料的耗費。綜上所述，近幾年來，冷彎成型過程金屬塑性變形的理論研究及計算機模擬和仿真技術研究已經引起了很多國家研究者的關注，并取得了一定的成果。

隨著金屬塑性成型理論及計算機模擬與仿真技術的進步，市場上出現了一些具有實用價值的數值計算與結構分析通用商業軟件。另外，近幾年計算機技術得到了飛速發展，CPU的速度加快，海量內存等都使得整個計算機的數據處理能力不斷提高。現在大多數結構分析與數值處理軟件都有PC版，這就為冷彎成型仿真技術的進一步推廣奠定了基礎，提供了可能性和可行性。

參考文獻：

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[2]孫衛民.大量應用于建筑業的冷彎型鋼[J].工程建設與設計，2004，7：19.

[3]劉洋，謝偉平，蔡玉春.冷彎型鋼發展與應用綜述[J].鋼結構，2004，6（19）：36-39.

[4]王先進，涂厚道.冷彎型鋼生產及應用[J].北京：冶金工業出版社，1994.

[5]胡松林.板帶連續輥式冷彎成形的喂入過程分析[J].鋼管，1998，8（4）：25-27.

[6]周瑛.輥式成型過程的彈塑性大變形樣條有限元模擬[D].東北重型機械學院博士學位論文，1996：36-49.