高強(qiáng)方矩管冷彎成型角隅內(nèi)側(cè)裂紋產(chǎn)生原因的數(shù)值仿真分析

陳葉清　駱海賀　劉占增

【摘 要】高強(qiáng)方矩管在成型生產(chǎn)過程中時(shí)常出現(xiàn)角隅內(nèi)側(cè)開裂，本文采用有限元數(shù)值模擬仿真計(jì)算，對角隅內(nèi)側(cè)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了研究。研究表明，角隅內(nèi)側(cè)在整個成型過程中，有因回彈引起的拉應(yīng)力，且該處的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線的流動在擠壓成型階段超過了材料的真應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線，超出了材料的塑性成型能力，因此在回彈拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值模擬；冷彎成型；裂紋；高強(qiáng)方矩管

1. 前 言

隨著全球節(jié)能降耗和環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，客車輕量化已成為重要的發(fā)展趨勢。采用高強(qiáng)度冷彎方矩管替代普通方矩管后，可以減薄壁厚，大幅降低結(jié)構(gòu)自重。然而，高強(qiáng)鋼由于具有強(qiáng)度高、延伸率低、變形大、成型反彈大等特點(diǎn)，因而在冷彎成型生產(chǎn)過程中以及用戶的二次加工過程中時(shí)常出現(xiàn)開裂，而且相當(dāng)一部分是在管子的角隅內(nèi)側(cè)開裂。進(jìn)行高強(qiáng)方矩管冷彎成型數(shù)值仿真研究，有助于解釋高強(qiáng)方矩管在成型過程中產(chǎn)生裂紋等缺陷的原因，以及提出降低裂紋等缺陷發(fā)生概率的工藝優(yōu)化改進(jìn)措施。

國內(nèi)外對方矩形管冷彎成型的研究主要集中在數(shù)值仿真、成型工藝和成型缺陷等三方面。成型缺陷方面，伊朗的M.Salmani.Tehrani等[1]利用有限元數(shù)值仿真對方矩管局部屈曲進(jìn)行了分析。此外，伊朗的M. Farzin等[2]借用有限元數(shù)值仿真工具，對于冷彎成型過程中屈曲應(yīng)變極限的確定進(jìn)行了探討。日本小奈弘教授（Hiroshi Ona）[3]的高精度冷彎成型工藝以及缺陷的產(chǎn)生機(jī)理和解決方法對生產(chǎn)實(shí)踐具有很高的指導(dǎo)意義。美國的B.W. Schafer等[4]討論了考慮幾何缺陷和殘余應(yīng)力情況下冷彎型鋼的計(jì)算模型。從國內(nèi)外公開的相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，在成型缺陷方面只涉及到對屈曲等缺陷數(shù)值仿真的討論，基本上沒有涉及對矩形管裂紋產(chǎn)生原因和預(yù)防進(jìn)行討論，更談不上應(yīng)用工廠的實(shí)際生產(chǎn)案例。

本文針對客車用高強(qiáng)方矩管在冷彎成型過程中角隅內(nèi)側(cè)產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，開展冷彎成型過程中的數(shù)值仿真研究，通過仿真模型分析裂紋產(chǎn)生的原因。

2. 數(shù)值仿真模型的建立及計(jì)算

高強(qiáng)方矩管冷彎成型數(shù)值仿真模型的確立主要根據(jù)高強(qiáng)方矩管的實(shí)際生產(chǎn)工藝流程來確定，研究模型采用的是規(guī)格40×40×1.5mm的四四二次彎邊成型方矩管。

有限元模型的建立利用Femap軟件，計(jì)算仿真利用以擅長處理非線性和復(fù)雜接觸問題著稱的ABAQUS高級有限元仿真軟件。計(jì)算方法采用二維有限元數(shù)值仿真分析方法，能完整地仿真整個冷彎成型流程，且能方便地分析冷彎成型過程中的大塑性變形和回彈等成型基本現(xiàn)象。尤其對容易產(chǎn)生裂紋的角隅處，能方便地對其進(jìn)行細(xì)節(jié)分析。

在角隅外側(cè)，整個高強(qiáng)方矩管冷彎成型過程中，以外圓弧處塑性應(yīng)變較大的4062號單元作為典型節(jié)點(diǎn)讀出該點(diǎn)處每個成型道次回彈前和回彈后的應(yīng)力，繪制出應(yīng)力譜。同理，在角隅內(nèi)側(cè)，整個高強(qiáng)方矩管冷彎成型過程中，以內(nèi)圓弧處塑性應(yīng)變較大的62號單元作為典型節(jié)點(diǎn)讀出該點(diǎn)處每個成型道次回彈前和回彈后的應(yīng)力，繪制出應(yīng)力譜。

在角隅外側(cè)，4062號單元的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線（曲線）沿材料真應(yīng)力-應(yīng)變曲線（曲線）的流動如圖1所示。在角隅內(nèi)側(cè)， 62號單元的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線（曲線）沿材料真應(yīng)力-應(yīng)變曲線（曲線）的流動如圖2所示。

3. 分析與討論

關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生裂紋的原因必須滿足兩個條件：一是曲線的流動超過材料的曲線；二是該關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處存在拉應(yīng)力。

從圖1和圖2可以看出，在高強(qiáng)方矩管整個冷彎成型過程中，角隅外側(cè)和角隅內(nèi)側(cè)的應(yīng)力譜特點(diǎn)表現(xiàn)為：在成型、擠壓和精整階段都存在拉壓交變應(yīng)力。對于角隅外側(cè)的4062號關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，雖然該點(diǎn)存在拉應(yīng)力，但是曲線流動并沒有超過材料曲線，因此該節(jié)點(diǎn)處于安全狀態(tài)，即不產(chǎn)生裂紋；對于角隅內(nèi)側(cè)的62號關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)， 曲線流動在擠壓道次超過材料曲線，而且該點(diǎn)在擠壓成型階段及以后的道次，存在拉應(yīng)力，因此該節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生裂紋。實(shí)際生產(chǎn)高強(qiáng)方矩管過程中，角隅外側(cè)安全，內(nèi)側(cè)破裂產(chǎn)生裂紋，且裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展，與數(shù)值模擬仿真計(jì)算的結(jié)果一致。

4. 結(jié) 論

數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果表明：角隅外側(cè)雖然存在拉應(yīng)力，但是該處的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線的流動在整個成型階段沒有超過材料的真應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線，材料的塑性成型能力還保留著，能抵抗該處的拉應(yīng)力。因此，角隅外側(cè)不產(chǎn)生裂紋。而角隅內(nèi)側(cè)在整個成型過程中，有因回彈引起的拉應(yīng)力，且該處的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線的流動在擠壓成型階段超過了材料的真應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線，超出了材料的塑性成型能力，失去抵抗外力作用下變形的能力，因此在回彈拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋。

參考文獻(xiàn)：

[1]M.Salmani.Tehrani，P. Hartley，H. Moslemi Naeini，H. Khademizadeh. Localised edge buckling in cold roll-forming of symmetric channel section[J]. Thin-Walled Structures，2006，44：184-196.

[2]M. Farzin，M. Salmani Tehrani，E. Shameli，Determination of buckling limit of strain in cold roll forming by the finite element analysis[J]. Journal of Materials Processing Technology，2002，125（126）：626-632.

[3]小奈弘，劉繼英. 冷彎成型技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]B.W. Schafer，T. Peko¨z. Computational modeling of cold-formed steel： characterizing geometric imperfections and residual stresses[J]. Journal of Constructional Steel Research，1998，47：193–210.