高強方矩管冷彎成型角隅內側裂紋產生原因的數值仿真分析

陳葉清　駱海賀　劉占增

【摘 要】高強方矩管在成型生產過程中時常出現角隅內側開裂，本文采用有限元數值模擬仿真計算，對角隅內側裂紋產生的原因進行了研究。研究表明，角隅內側在整個成型過程中，有因回彈引起的拉應力，且該處的等效應力-應變曲線的流動在擠壓成型階段超過了材料的真應力-應變試驗曲線，超出了材料的塑性成型能力，因此在回彈拉應力的作用下產生裂紋。

【關鍵詞】數值模擬；冷彎成型；裂紋；高強方矩管

1. 前 言

隨著全球節能降耗和環境保護要求的不斷提高，客車輕量化已成為重要的發展趨勢。采用高強度冷彎方矩管替代普通方矩管后，可以減薄壁厚，大幅降低結構自重。然而，高強鋼由于具有強度高、延伸率低、變形大、成型反彈大等特點，因而在冷彎成型生產過程中以及用戶的二次加工過程中時常出現開裂，而且相當一部分是在管子的角隅內側開裂。進行高強方矩管冷彎成型數值仿真研究，有助于解釋高強方矩管在成型過程中產生裂紋等缺陷的原因，以及提出降低裂紋等缺陷發生概率的工藝優化改進措施。

國內外對方矩形管冷彎成型的研究主要集中在數值仿真、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]利用有限元數值仿真對方矩管局部屈曲進行了分析。此外，伊朗的M. Farzin等[2]借用有限元數值仿真工具，對于冷彎成型過程中屈曲應變極限的確定進行了探討。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生機理和解決方法對生產實踐具有很高的指導意義。美國的B.W. Schafer等[4]討論了考慮幾何缺陷和殘余應力情況下冷彎型鋼的計算模型。從國內外公開的相關文獻可以看出，在成型缺陷方面只涉及到對屈曲等缺陷數值仿真的討論，基本上沒有涉及對矩形管裂紋產生原因和預防進行討論，更談不上應用工廠的實際生產案例。

本文針對客車用高強方矩管在冷彎成型過程中角隅內側產生裂紋的現象，開展冷彎成型過程中的數值仿真研究，通過仿真模型分析裂紋產生的原因。

2. 數值仿真模型的建立及計算

高強方矩管冷彎成型數值仿真模型的確立主要根據高強方矩管的實際生產工藝流程來確定，研究模型采用的是規格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，計算仿真利用以擅長處理非線性和復雜接觸問題著稱的ABAQUS高級有限元仿真軟件。計算方法采用二維有限元數值仿真分析方法，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象。尤其對容易產生裂紋的角隅處，能方便地對其進行細節分析。

在角隅外側，整個高強方矩管冷彎成型過程中，以外圓弧處塑性應變較大的4062號單元作為典型節點讀出該點處每個成型道次回彈前和回彈后的應力，繪制出應力譜。同理，在角隅內側，整個高強方矩管冷彎成型過程中，以內圓弧處塑性應變較大的62號單元作為典型節點讀出該點處每個成型道次回彈前和回彈后的應力，繪制出應力譜。

在角隅外側，4062號單元的等效應力-應變曲線（曲線）沿材料真應力-應變曲線（曲線）的流動如圖1所示。在角隅內側， 62號單元的等效應力-應變曲線（曲線）沿材料真應力-應變曲線（曲線）的流動如圖2所示。

3. 分析與討論

關鍵節點處產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；二是該關鍵節點處存在拉應力。

從圖1和圖2可以看出，在高強方矩管整個冷彎成型過程中，角隅外側和角隅內側的應力譜特點表現為：在成型、擠壓和精整階段都存在拉壓交變應力。對于角隅外側的4062號關鍵節點，雖然該點存在拉應力，但是曲線流動并沒有超過材料曲線，因此該節點處于安全狀態，即不產生裂紋；對于角隅內側的62號關鍵節點， 曲線流動在擠壓道次超過材料曲線，而且該點在擠壓成型階段及以后的道次，存在拉應力，因此該節點產生裂紋。實際生產高強方矩管過程中，角隅外側安全，內側破裂產生裂紋，且裂紋由內向外擴展，與數值模擬仿真計算的結果一致。

4. 結 論

數值仿真計算結果表明：角隅外側雖然存在拉應力，但是該處的等效應力-應變曲線的流動在整個成型階段沒有超過材料的真應力-應變試驗曲線，材料的塑性成型能力還保留著，能抵抗該處的拉應力。因此，角隅外側不產生裂紋。而角隅內側在整個成型過程中，有因回彈引起的拉應力，且該處的等效應力-應變曲線的流動在擠壓成型階段超過了材料的真應力-應變試驗曲線，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，因此在回彈拉應力的作用下產生裂紋。

參考文獻：

[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[M]. 北京：化學工業出版社，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.