基于Abaqus的不銹鋼波紋板冷彎成形有限元分析

王秀坤

摘 要：采用Abaqus有限元分析軟件，對不銹鋼波紋板冷彎成形過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真。提取了仿真模型里零件的每個(gè)道次的應(yīng)力、應(yīng)變云圖和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變時(shí)間歷程曲線以及橫向應(yīng)變曲線。模擬結(jié)果顯示：板料在每個(gè)道次成形中，軋輥壓下的部分應(yīng)力比較集中，比較容易出現(xiàn)破裂的缺陷，成形以后板料的應(yīng)力降低；波紋板的斜面部分在輥彎成形的過程中經(jīng)歷了彎曲反彎曲的過程，并且在斜面的內(nèi)外表面存在方向相反的剪切應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：有限元 波紋板 應(yīng)力 橫向應(yīng)變

中圖分類號：TG3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（b）-0071-02

冷彎成形是一種將金屬板材或帶材通過一系列的特定形狀的軋輥組，從而成形出一定截面形狀的型材，它是一種常溫下的金屬材料成形工藝。文章建立了不銹鋼波紋板的冷彎成形有限元模型，分析了板料成形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變，為不銹鋼波紋板的生產(chǎn)過程提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

仿真方案的確立與模型的簡化：此次仿真選用的材料是SUS301L-ST不銹鋼，通過靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)獲得式樣的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變速率設(shè)置為0.001S-1。

考慮到波紋板在寬度方向上的對稱性，可以簡化模型。板料采用的是三維可變形的殼單元S4R，厚度方向上有5個(gè)積分點(diǎn)，軋輥采用的是三維解析鋼體，板料的一邊完全固定，另外一邊可以自由流動，軋輥向板料運(yùn)動，模擬整個(gè)輥彎成形過程。

由于摩擦力在輥彎成形的仿真模型中會對力能參數(shù)有所影響，卻不會影響到輥彎成形的應(yīng)力應(yīng)變，因此，模型中設(shè)置接觸面屬性為Frictionless。模型里建立一個(gè)動力顯示的分析步，并且在此分析步里施加所有軋輥參考點(diǎn)向板料運(yùn)動的位移載荷（圖1）。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力、應(yīng)變云圖分析

圖2中間部分應(yīng)力較大，這是輥彎加工的正在變形的地方，發(fā)生塑性變形所以應(yīng)力較大。

圖3的最大塑性應(yīng)變在板料的彎曲處，此處發(fā)生了塑性變形，因此變形比較明顯。圖3中板料已發(fā)生了彎曲48°的變形，可以明顯看出，下方的彎角處應(yīng)變要比上方的彎角應(yīng)變大一些，因?yàn)榘辶鲜菍ΨQ的，只采取了一半進(jìn)行模擬，把它的一端進(jìn)行了完全固定，另一端可以自由流動，所以在固定的一邊承受的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力都很大。

圖4所示的是波紋板成形后的應(yīng)力云圖，板料成形后波形的截面形狀良好，沒有輥彎成形的一些缺陷，在波紋板的彎角處應(yīng)力較為集中，最高的應(yīng)力接近材料屈服強(qiáng)度。在板料底面邊界條件完全固定的區(qū)域，應(yīng)力非常小，因?yàn)檫@部分區(qū)域在波紋板成型中未發(fā)生變形。

2.2 應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)間變化的分析

選取成形后的波形截面，依次選取底面節(jié)點(diǎn)、底面彎角節(jié)點(diǎn)、斜邊節(jié)點(diǎn)、頂部彎角節(jié)點(diǎn)4處位置，研究波形不同位置應(yīng)力時(shí)間歷程的變化。

在冷彎成形過程中，板料上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力都存在一個(gè)突然增大的現(xiàn)象，然后應(yīng)力又突然降低，而這應(yīng)力增大的時(shí)刻又對應(yīng)著每道次的輥彎成形。板料運(yùn)行到軋輥的位置，板料的前端被下軋輥抬高，然后又被上軋輥壓下，板料發(fā)生了彈塑性的變形，因此應(yīng)力較大。在板料的前端節(jié)點(diǎn)位置通過了軋輥輥縫時(shí)，應(yīng)力又會突然地下降，因?yàn)榇诉^程是一個(gè)卸載的過程，板料發(fā)生了彈性回復(fù)。比較底面節(jié)點(diǎn)、底面圓角節(jié)點(diǎn)、斜邊節(jié)點(diǎn)、頂面圓角節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線發(fā)現(xiàn)，底面節(jié)點(diǎn)和斜邊節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力都在屈服點(diǎn)以下，在板料輥彎成形的過程中只發(fā)生了彈性變形，在成形結(jié)束后應(yīng)力降低到50 MPa以內(nèi)，而彎角部分的應(yīng)力已經(jīng)明顯地超過了屈服強(qiáng)度，在板料的輥彎成形過程中發(fā)生了塑性變形，在成形以后存在著較大的殘余應(yīng)力。

波紋板斜面部分節(jié)點(diǎn)的第1層積分點(diǎn)與第5層積分點(diǎn)的剪切應(yīng)力時(shí)間歷程曲線，在板料的冷彎成形過程中，斜面部分的材料具有X、Y方向的剪切應(yīng)力，并且內(nèi)外層的剪切應(yīng)力方向相反。

3 結(jié)論

（1）通過Abaqus有限元軟件模擬波紋板冷彎成形過程，在軋輥輥壓板料的位置應(yīng)力最大，應(yīng)力集中可能會產(chǎn)生板料成形的破裂缺陷，板料在過了每道軋輥以后應(yīng)力降低。

（2）在波紋板的底面彎角和頂面彎角部分，等效塑性應(yīng)力和橫向應(yīng)變都很大，發(fā)生了塑性變形，在底面部分和斜面部分應(yīng)力和應(yīng)變都很小，基本上只發(fā)生了彈性的變形。

（3）波紋板冷彎成形過程中，斜面部分經(jīng)歷了彎曲反彎曲的過程，并且存在剪切應(yīng)力。

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