型材拉彎成形過程的參數化有限元建模方法

張學廣

（中車長春軌道客車股份有限公司工程規劃發展部，130062，長春∥工程師）

近年來，型材因其具備重量輕、強度高及成形性好的優勢，在軌道交通車輛車體結構件中得到了廣泛使用［1］。拉彎工藝是型材的主要成形方式，成形效果與拉彎過程中的加載參數密切相關。受材料、工藝及設備等眾多因素的影響，成形后型材常出現截面畸變、扭曲及精度不足等缺陷［2-4］。在實際生產中，工件試制之前一般多通過數值仿真方式進行工件成形模擬，以達到先期預測工件成形缺陷的目的，并針對性地調整工件拉彎成形工藝參數［5］。因此，拉彎成形過程的有限元模型的準確性與適用性，對于分析工件的成形效果具有決定性作用。

1　型材拉彎成形

型材實際生產中多選用張壁式拉彎機，主要結構包括工作臺、機架、雙側轉臂、拉伸缸、夾鉗等，其結構如圖1所示。張壁式拉彎機原理是將拉彎胎固定在工作臺上，依靠拉彎機兩側轉臂旋轉帶動型材繞模具轉動，實現工件成形。在進行拉彎時，首先將型材放在臺面上，兩端由夾鉗夾緊，啟動拉伸缸，型材開始進行預拉伸，達到屈服極限；隨后進行包覆拉伸，轉臂在油壓缸拉桿作用下繞臺面開始旋轉，實現邊拉伸邊彎曲；最后機床上的液壓缸停止運作，型材只在拉伸缸的作用下進行補拉。

圖1　張壁式拉彎機結構示意圖

2　型材拉彎建模方法

在型材成形過程的有限元模擬中，多采用預拉-彎曲-補拉（P-M-P）方式將工件的成形過程分解為3個獨立的階段，通過調控夾鉗的軌跡實現型材拉彎成形［6］。在整個成形過程的仿真中，只需要根據工件目標形狀、預拉量、補拉量3個參數即可計算出每個階段結束時夾鉗的空間坐標，并結合夾鉗的拉伸速度和轉臂旋轉速度實現整個成形過程中夾鉗軌跡的跟蹤［7-8］。

這種方式的優勢是可適用于不同目標形狀和尺寸的型材成形，只需通過幾何尺寸計算即可獲取加載軌跡，建模過程簡便。然而，此方式和型材的實際生產加工方式存在一定差別。首先，在P-M-P方式分析中，型材彎曲階段只發生純彎曲，忽略了彎曲貼模過程中夾鉗的拉伸作用，而實際生產中夾鉗對型材作用為邊彎曲邊拉伸；其次，P-M-P方式分析一般假定夾鉗的拉伸和旋轉中均為勻速加載，而實際生產中，型材在彎曲貼模階段，為減小卸載回彈量，多根據工件的圓弧半徑設定非均勻的拉伸量和旋轉量，這種工況會導致P-M-P方式分析中夾鉗軌跡計算及其復雜［9-10］。

由于P-M-P方式分析中夾鉗的運動軌跡和實際生產中夾鉗的運動軌跡存在一定差異，導致有限元模擬的精度難以保證。因此，建立一種便捷、精確的參數化有限元模型，對于型材拉彎成形效果的分析和預測具有重要意義。

3　拉彎成形參數化模型

以軌道交通車輛車頂彎梁作為研究對象，采用有限元模擬方式預測工件拉彎后成形缺陷，并優化主要工藝參數。工件的目標形狀和截面形狀如圖2所示。由圖2可以看出，工件為對稱結構，由兩段曲率半徑不同的圓弧和延長段組成。工件材質為SUS301LN不銹鋼。如圖3所示，工件主要成形缺陷為拉彎后型材截面縮口和帽檐翹曲，這些缺陷給后續的車體骨架組配工作帶來較大困難。生產中主要依賴調控拉彎過程中的型材變形量，以降低工件的回彈，并減小截面畸變。

本文采用有限元分析軟件Abaqus建立了型材拉彎的有限元模型，如圖4所示。模型中采用了梁單元簡化拉彎機的轉臂，梁一端鉸接，為了避免模擬中梁單元的變形，在材料屬性賦予時設置一個較大的彈性模量。模型中將夾鉗簡化為剛體殼，夾鉗中心點和梁共線。在夾鉗中心點和梁另一端建立轉換器連接。使用轉換器連接單元的主要優勢是可以保證在整個成形過程中夾鉗的運動始終沿轉臂方向，不受轉臂運動的影響，從而可以實現貼模過程中型材的邊拉邊彎。

圖2　車頂彎梁工件的目標形狀

圖3　車頂彎梁工件的主要成形缺陷

圖4　車頂彎梁工件的拉彎成形有限元模型

在有限元仿真中，使用梁的旋轉等效拉彎機轉臂的運動，使用連接器單元的運動等效夾鉗的運動。則有限元模型中，只需設置梁的轉角和連接器的位移兩個參數，無需計算夾鉗在整個成形過程中的空間坐標。

4　模型驗證

為了驗證本文建立的型材拉彎成形過程參數化有限元仿真模型的適用性和準確性，選用P-M-P方式分析的仿真結果及試驗結果與參數化有限元模型仿真結果進行對比。在有限元模擬中設置了不同的拉彎工藝參數，并對比了工件成形后的成形缺陷。

由于實際生產中主要依賴調控拉彎過程中的拉伸量抑制產品的工藝缺陷，因此在有限元模擬中，依據生產經驗，設置了4組不同的拉伸量。并以成形后工件的回彈量、縮口量和翹曲量作為量化指標。不同拉伸量下的工件成形后的工藝缺陷如表1所示。

由表1可以看出，隨著拉伸量的增加，工件成形后的塑性變形量增加，工件成形后的回彈量呈現降低趨勢，同時，工件的縮口量和翹曲量均增加。有限元模擬結果和試驗結果呈現一定的差異。文中定義了偏差比δi，用于衡量仿真結果的準確性：

表1　不同工藝參數下車頂彎梁工件拉彎工藝缺陷

式中：

si——工藝參數為i的仿真結果；

ei——工藝參數為i的試驗結果。

對上述偏差比進行數理統計可知，P-M-P方式的仿真結果平均偏差比為28.9%，參數化模型的平均偏差比為10.8%。結果表明：相比于采用P-M-P模型進行型材拉彎成形仿真，采用本文中提出的參數化模型可以降低仿真偏差，模擬結果更接近試驗結果。

5　結語

提出了一種基于連接器單元的型材拉彎成形模擬方法，通過定義型材拉彎過程中的伸長量，實現了拉彎過程中的邊拉邊彎有限元模式。相較于傳統的P-M-P模型，該模型可以避免有限元建模過程中夾鉗軌跡的計算，簡化了有限元仿真模型的建立過程。以軌道車輛車頂彎梁為例，采用該模型驗證了不同工藝參數下工件的成形效果，仿真結果和試驗數據貼合。本項研究成果在結構件制造領域具有一定的工程應用價值。

［1］金朝海，周賢賓，刁可山，等.鋁合金型材拉彎成形回彈的有限元模擬［J］.材料科學與工藝，2004，12（4）：394.

［2］CLAUSERN A H，HOPPERSTAD O S，LANGSETH M.Stretch bendingofaluminumextrusions：Effectofgeometryandalloy［J］.JournalofEngineeringMechanics，1999，125（4）：392.

［3］王勝滿.用于地鐵車輛的不銹鋼型材拉彎成形缺陷［J］.吉林大學學報（工學版），2013（6）：1546.

［4］谷諍巍，劉化民，劉玉梅，等.不銹鋼型材拉彎成形工藝模擬研究［J］.模具工業，2006，32（8）：42.

［5］劉志軍，金朝海，李東升，等.基于PSBPD的T型材拉彎夾鉗加載軌跡設計及有限元模擬［J］.塑性工程學報，2012，19（6）：109.

［6］李小強，周賢賓，金朝海，等.基于有限元模擬的三維型材拉彎軌跡設計［J］.航空學報，2009，30（3）：544.

［7］李小強，周賢賓，金朝海，等.型材拉彎數值模擬夾鉗邊界條件的一種等效模型［J］.塑性工程學報，2009，16（1）：64.

［8］劉天驕，王永軍，夏曉嬌，等.型材拉彎數值模擬軌跡建模方法［J］.鍛壓技術，2014，39（7）：132.

［9］HOPPERSTAD O S，LEIRA B J，REMSET H S，et al.Reliability-based analysis of a stretch-bending process for alumini-m extrusions［J］.Computers&Structures，1999，71（1）：63.

［10］金朝海，周賢賓，谷諍巍，等.基于位移控制的型材2D張臂式拉彎加載軌跡設計及數控代碼生成［J］.塑性工程學報，2009，16（2）：66.