非均勻厚壁管料彎折成形及缺陷仿真分析*

牟淑志，杜春江

(1.金陵科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

0 引 言

彎管成形涉及到復(fù)雜的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題，力學(xué)過程非常復(fù)雜，單純采用傳統(tǒng)的理論解析方法難以準(zhǔn)確可靠地解決生產(chǎn)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題[1]。

目前在實(shí)際生產(chǎn)中，彎折結(jié)構(gòu)大多都是采用“試錯(cuò)法”[2]，對(duì)于彎曲成形中出現(xiàn)的問題(如起皺、延伸量和回彈等)，只能通過簡單的成形極限規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)來估計(jì)，由于事先很難準(zhǔn)確估計(jì)出這些可能出現(xiàn)的問題，需要花費(fèi)大量的時(shí)間來試驗(yàn)調(diào)試，造成時(shí)間上和人力物力上的極大消耗。借助于成熟的有限元分析軟件對(duì)管材折彎過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，可以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問題，極大地縮短試驗(yàn)研制周期，有效降低研發(fā)成本[3～5]。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者采用有限元法對(duì)彎管成形及回彈進(jìn)行了仿真[6]，分析了彎管成形的影響因素[7]，很好地指導(dǎo)了工程設(shè)計(jì)。

本文基于通用顯式有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，對(duì)研發(fā)的某大型發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)子線圈使用的管料彎折成形設(shè)備彎折成形及回彈進(jìn)行仿真分析，為該彎折設(shè)備方案設(shè)計(jì)提供參考。

針對(duì)在彎折設(shè)備在調(diào)試過程中出現(xiàn)的管料異常變形和彎折扭曲等問題，筆者將基于仿真分析探討采用雙上模結(jié)構(gòu)取代原來的單上模結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整雙上模之間的不同跨距方式消除彎折缺陷的可行性，為相關(guān)問題的解決及數(shù)控管線成形設(shè)備的調(diào)試和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 彎折成形設(shè)計(jì)基本原理

某彎折成形設(shè)備采用無模彎曲成形技術(shù)，即只有一副通用的折彎模具，通過調(diào)整不同的折彎參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)各種曲率的管材的折彎。

在單一品種管料彎折過程中，通過一段段多次彎折的折線來逼近所需要圓弧曲線，多邊形的邊越多，則與理論圓弧的誤差越小。

某彎折成形設(shè)備基本工作原理如圖1所示。

圖1 某彎折成形設(shè)備基本工作原理

多次彎折成形后的管料如圖2所示。

圖2 典型彎折后的管料

2 彎折成形仿真

2.1 彎折成形仿真建模

針對(duì)該彎折設(shè)備多次順序彎折成形的工作原理，本研究以單次彎折成形及回彈作為研究對(duì)象開展了仿真分析。彎折成形有限元建模中忽略上下沖壓模具和夾具的變形，采用殼單元和剛性材料來模擬，考慮到彎折變形后各部分壁厚產(chǎn)生不規(guī)則變化，采用精細(xì)六面體實(shí)體單元來模擬管料。

為減少計(jì)算規(guī)模，本研究對(duì)管料只截取其發(fā)生作用的相關(guān)部位進(jìn)行了仿真。

建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 彎折成形有限元模型

為提高仿真計(jì)算的精度，本研究對(duì)管料本體取樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，獲得了材料的真實(shí)屬性，并在此基礎(chǔ)上采用雙線性彈塑性材料模型進(jìn)行模擬。

材料參數(shù)如表1所示[8]。

表1 試驗(yàn)獲得的材料基本力學(xué)性能參數(shù)

2.2 彎折成形仿真

彎折模擬的基本過程為：

下壓模和下模固定不動(dòng)，上壓模先向下運(yùn)動(dòng)夾住管材，然后上模向下運(yùn)動(dòng)直到行程終了；回彈模擬采用靠模回彈方法，即在成形結(jié)束后，以一定的速度逐步將上模和上壓模向上運(yùn)動(dòng)直至模具與管料完全脫離接觸。

沖壓及回彈過程中作用在上模和上壓模上的接觸反力如圖4所示。

圖4 上模及上壓模上的載荷

曲線1和3分別為沖壓及回彈過程中作用在上模和上壓模上的接觸反力，可以看到隨著沖壓行程的增大，作用在上模和上壓模上的接觸反力逐漸增大，在5.5 ms沖壓行程終了時(shí)達(dá)到最大值16.4 kN，此后隨著上模和上壓模的卸載，接觸反力逐漸減小，直到上模、上壓模與成形后的管料脫離接觸，接觸反力減少到0。從接觸反力的變化歷程中可以看出，沖壓過程中所需要的上模上的最大沖壓力為16.4 kN，該值可為折彎機(jī)傳動(dòng)鏈參數(shù)的設(shè)計(jì)提供參考。

彎折過程中管料上的應(yīng)力分布如圖5所示(管料上應(yīng)力值較大的局部區(qū)域存在明顯的非彎折變形問題)。

圖5 管料上的應(yīng)力分布

3 彎折成形缺陷分析及仿真

針對(duì)單上模彎折后管料出現(xiàn)的(圖5所示)局部應(yīng)力過大及彎折后管料發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形問題，本研究以簡單直管管料作為研究對(duì)象，探討將原來的單個(gè)上模改變?yōu)榭缇嗫烧{(diào)整的雙上模結(jié)構(gòu)來消除局部非正常變形的可行性，并在此基礎(chǔ)上，基于仿真分析研究通過調(diào)整雙上模之間的跨距來消除彎折扭轉(zhuǎn)問題。

3.1 單雙模問題

本研究以典型的直管彎折作為研究對(duì)象，分別對(duì)初始的單模彎折和改進(jìn)后的雙模彎折進(jìn)行仿真分析。與單個(gè)上模的工作方式不同，雙上模結(jié)構(gòu)中上模1先向下運(yùn)動(dòng)壓緊管料后，上模2再開始向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行管料的彎折。

單個(gè)上模彎折過程應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 單個(gè)上模彎折過程應(yīng)力分布

雙上模彎折成形過程應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 雙上模彎折過程應(yīng)力分布

云圖上的應(yīng)力超過屈服應(yīng)力的區(qū)域?yàn)檫M(jìn)入塑性變形的部位。在單上模彎折成形過程中，單上模與下模之間的管料應(yīng)力分布未呈現(xiàn)明顯的管料彎曲應(yīng)力分布狀態(tài)(管料上、下表面應(yīng)力分布關(guān)于中性面近似對(duì)稱)，將導(dǎo)致壓縮變形大于彎曲變形，且與彎折成形方案設(shè)計(jì)的3點(diǎn)彎折成形理念不相符，從而導(dǎo)致成形異常，且左端管料夾緊段出現(xiàn)較大范圍的塑性變形區(qū)域，在彎折設(shè)備的多次成形過程中將嚴(yán)重影響前面已彎折部分彎折角度及成形質(zhì)量。

而在圖7所示的雙上模(上模1和上模2)彎折成形過程中，雙上模與下模之間的管料呈現(xiàn)明顯的彎曲應(yīng)力分布狀態(tài)，與方案設(shè)計(jì)的彎折理念相符，且管料左端夾緊段的應(yīng)力水平明顯降低，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，可有效減少夾緊端非正常變形對(duì)后續(xù)彎折工序的影響。因此從仿真結(jié)果對(duì)比來看，采用雙上模結(jié)構(gòu)可以很好地解決彎折成形異常問題，明顯提升管料彎折成形的質(zhì)量。

3.2 彎折扭曲問題

針對(duì)彎折后的管料發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)變形問題，本研究對(duì)初始方案、上模1向后移動(dòng)15 mm(改進(jìn)方案一)、上模2向前移動(dòng)10 mm(改進(jìn)方案二)、上模2向前移動(dòng)20 mm(改進(jìn)方案三)和上模1和下模均向前移動(dòng)10 mm加上模2向前移動(dòng)20 mm(改進(jìn)方案四)進(jìn)行了仿真及對(duì)比分析。

以管料末端沿寬度方向左右兩個(gè)頂點(diǎn)的變形量差值作為衡量管料扭轉(zhuǎn)的參考，成形過程中管料末端的扭轉(zhuǎn)變化如圖8所示。

圖8 不同改進(jìn)方案下的扭曲變形比較

從圖8中曲線對(duì)比中可以看出：改進(jìn)方案一將上模1向后移動(dòng)后，扭轉(zhuǎn)變形更為嚴(yán)重；改進(jìn)方案二和改進(jìn)方案三將上模2向前移動(dòng)可明顯改善扭轉(zhuǎn)變形；改進(jìn)方案四將底模和副模均向前移動(dòng)10 mm，主模向前移動(dòng)20 mm后，管料的彎折后的扭轉(zhuǎn)變形非常小，可以忽略不計(jì)。

另外，從初始方案和改進(jìn)方案四彎折過程中管料上的應(yīng)力分布可以看出，改進(jìn)后的雙上模結(jié)構(gòu)在彎折過程中的應(yīng)力值較大部位均產(chǎn)生在設(shè)計(jì)的彎折區(qū)域，分布更合理。

4 結(jié)束語

本研究通過對(duì)某大型發(fā)電設(shè)備用銅銀合金矩形截面厚壁管料彎折設(shè)備的彎折成形進(jìn)行了仿真分析，獲得了彎折過程中的彎折力、管料的應(yīng)力及變形情況；針對(duì)調(diào)試過程中該彎管設(shè)備在管料彎折中出現(xiàn)的管料異常變形、彎折扭曲等問題，筆者基于仿真探討了采用雙上模結(jié)構(gòu)取代原來的單上模結(jié)構(gòu)、通過調(diào)整上上模之間的不同跨距方式消除彎折缺陷的可行性。

仿真結(jié)果表明：采用雙上模結(jié)構(gòu)，通過合理調(diào)整模具間距、壓頭位置可以很好地解決局部非彎折變形問題及扭曲問題，為該彎管設(shè)備的調(diào)試和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要參考。