基于ABAQUS有限元仿真的L型材滾彎成型過程分析

王涵

（長安大學，西安 710000）

0 引言

滾彎是指在滾輪施加彎矩的作用下，坯料逐漸被彎曲成型的工藝過程[1]。型材滾彎成型被廣泛應用于鈑金零件的彎曲成型過程中。在飛機生產過程中，滾彎成型主要用于框肋、長桁、緣條等承力零件的成型。這些零件的尺寸精度和結構強度等因素會對飛機的氣動外形和承載能力產生重大影響。因此，對滾彎成型過程的研究，有利于解決成型過程中的回彈問題，避免質量缺陷，對提高飛機零件質量具有重要意義。

滾彎成型設備主要有輥式滾彎機、靠模式輥式滾彎機、數控滾彎機、柔性滾彎機，本次仿真分析以MC4P431IAS三維四輥數控滾彎機為原型建模，分析滾彎成型過程。

1 ABAQUS建模仿真

ABAQUS具有的強大計算功能和廣泛仿真性能，被列為國際最先進的大規模通用有限元計算及分析軟件之一。從簡單的線性分析到復雜的非線性問題都可用其解決[2]。它可以用來分析典型工程材料的性能，解決結構應力和位移等問題，還可以應用在熱、電、聲學等領域，例如熱傳導、熱電耦合分析、聲學分析等[3]。本文使用Abaqus軟件的7步前處理工序來進行建模和仿真分析，如圖2所示。

圖1 滾彎成型

圖2 Abaqus前處理工序

1.1 Part模塊

分別為型材、上滾輪、下滾輪、左滾輪、右滾輪創建三維模型，上滾輪半徑設為120 mm，下滾輪、左滾輪、右滾輪半徑設為220 mm。由于研究的是型材的變形過程，滾輪的變形忽略不計，所以本次仿真型材模型的類型設定為可變形實體，滾輪的類型為離散剛體殼單元，同時為4個滾輪分別創建參考點。

1.2 Property模塊

創建材料為鋁鋰合金，設置截面屬性。根據屈服應力和塑性應變的對應關系，在材料性能欄中分行輸入其變化數值，并賦予型材。4個滾輪均為剛體，不需要賦予材料屬性。

1.3 Assembly模塊

將L型材與4個滾輪按照實際加工方式裝配在一起。

1.4 Step模塊

圖3 裝配模型

型材的滾彎變形分為2個階段。第一階段屬于連續加載和彎曲，型材在初始狀態為彈性彎曲，然后隨著材料靠近上滾輪中心，彎曲力矩逐漸增大，進入塑性彎曲狀態[4]。第二階段是連續卸載和回彈，型材在上滾輪中心線處彎矩最大，離開上滾輪后便會發生回彈。因此除Initial分析步外，還需要再創建2個分析步。由于ABAQUS/Explicit在處理包括改變接觸條件的高度非線性問題時非常有效，它能夠求解很復雜的接觸問題，而且在求解過程中不需要迭代計算，不存在收斂問題，所以分析步的類型選擇Dynamic,Explicit。在step-1中左右兩滾輪豎直向上運動一段距離，使型材發生塑性彎曲，在step-2中上下滾輪做驅動輪，通過摩擦帶動型材向前運動，型材通過摩擦力帶動左右滾輪運動。

1.5 Interaction模塊

1）定義Interaction Property類型為Contact，切向摩擦力用罰函數表示，且將摩擦因數設為0.15。

2）創建Surfaces用于放置接觸表面。分別創建上滾輪、下滾輪、左滾輪、右滾輪與型材之間的接觸。

3）為4個滾輪（離散剛體）創建坐標軸。由于左右滾輪角速度是通過與型材之間的摩擦作用產生的，因此需要在此模塊下的special選項賦予上滾輪質量慣性和轉動慣性，從而實現對左右滾輪繞x軸旋轉的約束。

1.6 Load模塊

對模型進行邊界條件約束。在step-1分析步中，左右滾輪沿y軸正方向運動40 mm，其余自由度均約束為0；在step-2分析步中，上下滾輪只具有繞x軸旋轉的自由度，將其角速度設為2 rad/s，其余自由度均約束為0。

1.7 Mesh模塊

分別為型材與4個滾輪劃分單元，由于型材在拐角處的應力較復雜，因此需對截面進行分割，在拐角處局部布種，增大其單元密度。設置單元類型為C3D8R 并劃分單元。

2 有限元仿真結果

2.1 應力云圖（如圖5）

圖4 網格劃分圖

圖5 Mises應力云圖

2.2 應變能隨時間變化曲線（如圖6）

圖6 應變能隨時間變化曲線

2.3 模型動能隨時間變化曲線

通過對型材滾彎過程的仿真分析，發現型材短邊處受力及等效應變值均為最大，這是最有可能在成型過程中受損并產生質量缺陷的部位，因此在實際生產過程中應當采取相應的措施。應變能在成型過程中逐漸增加，模型動能間隔出現峰值最終趨于振蕩平衡狀態。實際滾彎過程中，當左右滾輪以恒定速度沿y軸向上運動一定距離時，動能迅速增加。當上下滾輪接觸型材開始以一定角速度旋轉時，動能再次增加。當型材與4個滾輪的線速度相同后，整個模型的動能最終趨于振蕩平衡狀態，達到一個穩定值。通過將實際型材滾彎成型過程中能量的變化與此仿真結果中整個模型動能隨時間的變化曲線對比，發現其具有相同的變化趨勢，從而證明此仿真模型可以模擬型材的實際成型過程，如圖7所示。

圖7 動能隨時間變化曲線

3 不同工藝參數對成型結果的影響

3.1 下滾輪半徑對Mises應力的影響

初始條件不變，將下滾輪半徑分別設為210、220、230 mm進行仿真，結合與周養萍[5]的實驗研究結果對比，發現在一定范圍內，隨著下滾輪半徑的減小，型材變形過程中的應力減小。因此在一定程度上調節下滾輪半徑可以使變形過程更加穩定，零件成型質量更高[6]。所以在生產加工過程中對于曲率半徑比較小的零件，可以多次成型，從而得到質量更高的零件產品。

3.2 接觸面摩擦因數對應力的影響

初始條件不變，將滾輪與型材間的摩擦因數分別設為0.10、0.15、0.20進行仿真，通過曲線的對比發現，接觸面之間的摩擦因數對最大Mises應力影響沒有明顯的規律。

3.3 不同材料對應力的影響

圖8 變滾輪半徑下最大應力單元體的應力隨時間的變化曲線

圖9 最大應力單元體最大應力隨下滾輪半徑的變化曲線與理論曲線比較圖

圖10 不同接觸面摩擦因數最大應力單元體的應力隨時間的變化曲線

圖11 最大應力單元體最大應力隨摩擦因數的變化曲線

初始條件不變，更改型材材料為鋼。通過對鋁鋰合金和鋼材料滾彎成型過程對比發現，鋁鋰合金材料的最大應力單元體最大應力比鋼材料的小很多，說明鋁鋰合金材料比強度高，鋁鋰合金型材滾彎成型困難[7]。

4 結語

圖12 不同材料下最大應力單元體的應力隨時間的變化曲線

本文利用ABAQUS有限元分析軟件，對型材滾彎過程進行建模及模擬。對滾彎后型材各位置的應力分布進行分析，發現型材短邊處是最有可能在成型過程中受損并產生質量缺陷的部位。工程實際中發現型材短邊在成型后容易發生波浪變形，需要矯正才能使用，通過對模型的分析發現，該變形主要是由成型過程中的Mises應力間隔出現峰值造成的。通過改變工藝參數，分析對成型結果的影響，發現在一定范圍內，隨著下滾輪半徑的減小，型材變形過程中的應力減小。接觸面之間的摩擦因數對最大Mises應力影響沒有明顯的規律。鋁鋰合金型材滾彎成型困難。分析結果有對提高零件質量具有參考價值，也為其它軋制工藝的有限元模擬的實現提供了借鑒。