變截面板材腹板翹曲缺陷的影響因素研究

劉江 熊自柳 肖駿峰 吳康 孫勇

作者簡介：劉江（1998—），男，碩士學位，研究方向為變截面柔性輥壓成形工藝。

基金項目：深圳市龍華區數智化成形系統裝備協同創新平臺（深龍華科創科計字（2023）42號流水號：J10M00792305290004）；深圳市科技創新委員會（ZDSYS20210813095534001，JCYJ20210324123202008，JCYJ20210324115412035，JCYJ20220818103200001）；廣東省應用科學技術研究發展計劃（2022A1515010363，2021A1515110880）；中南大學國家重點實驗室高性能復雜制造（Kfkt2021-05）；深圳市龍華區科技創新局（J10M00792305290004） 。

參考文獻引用格式：

劉江， 熊自柳， 肖駿峰， 等. 變截面板材腹板翹曲缺陷的影響因素研究 [J]. 汽車工藝與材料， 2024（6）： 6-10.

LIU J， XIONG Z L， XIAO J F， et al. Study on Factors Influencing Warping Defects in Variable Cross-section Panel Core[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 6-10.

摘要：隨著產品更新換代的速度提高，柔性輥壓工藝受到業內廣泛關注，但由于其成形過程復雜性帶來不可避免的缺陷，針對三次彎曲曲線的變截面板材成形過程進行數值模擬仿真，研究了材料、厚度和翼板高度對翹曲的影響。結果表明，板材產生的翹曲缺陷與縱向應變有關，當縱向應變分布均勻時，翹曲缺陷最小。通過正交模擬設計分析得出影響翹曲高度的工藝參數主次順序為厚度、翼板高度、板材材料，得出結論：與鋁合金材料相比，高屈強比高強度鋼制備的翹曲高度降低，但低屈強比高強度鋼制備的翹曲高度反而增高。

關鍵詞：變截面板材 數值模擬仿真 腹板翹曲 正交試驗設計

中圖分類號：TH165? ? 文獻標志碼：B? ? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240124

Study on Factors Influencing Warping Defects in Variable Cross-section Panel Core

Liu Jiang， Xiong Ziliu， Xiao Junfeng， Wu Kang， Sun Yong

（Institute of Advanced Technology， University of Electronic Science and Technology of China， Shenzhen 457001）

Abstract： As the pace of product updates accelerates， the flexible roll forming process has garnered widespread attention within the industry. However， due to the inherent complexity of its forming process， inevitable defects arise. To address this， numerical simulation and analysis of the forming process of variable cross-section panels along a three-point bending curve were conducted， examining the impact of material， thickness， and flange height on warping. The results indicate that the warping defect in the panels is related to longitudinal strain， with the minimum warping defect occurring when the longitudinal strain distribution is uniform. Orthogonal simulation design analysis determined the primary and secondary order of process parameters affecting warping height as thickness， flange height， and panel material. The conclusion is that compared to aluminum alloy materials， the warping height is reduced when using high-strength steel with a high yield strength ratio， whereas the warping height increases when using high-strength steel with a low yield strength ratio.

Key words： Variable section plates， Numerical simulation ， Web warping， Orthogonal experimental desigh

1 前言

金屬柔性輥壓技術作為當今世界制造技術發展的前沿科技廣泛應用于包括電子元器件、新能源汽車、航空航天、軌道交通等關鍵零部件制造領域。柔性成形技術在縮短產品研發周期、縮減模具開發成本、改善構件成形性能、提高產品復雜度等方面具有顯著優勢。

Rezaei R[1]研究了柔性輥壓成形過程中彎曲曲線對腹板翹曲的影響，設計了不同的彎曲曲線，使用 Abaqus 軟件進行有限元模擬，得出過渡區的縱向邊緣應變和腹板翹曲。Jiao[2-3]首次建立了一個預測寬度可變截面柔性輥壓成型的腹板扭曲分析模型，研究腹板扭曲、縱向應變與工藝參數之間的關系。Woo Y Y[4-5]基于剛體殼概念的有限元（Finite Element，FE）模擬對3種不同形狀坯料進行了模擬，研究了柔性輥壓成形過程中邊緣起皺和縱向彎曲，對縱向彎曲高度之間的關系及形狀缺陷的發生進行了研究。王英爽[6]對三維輥壓成形中型材彎曲回彈和彈塑性失穩行為進行分析，并通過有限元仿真對型材變形行為進行了有效預測。Dadgarasl Y[7]針對3種不同形狀的坯料進行了試驗和數值分析，對材料屈服強度及板材厚度結合人工神經網絡的非優勢排序遺傳算法II得到優化柔性輥壓工藝的有效參數。孫勇等[8]提供了一個有效的數學表達式，用于分析和預測鏈模成形變截面型材的縱向塑性應變和腹板翹曲。陳曉宇[9]等通過Abaqus軟件對QP980鋼板軋輥成形過程進行定性研究與分析，為實現先進高強鋼變截面輥壓工況匹配設計與精確成形控制提供了可靠的理論依據。李一鳴[10]等針對某貨車變截面縱梁進行輥壓成形數值模擬仿真，討論了板材材料、板材厚度和翼板高度對縱梁成形后翹曲缺陷的影響。

利用Abaqus軟件對變寬度板材進行柔性輥壓有限元模擬，針對板材的材料參數及結構參數，分析各因素與成形后腹板翹曲的關系，為柔性輥壓工藝生產復雜板材提供參考。

2 有限元模型建立

2.1 變寬度板材結構參數及材料參數

在傳統輥壓成形工藝的基礎上，德國達姆施塔特工業大學提出了一種新型輥壓成形技術——變截面型材柔性多向輥壓成形技術。通過對成形輥輪的運動軌跡進行控制，可以同時在型材縱向、橫向及高度方向進行局部連續塑性變形，從而成形出所需不同大小和形狀的變截面型材構件，如圖1所示[11]。

以可變寬度板材為研究對象，板材厚度為1.2 mm，總長為972 mm，彎曲曲線為三次曲線，材料為6061鋁板，真實應力應變如圖2所示，其板材尺寸參數如圖3所示，其中軋輥運動軌跡方程為：

[y=-9.965×10-9x3+9.425×10-5x2-8.455×? ? ? ?10-2x-7.226，0≤x≤486] （1）

2.2 有限元模型的建立

將三維模型導入Abaqus軟件進行裝配，其中軋輥間距設置為420 mm，成形角度依次為12°、28°、46°、64°、82°、95°，板材網格選取C3D8R，并對成形區域進行局部細化加密，如圖4所示。

在板材成形過程中，由于軋輥的剛度遠高于板材的剛度，并且軋輥在輥壓過程中的變形非常小，因此，軋輥選用解析剛體進行建模，可以使軋輥表面更加光滑，得到更精確的接觸條件，而且無需劃分網格，從而避免分析剛體網格粗糙導致的成形精度差的問題，提高建模效率，減少計算成本。

3 仿真結果及分析

3.1 數值模擬過程介紹

變截面輥壓成形過程中，變截面輥壓型材不僅會遇到定截面輥壓型材的所有成形問題，并且會由于截面形狀連續不規則變化而使其沿高度方向受到額外的不均勻縱向變形 。翹曲缺陷的產生是翼板在成形過程中，凸弧的邊緣被壓縮、凹弧的邊緣被拉伸，導致凹凸弧的應力不同造成的。如圖6所示，在輥壓成形過程中翼板凸弧的邊緣被壓縮，凹弧的邊緣被拉伸，從而導致腹板翹曲的產生[12]。

如圖7所示，為了研究縱向應力與腹板翹曲的關系，將腹板翹曲定義為腹板與水平位置的最大高度差，其中H為水平位置。

圖8是成形件數值模擬仿真完成后的縱向應變云圖，可以觀察到縱向應變分布不均，主要集中在翼板區域。圖9是成形件數值模擬仿真完成后的腹板高度云圖，觀察到腹板翹曲現象，最大腹板翹曲高度為0.68 mm。

3.2 板材材料及結構參數對形狀缺陷的影響

3.2.1 正交模擬試驗及仿真結果

正交試驗是一種多因素設計試驗的方法，通過在試驗中對研究因素進行系統的、有組織的變化，以便更有效地了解因素對結果的影響。正交試驗的目標是通過較小數量的試驗，獲得關于多個因素及其相互作用的信息。

在正交試驗中，研究因素的變化是經過計劃和組織的，以使各種可能的因素水平組合都能得到觀察。這就意味著每個因素的每個水平都至少出現一次，并且因素水平的組合是經過選擇的，以確保因素之間的獨立性，從而更容易分析結果。

研究不同成形工藝參數對變截面輥壓成形腹板翹曲及邊波的影響，主要包括板材材料、板材厚度和翼板高度，具體參數取值見表1。其中板材材料的應力應變如圖10所示，材料的參數見表2。

根據表1的參數取值確定影響因素為屈服強度、厚度、翼板高度，每個影響因素包括3個水平，通過模擬數值仿真得到試驗結果見表3。

根據仿真結果發現，腹板翹曲高度與縱向應變有關。如圖11所示，當縱向應變分布較為均勻時，腹板翹曲高度最小。

3.2.2 結果統計分析

根據仿真得到的試驗結果獲得腹板翹曲的極差分析數據如表4所示，其中K為水平因子的總和，k為水平因子的平均值，R為最佳水平。

從極差分析結果可得到各因素對腹板翹曲的影響從大到小排序為：厚度、翼板高度、板材材料。為了更加清晰地表示出各水平因素對腹板翹曲高度的影響，以腹板翹曲高度為縱坐標，各因素水平為橫坐標繪制出影響因素與腹板翹曲高度變化的趨勢圖，如圖12所示。從圖12中可以看出，隨著材料屈服強度以及厚度的增大，板材腹板翹曲高度呈現出先下降后上升的趨勢，隨翼板高度的增加翹曲高度呈先上升后下降的趨勢。

4 結論

a.建立了變截面縱梁輥壓成形仿真模型，得到了復雜板材成形后翼板邊緣的縱向應變。結果表明，腹板翹曲與縱向應變有關，當板材沿著成形方向的應變分布較均勻時，產生的腹板翹曲缺陷最小。

b.通過對不同材料參數和結構參數的板材進行柔性輥壓成形，結果表明，板材的材料、厚度以及翼板高度都能影響腹板翹曲，通過對極差分析結果得到各因素對腹板翹曲的影響從大到小排序為：厚度、翼板高度、板材材料。

c.同等條件下，與鋁合金材料相比，高屈強比高強度鋼制備的腹板翹曲高度降低，但低屈強比高強度鋼制備的腹板翹曲高度反而增高。

參考文獻：

[1] REZAEI R， MOSLEMI N H， TAFTI R A， et al. Effect of Bend Curve on Web Warping in Flexible Roll Formed Profiles[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2017， 93： 3625-3636.

[2] JINGSI J， BERNARD R， JOSEBA M， et al. An Analytical Approach to Predict Web-Warping and Longitudinal Strain in Flexible Roll Formed Sections of Variable Width[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 2015， 90： 228-238.

[3] JINGSI J， BERNARD R， JOSEBA M， et al. An Analytical Model for Web-Warping in Variable Width Flexible Roll Forming[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2016， 86： 1541-1555.

[4] WOO Y Y， HAN S W， HWANG T W， et al. Characterization of The Longitudinal Bow during Fexible Roll Forming of Steel Sheets[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2018， 252： 782-794

[5] WOO Y Y， KO D C， LEE T， et al. Application of Support Vector Regression and Genetic Algorithm to Reduce Web Warping in Flexible Roll-Forming Process[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering， 2021， 143（3）.

[6] 王英爽. 三維輥壓成形有限元建模及工藝分析[D]. 北京： 北方工業大學， 2014.

[7] DADGAR A Y， WOO Y Y， KIM Y， et al. Non-sorting Multi-objective Optimization of Flexible Roll Forming Using Artificial Neural Networks[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2020， 107（5）： 2875-2888.

[8] 孫勇， 吳本釗， 張東星， 等. 輥沖復合成形研究現狀[J]. 塑性工程學報， 2022， 29（11）： 67-84.

[9] 陳曉宇， 陽振峰. 定模動輥變截面輥壓成形有限元仿真與應用[J]. 河南科技， 2020（7）： 41-46.

[10] 李一鳴， 焦學健， 苗艷冰， 等. 變截面輥壓成形翹曲缺陷的影響因素研究[J]. 山東理工大學學報（自然科學版）， 2023， 37（1）： 19-25.

[11] NAKATA T， TAKIGUCHI H. Flexible Roll Forming[J]. Journal of the JSTP， 2010， 51（591）： 302-307.

[12] SUN Y， ALBERT S， QIUQUAN G， et al. Flexible Metal Forming Technologies[M]. Berlin： Springer Group，2022： 161-225.