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2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
鑒于ANSYS自有的APDL參數(shù)化功能和冷彎成型的特點(diǎn),利用ANSYS平臺(tái)的開(kāi)發(fā)環(huán)境,結(jié)合冷彎板料成型規(guī)律,建立了彈塑性大變形有限元模型并采用動(dòng)力顯式算法對(duì)冷彎成型過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算分析,實(shí)現(xiàn)了在ANSYS界面下輸入預(yù)設(shè)輥花參數(shù),就可得到冷彎變形后板料的等效塑性應(yīng)力應(yīng)變,據(jù)此判斷冷彎輥花設(shè)計(jì)是否合理,并給出修正建議,進(jìn)行優(yōu)化。
作者: 白亞斌*李立新*賀方平 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: CAE ANSYS APDL 輥花設(shè)計(jì) 等效塑性應(yīng)變
冷彎成型是板料深加工的一個(gè)重要領(lǐng)域。它是由多段具有一定表面形狀軋輥所組成的成型機(jī)組對(duì)坯料逐步進(jìn)行彎曲變形,從而得到均勻截面產(chǎn)品的塑性加工方法。至今為止,冷彎成型技術(shù)已得到長(zhǎng)足的發(fā)展。然而,由于其成型過(guò)程中幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和材料學(xué)等方面的復(fù)雜性,冷彎成型仍是一門經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工程技術(shù)。
輥花設(shè)計(jì)作為冷彎型鋼孔型設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容在冷彎成型技術(shù)中占有重要地位。在一定的軋機(jī)負(fù)荷強(qiáng)度下,對(duì)于相同的基本輥徑,如何使得板料各個(gè)道次的變形均勻是輥花設(shè)計(jì)的重要目的。它的成功與否,直接影響著最終型材斷面尺寸精度和變形缺陷的產(chǎn)生,也影響著后續(xù)的軋輥設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本和加工周期。
利用動(dòng)力顯式有限元法對(duì)冷彎成型過(guò)程進(jìn)行仿真,從而判斷輥花設(shè)計(jì)是否合理是較好的選擇。ANSYS是一個(gè)多用途、功能強(qiáng)大的有限元分析軟件。利用其二次開(kāi)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)通過(guò)界面輸入預(yù)設(shè)輥花參數(shù),建立冷彎成型的有限元模型,并調(diào)用LSDYAN求解器對(duì)其全過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算分析,可得到板料的等效塑性應(yīng)力應(yīng)變等,據(jù)此判斷輥花參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理,對(duì)輥花進(jìn)行優(yōu)化。
1 冷彎成型有限元模擬參數(shù)和流程
冷彎成型過(guò)程中,板材依次經(jīng)過(guò)布置在成型方向上的成型軋輥,由平面逐漸連續(xù)地彎曲成所需要的各種截面。運(yùn)用ANSYS/LSDYNA對(duì)其成型過(guò)程進(jìn)行有限元模擬,即輸入初設(shè)的冷彎輥花的配輥參數(shù),建立有限元模型進(jìn)行分析。以槽鋼為例,模擬時(shí),采用的鋼種為Q235,板料尺寸8mm×682mm,成品彎曲半徑為34mm,彎曲角度為77.1°?？紤]到回彈,設(shè)計(jì)初始輥花圖(圖1)及冷彎成型輥花參數(shù)(表1)。
圖1 槽鋼冷彎成型輥花
表l 槽鋼初始冷彎輥花圖中性面參數(shù)
ANSYS參數(shù)化APDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)冷彎過(guò)程參數(shù)化建模分析及輸出板料塑性應(yīng)力應(yīng)變分析的流程見(jiàn)圖2。
圖2 程序分析流程圖
2 冷彎成型有限元模型的建立
在ANSYS界面下,點(diǎn)擊工具欄CHANNEL按鍵,后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行CHANNEL.MAC文件,進(jìn)行參數(shù)的初始化。通過(guò)輸入坯料寬度、厚度及力學(xué)性能參數(shù)如屈服強(qiáng)度、楊氏模量等,建立板料的模型。通過(guò)輸入每個(gè)道次的彎曲邊長(zhǎng)、彎曲半徑及角度建立軋輥的模型。
模擬時(shí),板料材料選模型為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN),此材料模型包含有Bauschinger效應(yīng),它適用于Von Misses屈服準(zhǔn)則。
由于板料和軋輥都具有對(duì)稱性,為了節(jié)約計(jì)算成本和存儲(chǔ)空間,取其一半進(jìn)行模擬分析,考慮到板料在道次間變形,機(jī)架軋輥間距為800mm,給定板料的長(zhǎng)度為1000mm。軋輥?zhàn)鳛閯傂越佑|體定義,單元采用SHELL163,通過(guò)軋輥的外圓面來(lái)代替整個(gè)軋輥,這樣減少了有限元單元的數(shù)量,能縮短計(jì)算所用機(jī)時(shí)。
定義接觸時(shí),由于板料與各個(gè)軋輥之間處于不斷的接觸、分離、再接觸的變化之中,是一個(gè)非常復(fù)雜的邊界非線性問(wèn)題。因此板料與軋輥之間的接觸采用自動(dòng)面面接觸(ASTS),應(yīng)用罰函數(shù)法進(jìn)行接觸控制,罰函數(shù)系數(shù)設(shè)置為0.6,此時(shí)一旦計(jì)算時(shí)發(fā)生接觸穿透現(xiàn)象,就會(huì)施加一個(gè)很大的罰函數(shù)值使其返回到接觸面進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。板料與軋輥之間的摩擦采用的是庫(kù)侖摩擦模型,其靜動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.2及0.1。
施加載荷時(shí),對(duì)于板料來(lái)說(shuō),只需對(duì)其對(duì)稱斷面加以對(duì)稱約束。對(duì)于軋輥,除繞軸向旋轉(zhuǎn)不加約束外,其他5個(gè)自由度約束都為零。定義板料初始速度時(shí),其初始速度應(yīng)與軋輥基本輥徑處的線速度相同。軋輥只需給它施加主動(dòng)的軸向旋轉(zhuǎn)速度。例如,軋輥的角速度為2rad/s,那么把角速度乘以輥徑就是板料的初始速度。
當(dāng)設(shè)置求解時(shí),如果板料按真實(shí)的速度施加,那么計(jì)算運(yùn)行時(shí)間將是幾百小時(shí)或是上千小時(shí),這顯然不現(xiàn)實(shí)。我們可以通過(guò)增加板料的速度或通過(guò)質(zhì)量縮放等方法來(lái)減少運(yùn)行時(shí)間,但這些將減低求解精度,所以選擇合適的速度至關(guān)重要。設(shè)置完畢后,程序最終生成求解模型見(jiàn)圖3。
圖3 冷彎成型的有限元模型
3 冷彎模擬初始應(yīng)力應(yīng)變圖
分析求解完成后,可以自動(dòng)輸出處于彎曲變形區(qū)5個(gè)位置點(diǎn)(見(jiàn)圖4)隨時(shí)間變化的等效塑性應(yīng)變平均值曲線(見(jiàn)圖5),可以由每個(gè)道次的應(yīng)變?cè)龃笾蹬袛喔鞯来螐澢嵌燃皬澢霃椒峙涫欠窈侠?。從圖5中可以看出變形區(qū)上位置點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變值是隨著板料經(jīng)過(guò)每個(gè)道次時(shí)在逐漸增大。但這種增大并不是均勻的,在第四道次和第五道次時(shí)候,變形區(qū)的等效應(yīng)力增幅最大,達(dá)到0.13和0.11,分別占總變形量的26%和22%,其他道次相對(duì)較小。
圖4 板料與軋輥1相對(duì)位置及變形區(qū)位置點(diǎn)的示意圖
圖5 初始等效應(yīng)變平均值曲線圖
在一定的軋機(jī)負(fù)荷強(qiáng)度下,對(duì)于相同的基本輥徑,為了使得板料各個(gè)道次變形均勻,可以依此調(diào)整初設(shè)輥花參數(shù)值,對(duì)輥花進(jìn)行修正優(yōu)化。
4 冷彎模擬優(yōu)化后應(yīng)力應(yīng)變圖
由上分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,減少四五道次的角度和半徑的變化量,適當(dāng)分配到其他道次,修正參數(shù),得到槽鋼優(yōu)化后的冷彎輥花圖參數(shù),見(jiàn)表2。
表2 槽鋼優(yōu)化冷彎輥花圖中性面參數(shù)
重新模擬后,得到了優(yōu)化后的彎曲變形區(qū)5個(gè)位置點(diǎn)隨時(shí)間變化的等效塑性應(yīng)變平均值曲線見(jiàn)圖6?？梢钥吹皆谒奈宓来蔚牡刃?yīng)變已經(jīng)大大減少,增大量為0.06和0.09,為總應(yīng)變的14%和18%。相應(yīng)其他道次的應(yīng)變已經(jīng)增大,達(dá)到了使板料各個(gè)道次分配均勻的目的。
圖6 優(yōu)化后等效應(yīng)變平均值曲線圖
5 結(jié)語(yǔ)
在ANSYS界面下,利用ADPL語(yǔ)言初步實(shí)現(xiàn)了冷彎成型過(guò)程仿真,據(jù)此可判斷預(yù)設(shè)輥花各個(gè)道次彎曲角度及彎曲半徑分配是否合理。程序通過(guò)輸入預(yù)設(shè)輥花的參數(shù),自動(dòng)建模運(yùn)算,得出變形后的應(yīng)力應(yīng)變圖表或數(shù)值,進(jìn)而通過(guò)人工判斷和修正輥花,使得板料各個(gè)道次的變形均勻,對(duì)生產(chǎn)合格冷彎產(chǎn)品、縮短產(chǎn)品周期有著重要作用。
雖然利用ANSYS二次開(kāi)發(fā)來(lái)仿真模擬冷彎成型方法是可實(shí)現(xiàn)的,但仍存在不少問(wèn)題有待解決,如擴(kuò)大產(chǎn)品范圍、提出更好的材料模型、靈活多變的道次選取、更加合理的輥型描述等等,這些都值得在以后的工作中研究。
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