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)計中出現(xiàn)的問題[1]。

目前在實際生產(chǎn)中，彎折結(jié)構(gòu)大多都是采用“試錯法”[2]，對于彎曲成形中出現(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)驗來估計，由于事先很難準(zhǔn)確估計出這些可能出現(xiàn)的問題，需要花費(fèi)大量的時間來試驗調(diào)試，造成時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管材折彎過程進(jìn)行計算機(jī)仿真，可以在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)問題，極大地縮短試驗研制周期，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。

本文基于通用顯式有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，對研發(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)計提供參考。

針對在彎折設(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)計提供重要的理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 彎折成形設(shè)計基本原理

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)六面體實體單元來模擬管料。

為減少計算規(guī)模，本研究對管料只截取其發(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

為提高仿真計算的精度，本研究對管料本體取樣進(jìn)行了拉伸試驗，獲得了材料的真實屬性，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，上壓模先向下運(yùn)動夾住管材，然后上模向下運(yùn)動直到行程終了；回彈模擬采用靠?；貜椃椒?，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)傳動鏈參數(shù)的設(shè)計提供參考。

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象，探討將原來的單個上模改變?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象，分別對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)動壓緊管料后，上模2再開始向下運(yùn)動進(jìn)行管料的彎折。

單個上模彎折過程應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 單個上模彎折過程應(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)域為進(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)計的3點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，不會產(chǎn)生塑性變形，可有效減少夾緊端非正常變形對后續(xù)彎折工序的影響。因此從仿真結(jié)果對比來看，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

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

以管料末端沿寬度方向左右兩個頂點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中曲線對比中可以看出：改進(jìn)方案一將上模1向后移動后，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10 mm，主模向前移動20 mm后，管料的彎折后的扭轉(zhuǎn)變形非常小，可以忽略不計。

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)計的彎折區(qū)域，分布更合理。

4 結(jié)束語

本研究通過對某大型發(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)計提供了重要參考。