ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

冷彎成形是通過順序配置的多道次成形軋輥,把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進(jìn)行橫向彎曲,以制成特定斷面型材的塑性加工工藝。冷彎成形是一種節(jié)材、節(jié)能、高效的金屬板料成形新工藝、新技術(shù)。利用這一工藝,不但可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的型鋼產(chǎn)品,而且能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期、提高生產(chǎn)效率,從而提高企業(yè)的市場競爭力。

近些年來,冷彎型鋼產(chǎn)品作為重要的結(jié)構(gòu)件在建筑、汽車制造、船舶制造、電子工業(yè)及機(jī)械制造業(yè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其產(chǎn)品從普通的導(dǎo)軌、門窗等結(jié)構(gòu)件到一些為特殊用途而制造的專用型材,類型極其廣泛,如圖1所示。由于工藝特點(diǎn),冷彎型鋼制品具有熱軋產(chǎn)品所不具有的較高表面光潔度和尺寸精度,因此冷彎型鋼代替熱軋型鋼可以取得既節(jié)約鋼材又節(jié)省能源的雙重效果。

ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用abaqus有限元分析案例圖片2

圖1 冷彎成形產(chǎn)品

隨著科技的發(fā)展,許多CAD/CAE軟件的出現(xiàn)為冷彎成形工藝的研究提供了強(qiáng)有力的支撐,除了通用的ANSYS、ABAQUS等有限元軟件外,還有COPRA、PROFIL等專門用于冷彎成形的專用軟件,本文以ABAQUS有限元軟件為例,結(jié)合筆者自身做過的實(shí)例,簡述其在冷彎成形中的應(yīng)用。

有限元模型的建立

輥彎成形的數(shù)值仿真方法主要有靜力隱式有限元法和動力顯式有限元法兩種。輥彎成形特別是多道次輥彎成形的有限元模型規(guī)模大、邊界條件復(fù)雜,使用靜力隱式有限元法存在占用內(nèi)存多和迭代收斂的問題。而動力顯式算法不涉及復(fù)雜的求解收斂問題,占用內(nèi)存少,易于實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模計算。所以大多數(shù)文獻(xiàn)采用動力顯式有限元法。

材料模型

板料選擇變形殼平面,以SAE 1020優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼為例,真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)塑性應(yīng)變曲線如圖2所示。在單向拉伸/壓縮試驗中得到的數(shù)據(jù)通常是以名義應(yīng)變和名義應(yīng)力表示的,其計算公式為:

εnom=(Δl/l0)σnom=F/A0

其中,Δl是試樣的變化量;l0是試樣的初始長度;F是載荷;A0是試樣的初始截面面積。

為了準(zhǔn)確地描述大變形過程中截面面積的改變,需要使用真實(shí)應(yīng)變εtrue(又稱對數(shù)應(yīng)變)和真實(shí)應(yīng)力σture,它們與名義應(yīng)變εnom和名義應(yīng)力σnom之間的換算公式為:

ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用abaqus有限元分析案例圖片3

材料厚度(殼厚度)和密度根據(jù)實(shí)際情況自行輸入。材料模型可以選擇常用的彈塑性模型,且各向同性,也可以根據(jù)材料實(shí)際情況,選擇各向異性。

為了節(jié)省計算時間,軋輥通常使用三維解析剛體,剛體參考點(diǎn)為軋輥形心。SAE1020真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)塑性應(yīng)變曲線如圖2所示。

ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用abaqus有限元分析案例圖片4

圖2 SAE1020真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)塑性應(yīng)變曲線

網(wǎng)格劃分

對于殼單元S4R,可以采用Quad-dominated選項控制單元形狀,即網(wǎng)格中主要使用四邊形單元,但在過渡區(qū)可以使用三角形單元,這樣可以更容易實(shí)現(xiàn)從粗網(wǎng)格到細(xì)網(wǎng)格的過渡。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(Structured)適合形狀簡單的幾何區(qū)域,對于冷彎成形的板料尤為適合,所以應(yīng)該優(yōu)先采用此種網(wǎng)格劃分技術(shù)。

彎角部分的橫向彎曲在冷彎成形中尤為重要,所以對彎角部分區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,同時可以增大邊部和中間部位的網(wǎng)格尺寸,這樣可以在保證計算精度的同時提高計算效率,如圖3所示。

ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用abaqus有限元技術(shù)圖片5

圖3 網(wǎng)格劃分

邊界條件

由于采用對稱建模,在板料對稱線上采用對稱邊界條件。為了防止板料在成形初期發(fā)生大幅擺動或跑偏,可以在初期為板料添加位移約束。

然而,為了實(shí)現(xiàn)板料的成形,可以采用多種邊界條件約束軋輥:⑴為軋輥添加旋轉(zhuǎn)位移約束;⑵為軋輥添加旋轉(zhuǎn)速度約束;⑶固定軋輥,為板料添加位移約束;⑷固定軋輥,為板料添加速度約束。

為了實(shí)現(xiàn)更加可靠的接觸,有些時候,可以先將上下輥分離,等板料到達(dá)該道次時,再將下成形輥移動到正確位置,之后板料再繼續(xù)前進(jìn)。如圖4所示,三、四道次的下成形輥與上輥為分離狀態(tài)。

ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用abaqus有限元技術(shù)圖片6

圖4 下成形輥與上輥為分離狀態(tài)

質(zhì)量縮放

準(zhǔn)靜態(tài)分析或某些動態(tài)分析中,少數(shù)尺寸較小的單元控制穩(wěn)態(tài)時間增量,為提高計算效率,ABAQUS/Explicit常采用質(zhì)量縮放的方法。質(zhì)量縮放可用于縮放整個模型,單個單元或單元組的質(zhì)量,也可以用在多步分析中,縮放每個分析步中的質(zhì)量。

常用于判斷質(zhì)量縮放后的模型是否符合準(zhǔn)靜態(tài)分析的方法是能量準(zhǔn)則,即在材料成形過程中變形體的動能不應(yīng)大于內(nèi)能的5%~10%,最好是在內(nèi)能的5%以內(nèi)。

模擬結(jié)果分析

能量比例

查看模型動能與內(nèi)能結(jié)果,如圖5所示。結(jié)果表明,除了初始階段二者都很小,比較接近以外,其余部分的動能內(nèi)能之比都在5%以下,所以結(jié)果具有一定的可信度。

ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用abaqus有限元技術(shù)圖片7

圖5 動能與內(nèi)能

縱向應(yīng)變

縱向應(yīng)變是冷彎成形工藝中十分重要的一個觀測結(jié)果。從上世紀(jì)七八十年代開始,國外就有文獻(xiàn)通過應(yīng)變片測量冷彎成形過程中邊部的應(yīng)變,作為對產(chǎn)品缺陷的重要影響因素加以研究和探討,近年來,隨著科技的發(fā)展,三維非接觸式光學(xué)測量應(yīng)變的技術(shù)更是應(yīng)用到了冷彎成形工藝。

由于冷彎成形工藝自身特點(diǎn),板料邊部和中間部位在成形過程中所“走過”的路徑不同。在道次間橫向彎曲的過程中,板料邊部在上升或下降的過程中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變,而到達(dá)道次后,板料邊部又會發(fā)生一定的壓縮,應(yīng)變隨之下降,出現(xiàn)波峰現(xiàn)象,如圖6中紅線所示;與邊部相反,板料腹部材料沒有大幅度的拉伸,受到邊部拉伸的影響,會出現(xiàn)壓縮應(yīng)變,如圖6中藍(lán)線所示。

ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用abaqus有限元技術(shù)圖片8

圖6 縱向應(yīng)變

回彈分析

板料成形之后,可以提取橫截面節(jié)點(diǎn)(圖7)的豎直位移數(shù)據(jù)(圖8),從而得到該截面的輪廓,通過觀測可以得到成形后的立邊角度,與設(shè)計值相比,得到回彈偏差。

ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用abaqus有限元資料圖片9

圖7 橫截面節(jié)點(diǎn)

ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用abaqus有限元資料圖片10

圖8 節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)

結(jié)論

本文從材料模型、邊界條件、質(zhì)量縮放、網(wǎng)格劃分以及結(jié)果分析等方面簡要論述了ABAQUS顯式動力學(xué)在冷彎成形中的應(yīng)用,結(jié)果表明,ABAQUS顯式動力學(xué)可以用來研究冷彎成形過程中各工藝參數(shù)的影響以及預(yù)估產(chǎn)品質(zhì)量,對實(shí)際生產(chǎn)具有十分重要的指導(dǎo)作用。

——節(jié)選自《鍛造與沖壓》2016年第22期

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才