冷彎成型是板料深加工的一個重要領(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)已得到長足的發(fā)展。然而，由于其成型過程中幾何學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)和材料學(xué)等方面的復(fù)雜性，冷彎成型仍是一門經(jīng)驗性很強(qiáng)的工程技術(shù)。
    輥花設(shè)計作為冷彎型鋼孔型設(shè)計的核心內(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，對于相同的基本輥徑，如何使得板料各個道次的變形均勻是輥花設(shè)計的重要目的。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、生產(chǎn)成本和加工周期。
    利用動力顯式有限元法對冷彎成型過程進(jìn)行仿真，從而判斷輥花設(shè)計是否合理是較好的選擇。ANSYS是一個多用途、功能強(qiáng)大的有限元分析軟件。利用其二次開發(fā)功能實現(xiàn)通過界面輸入預(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求解器對其全過程進(jìn)行仿真計算分析，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)計是否合理，對輥花進(jìn)行優(yōu)化。
1 冷彎成型有限元模擬參數(shù)和流程
    冷彎成型過程中，板材依次經(jīng)過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。運用ANSYS/LSDYNA對其成型過程進(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，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°。考慮到回彈，設(shè)計初始輥花圖(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語言實現(xiàn)冷彎過程參數(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，點擊工具欄CHANNEL按鍵，后臺自動運行CHANNEL.MAC文件，進(jìn)行參數(shù)的初始化。通過輸入坯料寬度、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。通過輸入每個道次的彎曲邊長、彎曲半徑及角度建立軋輥的模型。
    模擬時，板料材料選模型為雙線性隨動強(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稱性，為了節(jié)約計算成本和存儲空間，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，給定板料的長度為1000mm。軋輥作為剛性接觸體定義，單元采用SHELL163，通過軋輥的外圓面來代替整個軋輥，這樣減少了有限元單元的數(shù)量，能縮短計算所用機(jī)時。
    定義接觸時，由于板料與各個軋輥之間處于不斷的接觸、分離、再接觸的變化之中，是一個非常復(fù)雜的邊界非線性問題。因此板料與軋輥之間的接觸采用自動面面接觸(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，此時一旦計算時發(fā)生接觸穿透現(xiàn)象，就會施加一個很大的罰函數(shù)值使其返回到接觸面進(jìn)行準(zhǔn)確的計算。板料與軋輥之間的摩擦采用的是庫侖摩擦模型，其靜動摩擦系數(shù)分別為0.2及0.1。
    施加載荷時，對于板料來說，只需對其對稱斷面加以對稱約束。對于軋輥，除繞軸向旋轉(zhuǎn)不加約束外，其他5個自由度約束都為零。定義板料初始速度時，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，如果板料按真實的速度施加，那么計算運行時間將是幾百小時或是上千小時，這顯然不現(xiàn)實。我們可以通過增加板料的速度或通過質(zhì)量縮放等方法來減少運行時間，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圖3。#p#分頁標(biāo)題#e#

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，可以自動輸出處于彎曲變形區(qū)5個位置點(見圖4)隨時間變化的等效塑性應(yīng)變平均值曲線(見圖5)，可以由每個道次的應(yīng)變增大值判斷各道次彎曲角度及彎曲半徑分配是否合理。從圖5中可以看出變形區(qū)上位置點的等效塑性應(yīng)變值是隨著板料經(jīng)過每個道次時在逐漸增大。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％，其他道次相對較小。

圖4 板料與軋輥1相對位置及變形區(qū)位置點的示意圖

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，對于相同的基本輥徑，為了使得板料各個道次變形均勻，可以依此調(diào)整初設(shè)輥花參數(shù)值，對輥花進(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個位置點隨時間變化的等效塑性應(yīng)變平均值曲線見圖6。可以看到在四五道次的等效應(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
    在ANSYS界面下，利用ADPL語言初步實現(xiàn)了冷彎成型過程仿真，據(jù)此可判斷預(yù)設(shè)輥花各個道次彎曲角度及彎曲半徑分配是否合理。程序通過輸入預(yù)設(shè)輥花的參數(shù)，自動建模運算，得出變形后的應(yīng)力應(yīng)變圖表或數(shù)值，進(jìn)而通過人工判斷和修正輥花，使得板料各個道次的變形均勻，對生產(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二次開發(fā)來仿真模擬冷彎成型方法是可實現(xiàn)的，但仍存在不少問題有待解決，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。