【論文分享】Abaqus在Roll-forming的分析應用

本文來自:達索系統SIMULIA用戶大會優秀論文

本文以Roll-forming成形進行分析,計算不同工況及成形工藝對Roll-forming成形的影響。

張繼光

青島海信電器股份有限公司

 

摘要: 闡述Roll-forming在不銹鋼成形中的應用,介紹Roll-forming過程中可能產生的缺陷及改善方法,最後透過理論計算及數值模擬,初步驗證並得到不同工況下的一些設計參數。

引言

不銹鋼等壁厚成形在TV前殼中已經得到了廣泛應用,這種不銹鋼前殼結構件成形過程主要有兩種方式:衝壓成形與Roll-forming成形;其中Roll-forming成形的優點在於成形過程簡單,效率高,但樣件缺陷多;本文選擇Roll-forming成形進行分析,計算不同工況及成形工藝對Roll-forming成形的影響。

 

1. Roll-Forming

1.1 成形機理

Roll-forming的成形機理是比較複雜,其複雜的成形過程在實際應用中,經常會產生一些不可預估的缺陷。雖然有文獻和實驗記錄對Roll-forming進行了詳細介紹,但都是基於經驗的基礎得到的。

目前 “成形角” 方法是應用最廣的一種理論,它在特定的折彎過程中有助於準確確定滾輪的數量。

Noble與Sarantidis認為 “成形角” 成形過程是一種比較平滑的變形過程,但在與滾輪接觸的內壁變形會比較劇烈,變形大小會延伸到下一個滾輪的位置;其中變形資料對計算滾輪的直徑及兩個滾輪的間距有較大的影響,如圖1所示。目前有文獻透過滾壓設備折彎和拉伸的最小能量理論來預測變形的長度,並且這個理論已經得到了實驗的驗證。其中邊緣長度、折疊角及材料厚度對變形長度的影響比較大,如圖2所示。當金屬片通過滾壓設備時,就會發生折彎和延伸變形。實際的折彎變形非常複雜,需要通過簡化推導,最終變形區域的長度可以用公式1表示。

 

圖1.樣品變形示意(a)單滾輪  (b) 雙滾輪

 

圖2.變形樣品截面示意

 

1.2 成形因素及缺陷

滾輪的品質及材料性能的變化對最終產品的截面品質影響很大,Roll-forming是基於材料沒有回彈變形的假設下得到的,實際上材料性能與名義的數值是有差距的,最終得到的截面形狀與設計會有一定的偏差,這種偏差是由材料的回彈造成的;滾輪品質影響最終產品的截面品質主要有以下原因:滾輪表面的缺陷、滾輪加工精度及表面磨損。

常見的滾壓缺陷主要有三種類型:表面斑點、長度方向的彎曲、邊緣的屈曲;這些問題是金屬材料應變太大引起的。其中表面斑點主要影響美觀,但不影響其他應用;長度方向的彎曲是由於截面上部與下部的應變不同造成的 ,這對使用影響較大;邊緣的屈曲主要發生在邊緣較大的產品上。

 

1.3 滾輪數量與滾壓角

考慮到經濟因素,合理的選擇滾壓時間及在能接受的產品品質下選擇最少的滾輪,是我們研究Roll-forming成形的一個重要原因。Noble與Sarantidis的 “成形角” 理論是最常用的一種,滾輪數量通過計算加工產品長度上的變形量得到。並通過圖3來計算實際滾輪數量。

圖3. “成形角” 方法圖示

2. 有限元分析

2.1 材料性能

本次分析採用的材料參數如圖4所示,並採用The Hollomon law 塑性變形理論模型。

其中K是強度係數、n是硬化指數、表1是材料的機械性能資料;應用Hill1948各向異性屈服判斷準則。可以用等式3計算得到所需的資料,其中F、 G、 H、L、 M 和 N是材料常數,在表2中可以看到上述資料。

圖4. Steel的應力應變曲線

 

1 Steel相關參數

2 Steel相關資料

2.2 分析模型

通過分析樣品的加工成形過程,搭建如圖5所示模型,為了節約計算時間對原始模型進行簡化處理,調整樣件長度及滾輪之間軸距,簡化後的幾何模型如圖6所示。綜合實際滾壓時間及電腦執行時間,定義合適的分析過程。

圖5.  滾壓裝配結構示意圖

圖6.  滾壓簡化分析示意圖

2.3 結果分析

基於以上建立的裝配體分析模型,施加邊界約束與載荷,進行等壁厚板材滾壓成形分析,對比不同滾壓速度和不同邊界情況下的成形結果及缺陷形式,為後續的設計與加工提供參考。

通過分析應變分佈,可以幫助我們更好的理解滾壓過程中邊緣屈曲的原因,如7圖所示在不同的滾壓階段,板材的應變分佈及大小都不相同,隨著滾壓角度的增加,應變也越來越大,產生的樣件的邊緣屈曲也越嚴重。

 

圖7.  不同滾壓階段中的應變分佈示意圖

 

圖8.  不同滾壓階段中的應力分佈示意圖

 

結論

本文對滾壓成形的機理進行了分析,同時對影響滾壓變形的因素進行模擬分析,通過模擬結果,可以預測一些產品成形過程中的缺陷,為調整工藝及設計模型提供了理論依據。

參考文獻
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