非對稱材材壓彎過程中截面畸形的顯式動(dòng)力學(xué)分析

非對稱材材壓彎過程中截面畸形的顯式動(dòng)力學(xué)分析

1開口沉積型隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，金屬薄板彎曲形成成為材料加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。由彎曲所導(dǎo)致的橫截面畸變現(xiàn)象,是影響成形質(zhì)量和使用性能的重要缺陷之一。以往的研究對象多為管材等封閉型材,而對于開口型材中,如槽型、T型等橫截面只有一個(gè)對稱軸線的型材,進(jìn)行的研究比較少。此類型材主要有三種彎曲形式:收邊彎曲、放邊彎曲和橫向彎曲,其中收邊彎曲和放邊彎曲屬于非對稱彎曲。型材收邊彎曲時(shí),最大應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度時(shí),就會(huì)出現(xiàn)由壓縮造成的起皺和截面畸變問題。本文以典型槽材為例,對非對稱型材收邊彎曲過程截面畸變問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。2元分析模型的構(gòu)建2.1沖模彎曲模型的建立壓彎計(jì)算模型由沖模、彎曲件和凹模三部分組成。彎曲件為鋁合金擠壓型材,截面尺寸,如圖1所示。其中H=25mm,B=70mm,t=t1=5mm。型材長度為400mm,壓彎沖模半徑為275mm,凹模半徑為280mm,彎曲角為60°。彎曲過程中,凹模固定,沖模向下方運(yùn)動(dòng),對型材進(jìn)行彎曲。沖模沿行程方向的平移自由度由指定位移給定,其他自由度固定。簡化后的有限元模型,如圖2所示。圖示坐標(biāo)系中,X軸方向?yàn)樾筒目v向,Y軸為型材橫向,Z軸為徑向。2.2彈性模量和泊松比材料模型選用經(jīng)典雙線性各向同性硬化模型(BISO)。模具材料為45鋼,彈性模量E=209GPa,泊松比μ=0.269;型材材料為LY12,其彈性模量E=196GPa,切線模量Et=2.558GPa,屈服強(qiáng)度σs=210.7MPa,泊松比μ=0.3。2.3實(shí)體單元?jiǎng)澐謱τ谛筒?一般可采用殼單元或?qū)嶓w單元進(jìn)行模擬。采用殼單元模擬,速度較快,但無法對型材圓角厚度變化及截面畸變問題進(jìn)行精確建模。故本文采用實(shí)體單元SOLID164來進(jìn)行模擬分析,采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐?。由于模具不是主要研究對?它們的變形可忽略不計(jì),故將其假設(shè)為剛體,采用了Belytschko-Wong四邊形SHELL163殼單元。2.4成接觸類型將沖模、型材和凹模分別定義為part1、part2、part3。part1、part2之間產(chǎn)生接觸,沖模為目標(biāo)面,型材為接觸面;part2、part3之間產(chǎn)生接觸,凹模為目標(biāo)面,型材為接觸面。接觸類型采用面面接觸,接觸選項(xiàng)為成形接觸。選取經(jīng)典庫侖摩擦模型來描述型材和模具之間的接觸情況,摩擦因子為0.10。3畸變程度的度量橫截面的畸變程度,一般采用長度和角度的變化量來衡量。例如,文獻(xiàn)、就分別采用矩形管寬度、高度方向的畸變量和彎曲前后相關(guān)角度的變化量來對截面畸變進(jìn)行描述。對于槽型截面,畸變主要發(fā)生在翼緣部分?？刹捎霉?jié)點(diǎn)橫向偏移△yi和節(jié)點(diǎn)間徑向距離變化量△Zij進(jìn)行衡量。其中,△yi=yi′-yi式中:yi—節(jié)點(diǎn)i彎曲前的橫向坐標(biāo);yi′—節(jié)點(diǎn)i彎曲后的橫向坐標(biāo)。式中:zij—彎曲前節(jié)點(diǎn)i、j之間的徑向距離;zij′—彎曲后節(jié)點(diǎn)i、j之間的徑向距離。在腹板部分,也可采用橫向偏移和節(jié)點(diǎn)間徑向距離變化量來衡量畸變程度。不過根據(jù)非對稱彎曲的特點(diǎn),腹板部分的等效應(yīng)變相對較小。而且壓彎過程,腹板作為與沖模緊貼的部分,在經(jīng)過彎曲后期的沖模壓實(shí)階段后,其畸變量與翼緣部分相比并不明顯。因此本文主要對翼緣部分的截面畸變進(jìn)行了研究,其中又以對畸變影響較大的橫向偏移作為重點(diǎn)。4仿真結(jié)果與分析在彎曲過程,位于圖1中翼緣外側(cè)的節(jié)點(diǎn)A0、B0、C0的橫向偏移△y隨沖模行程的變化規(guī)律,如圖3所示。節(jié)點(diǎn)A0與B0、C0的偏移方向相反。節(jié)點(diǎn)A0偏移的趨勢使型材的開口減小,而節(jié)點(diǎn)B0、C0的趨勢使開口擴(kuò)大。三個(gè)節(jié)點(diǎn)的偏移量隨沖模行程增大而近似線性增加,距中性層最遠(yuǎn)的B0點(diǎn)增加最明顯,A0、C0點(diǎn)次之。在沖模行程的最后,彎曲過程進(jìn)入壓實(shí)階段,橫向偏移都不同程度減小。壓彎結(jié)束時(shí),型材的橫向位移(Y向)云圖,如圖4所示。由圖可見,型材翼緣處的橫向位移較大。在不同縱向位置上,至中性層距離相同的節(jié)點(diǎn),其位移有所不同。下面研究不同縱向位置下型材開口變化問題。沿型材縱向,從中間點(diǎn)X=0位置起,20mm等距離選取不同的11個(gè)位置,每個(gè)位置各選取3對節(jié)點(diǎn)Ai(Ai′)、Bi(Bi′)和Ci(Ci′)(i=0~10),其中A0、B0、C0和B0′,如圖1所示。通過比較每對節(jié)點(diǎn)間橫向距離的變化,來研究型材開口形狀的變化情況。圖中開口變大時(shí),定義距離變化值為正,反之為負(fù)。仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可見,在Ai(Ai′)、Bi(Bi′)和Ci(Ci′)這三組相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處,開口寬度在縱向上呈波浪形變化,這是翼緣受壓起皺的表現(xiàn)。距離中性層最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)處,開口距離變化最大,中性層兩側(cè)開口的變化情況相反。中性層外側(cè)受拉部分盡管未出現(xiàn)受壓失穩(wěn)問題,但受到翼緣起皺部分的影響,也呈現(xiàn)與其相一致的波紋。有限元模型中沖模與型材開口內(nèi)側(cè)基本吻合。當(dāng)開口變小,翼緣與模具接觸時(shí),模具便起到約束作用,限制了畸變程度。模擬中未對翼緣外側(cè)施加橫向約束,因此出現(xiàn)了開口內(nèi)凹值小于外凸值的現(xiàn)象。另外,型材縱向兩端部分未參與彎曲過程,此處開口變形量較小。在X=80mm、120mm這兩個(gè)位置,三組節(jié)點(diǎn)開口的變化量非常接近。這說明,至中性層距離不同的各組節(jié)點(diǎn),半波長度卻基本一致。下面進(jìn)一步研究不同縱向位置上,節(jié)點(diǎn)橫向位移的分布情況。在縱向X=0、20mm、80mm的位置,各選取一組節(jié)點(diǎn),每組包括13個(gè)節(jié)點(diǎn),它們位于翼緣最外側(cè)且沿徑向等距分布。當(dāng)X=0時(shí),上述節(jié)點(diǎn)即為圖1中位于A0B0點(diǎn)連線上包含A0B0C0的13個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖6為彎曲結(jié)束時(shí),上述節(jié)點(diǎn)的橫向偏移量。由圖可見,不同縱向位置上,徑向位置相同的節(jié)點(diǎn),它們的偏移量不同;在同一縱向位置上,橫向偏移與節(jié)點(diǎn)至中性層的距離近似呈正比。根據(jù)圖中三條曲線共同交于一點(diǎn),且交點(diǎn)的橫向偏移幾乎為零,可以推斷:該交點(diǎn)位于中性層位置。中性層處的橫向偏移為零,不隨縱向位置不同而改變。根據(jù)上述推斷和由圖5中得出的“至中性層距離不同的各組節(jié)點(diǎn),半波長度l卻基本一致”的結(jié)論,可假設(shè)橫向畸變的波形函數(shù)為:式中:z—節(jié)點(diǎn)至中性層的距離;a—翼緣末端處橫向偏移最大值;zc—翼緣末端至中性層的徑向距離,如圖1所示;l—半波長度。波紋數(shù)N=1時(shí),翼緣末端z=zc處的波形函數(shù)示意圖。根據(jù)提出的波形函數(shù)式(1),可采用能量法來分析受壓失穩(wěn)起皺和截面畸變問題。當(dāng)然對于不同的彎曲工藝,具體的波形函數(shù)較為復(fù)雜,尚需進(jìn)一步研究。此外,對于徑向距離變化量△zij,選取縱向X=0、20mm兩處畸變量較大的部位進(jìn)行研究。根據(jù)仿真結(jié)果,翼緣兩端節(jié)點(diǎn)AB的徑向距離變化量分別為:△ZA0B0=0.32mm、△ZA1B1=0.23mm。將其與圖7中相應(yīng)的橫向偏移△yA0=0.97mm、△yA1=1.09mm進(jìn)行比較,可知徑向偏移遠(yuǎn)小于橫向偏移,它對截面畸變的影響較小。壓彎時(shí)沖模與槽材開口間橫向間隙很小,寬度基本吻合,這樣就在翼緣內(nèi)側(cè)起到了填充物和剛性約束的作用。填充物的加入,可視為增大了型材翼緣的厚度,有利于減弱起皺程度;剛性約束使翼緣向內(nèi)的橫向偏移受到了限制,大大減弱了畸變程度。若在型材翼緣外側(cè)施加橫向壓緣力,效果更好。5截面畸變