非对称材材压弯过程中截面畸形的显式动力学分析

非对称材材压弯过程中截面畸形的显式动力学分析

1开口沉积型随着现代科学技术的快速发展，金属薄板弯曲形成成为材料加工领域的研究热点之一。由弯曲所导致的横截面畸变现象,是影响成形质量和使用性能的重要缺陷之一。以往的研究对象多为管材等封闭型材,而对于开口型材中,如槽型、T型等横截面只有一个对称轴线的型材,进行的研究比较少。此类型材主要有三种弯曲形式:收边弯曲、放边弯曲和横向弯曲,其中收边弯曲和放边弯曲属于非对称弯曲。型材收边弯曲时,最大应变为压应变,当应变达到一定程度时,就会出现由压缩造成的起皱和截面畸变问题。本文以典型槽材为例,对非对称型材收边弯曲过程截面畸变问题进行了数值模拟研究。2元分析模型的构建2.1冲模弯曲模型的建立压弯计算模型由冲模、弯曲件和凹模三部分组成。弯曲件为铝合金挤压型材,截面尺寸,如图1所示。其中H=25mm,B=70mm,t=t1=5mm。型材长度为400mm,压弯冲模半径为275mm,凹模半径为280mm,弯曲角为60°。弯曲过程中,凹模固定,冲模向下方运动,对型材进行弯曲。冲模沿行程方向的平移自由度由指定位移给定,其他自由度固定。简化后的有限元模型,如图2所示。图示坐标系中,X轴方向为型材纵向,Y轴为型材横向,Z轴为径向。2.2弹性模量和泊松比材料模型选用经典双线性各向同性硬化模型(BISO)。模具材料为45钢,弹性模量E=209GPa,泊松比μ=0.269;型材材料为LY12,其弹性模量E=196GPa,切线模量Et=2.558GPa,屈服强度σs=210.7MPa,泊松比μ=0.3。2.3实体单元划分对于型材,一般可采用壳单元或实体单元进行模拟。采用壳单元模拟,速度较快,但无法对型材圆角厚度变化及截面畸变问题进行精确建模。故本文采用实体单元SOLID164来进行模拟分析,采用8节点六面体单元划分。由于模具不是主要研究对象,它们的变形可忽略不计,故将其假设为刚体,采用了Belytschko-Wong四边形SHELL163壳单元。2.4成接触类型将冲模、型材和凹模分别定义为part1、part2、part3。part1、part2之间产生接触,冲模为目标面,型材为接触面;part2、part3之间产生接触,凹模为目标面,型材为接触面。接触类型采用面面接触,接触选项为成形接触。选取经典库仑摩擦模型来描述型材和模具之间的接触情况,摩擦因子为0.10。3畸变程度的度量横截面的畸变程度,一般采用长度和角度的变化量来衡量。例如,文献、就分别采用矩形管宽度、高度方向的畸变量和弯曲前后相关角度的变化量来对截面畸变进行描述。对于槽型截面,畸变主要发生在翼缘部分。可采用节点横向偏移△yi和节点间径向距离变化量△Zij进行衡量。其中,△yi=yi′-yi式中:yi—节点i弯曲前的横向坐标;yi′—节点i弯曲后的横向坐标。式中:zij—弯曲前节点i、j之间的径向距离;zij′—弯曲后节点i、j之间的径向距离。在腹板部分,也可采用横向偏移和节点间径向距离变化量来衡量畸变程度。不过根据非对称弯曲的特点,腹板部分的等效应变相对较小。而且压弯过程,腹板作为与冲模紧贴的部分,在经过弯曲后期的冲模压实阶段后,其畸变量与翼缘部分相比并不明显。因此本文主要对翼缘部分的截面畸变进行了研究,其中又以对畸变影响较大的横向偏移作为重点。4仿真结果与分析在弯曲过程,位于图1中翼缘外侧的节点A0、B0、C0的横向偏移△y随冲模行程的变化规律,如图3所示。节点A0与B0、C0的偏移方向相反。节点A0偏移的趋势使型材的开口减小,而节点B0、C0的趋势使开口扩大。三个节点的偏移量随冲模行程增大而近似线性增加,距中性层最远的B0点增加最明显,A0、C0点次之。在冲模行程的最后,弯曲过程进入压实阶段,横向偏移都不同程度减小。压弯结束时,型材的横向位移(Y向)云图,如图4所示。由图可见,型材翼缘处的横向位移较大。在不同纵向位置上,至中性层距离相同的节点,其位移有所不同。下面研究不同纵向位置下型材开口变化问题。沿型材纵向,从中间点X=0位置起,20mm等距离选取不同的11个位置,每个位置各选取3对节点Ai(Ai′)、Bi(Bi′)和Ci(Ci′)(i=0~10),其中A0、B0、C0和B0′,如图1所示。通过比较每对节点间横向距离的变化,来研究型材开口形状的变化情况。图中开口变大时,定义距离变化值为正,反之为负。仿真结果如图5所示。由图5可见,在Ai(Ai′)、Bi(Bi′)和Ci(Ci′)这三组相应节点处,开口宽度在纵向上呈波浪形变化,这是翼缘受压起皱的表现。距离中性层最远的节点处,开口距离变化最大,中性层两侧开口的变化情况相反。中性层外侧受拉部分尽管未出现受压失稳问题,但受到翼缘起皱部分的影响,也呈现与其相一致的波纹。有限元模型中冲模与型材开口内侧基本吻合。当开口变小,翼缘与模具接触时,模具便起到约束作用,限制了畸变程度。模拟中未对翼缘外侧施加横向约束,因此出现了开口内凹值小于外凸值的现象。另外,型材纵向两端部分未参与弯曲过程,此处开口变形量较小。在X=80mm、120mm这两个位置,三组节点开口的变化量非常接近。这说明,至中性层距离不同的各组节点,半波长度却基本一致。下面进一步研究不同纵向位置上,节点横向位移的分布情况。在纵向X=0、20mm、80mm的位置,各选取一组节点,每组包括13个节点,它们位于翼缘最外侧且沿径向等距分布。当X=0时,上述节点即为图1中位于A0B0点连线上包含A0B0C0的13个节点。图6为弯曲结束时,上述节点的横向偏移量。由图可见,不同纵向位置上,径向位置相同的节点,它们的偏移量不同;在同一纵向位置上,横向偏移与节点至中性层的距离近似呈正比。根据图中三条曲线共同交于一点,且交点的横向偏移几乎为零,可以推断:该交点位于中性层位置。中性层处的横向偏移为零,不随纵向位置不同而改变。根据上述推断和由图5中得出的“至中性层距离不同的各组节点,半波长度l却基本一致”的结论,可假设横向畸变的波形函数为:式中:z—节点至中性层的距离;a—翼缘末端处横向偏移最大值;zc—翼缘末端至中性层的径向距离,如图1所示;l—半波长度。波纹数N=1时,翼缘末端z=zc处的波形函数示意图。根据提出的波形函数式(1),可采用能量法来分析受压失稳起皱和截面畸变问题。当然对于不同的弯曲工艺,具体的波形函数较为复杂,尚需进一步研究。此外,对于径向距离变化量△zij,选取纵向X=0、20mm两处畸变量较大的部位进行研究。根据仿真结果,翼缘两端节点AB的径向距离变化量分别为:△ZA0B0=0.32mm、△ZA1B1=0.23mm。将其与图7中相应的横向偏移△yA0=0.97mm、△yA1=1.09mm进行比较,可知径向偏移远小于横向偏移,它对截面畸变的影响较小。压弯时冲模与槽材开口间横向间隙很小,宽度基本吻合,这样就在翼缘内侧起到了填充物和刚性约束的作用。填充物的加入,可视为增大了型材翼缘的厚度,有利于减弱起皱程度;刚性约束使翼缘向内的横向偏移受到了限制,大大减弱了畸变程度。若在型材翼缘外侧施加横向压缘力,效果更好。5截面畸变