ANSYS冷彎仿真分析

2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

鑒于ANSYS自有的APDL參數(shù)化功能和冷彎成型的特點,利用ANSYS平臺的開發(fā)環(huán)境,結(jié)合冷彎板料成型規(guī)律,建立了彈塑性大變形有限元模型并采用動力顯式算法對冷彎成型過程進行仿真計算分析,實現(xiàn)了在ANSYS界面下輸入預(yù)設(shè)輥花參數(shù),就可得到冷彎變形后板料的等效塑性應(yīng)力應(yīng)變,據(jù)此判斷冷彎輥花設(shè)計是否合理,并給出修正建議,進行優(yōu)化。

作者: 白亞斌*李立新*賀方平來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: CAE ANSYS APDL 輥花設(shè)計等效塑性應(yīng)變

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組對坯料逐步進行彎曲變形,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。在一定的軋機負(fù)荷強度下,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°?？紤]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)。

ANSYS冷彎仿真分析ansys結(jié)果圖圖片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冷彎仿真分析ansys結(jié)果圖圖片2

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。

ANSYS冷彎仿真分析ansys結(jié)果圖圖片3

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,取其一半進行模擬分析,考慮到板料在道次間變形,機架軋輥間距為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。

ANSYS冷彎仿真分析ansys結(jié)果圖圖片4

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。

ANSYS冷彎仿真分析ansys結(jié)果圖圖片5

圖4 板料與軋輥1相對位置及變形區(qū)位置點的示意圖

ANSYS冷彎仿真分析ansys結(jié)果圖圖片6

圖5 初始等效應(yīng)變平均值曲線圖

在一定的軋機負(fù)荷強度下,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)

ANSYS冷彎仿真分析ansys結(jié)果圖圖片7

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。

ANSYS冷彎仿真分析ansys結(jié)果圖圖片8

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。

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