摘要： 冷彎生產(chǎn)技術(shù)是金屬板帶深加工的重要領(lǐng)域。本文對(duì)冷彎成型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)展和有限元數(shù)值模擬工作的研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述。
　　關(guān)鍵詞： 冷彎成型 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 有限元數(shù)值模擬
　　在冷彎成型過程中，金屬板帶受到多點(diǎn)且不等壓力的反復(fù)、連續(xù)的彎曲作用，變形復(fù)雜，理論解析十分困難，幾乎不可能用一個(gè)統(tǒng)一的力學(xué)模型來描述。因此，長(zhǎng)期以來冷彎孔型和工具的設(shè)計(jì)主要依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)與反復(fù)試制，在冷彎型鋼企業(yè)生產(chǎn)成本的很大一部分耗費(fèi)在成型輥的調(diào)整和產(chǎn)品的試生產(chǎn)階段。采用冷彎成形過程的計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)，能在一定程度上可以對(duì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的問題進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提出相應(yīng)的處理方法，這樣就可以比較合理地進(jìn)行軋輥設(shè)計(jì)，有效縮短生產(chǎn)調(diào)試時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，減少原材料的耗費(fèi)。
　　1.國(guó)內(nèi)外冷彎成型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)展
　　20世紀(jì)70年代，國(guó)外開始研究冷彎成型工具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）。目前許多公司和組織開發(fā)出自己冷彎CAD系統(tǒng)，如德國(guó)的DATAM公司，英國(guó)的METFORM公司，日本東京大學(xué)，美國(guó)的俄亥俄州立大學(xué)等。但到目前為止，還沒有哪家公司或組織在冷彎成型CAD軟件產(chǎn)品領(lǐng)域占據(jù)壟斷地位。
　　我國(guó)的冷彎成型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究工作起步于上世紀(jì)80年代中后期，國(guó)內(nèi)最早從事冷彎CAD的研究是北京科技大學(xué)及燕山大學(xué)，它們與多家生產(chǎn)廠合作，開發(fā)出可以應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的方、矩形管設(shè)計(jì)、角鋼、槽鋼、波紋板計(jì)算機(jī)程序，還開發(fā)出柔性孔型設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)。但到目前為止，我國(guó)還沒有自己獨(dú)立開發(fā)的具有普遍意義的冷彎成型分析軟件。
　　CAD應(yīng)用的另一個(gè)表現(xiàn)就是CARD（即計(jì)算機(jī)輔助孔型設(shè)計(jì)），CARD的研究萌芽于六十年代后期，發(fā)展于八十年代。1982年前蘇聯(lián)開發(fā)了簡(jiǎn)單斷面最優(yōu)化孔型設(shè)計(jì)自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)。在美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)的主持下，Batelle-Columbus實(shí)驗(yàn)室和Timken公司于1983年聯(lián)合研制了一個(gè)名為RPDROD的計(jì)算機(jī)圓鋼孔型輔助設(shè)計(jì)軟件包。1983年德國(guó)的Mauk.P.J開發(fā)了簡(jiǎn)單斷面和異型斷面孔型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，英國(guó)Aston大學(xué)和SectionandProfiles有限公司于1983年聯(lián)合建立了一個(gè)關(guān)于孔型設(shè)計(jì)和加工的計(jì)算機(jī)程序。1985年日本的山口喜弘等人完成了棒材軋制的CARD系統(tǒng)。
　　我國(guó)近年來這方面的研究和應(yīng)用有了很大的發(fā)展，有關(guān)院校和工廠合作，開發(fā)了一些計(jì)算機(jī)輔助孔型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。如北京科技大學(xué)開發(fā)的型鋼軋制過程仿真方法庫(kù)系統(tǒng)，與江西鋼廠、天津第三軋鋼廠、承德鋼鐵公司、鞍鋼中型廠及武漢鋼鐵公司合作開發(fā)的簡(jiǎn)單斷面、角鋼、工字鋼和輕軌等計(jì)算機(jī)輔助孔型設(shè)計(jì)系統(tǒng)；西安冶金建筑學(xué)院與太原鋼鐵公司合作開發(fā)的簡(jiǎn)單斷面型鋼計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化孔型設(shè)計(jì)系統(tǒng)等。
　　縱觀國(guó)內(nèi)冷彎型鋼的CAD發(fā)展，由于各方面的投入不夠，迄今為止還沒有一套成熟的商用軟件。大多數(shù)軟件仍停留在替代人工計(jì)算與繪圖的低水平階段，且往往是針對(duì)某一品種或少數(shù)幾個(gè)品種，不成系統(tǒng)，缺乏通用性，程序設(shè)計(jì)固化，缺乏智能化功能，難以維護(hù)，從而限制了冷彎型鋼CAD的推廣與應(yīng)用。
　　2.冷彎成型有限元數(shù)值模擬工作的研究進(jìn)展
　　2.1塑性有限元理論的發(fā)展
　　有限元法是目前進(jìn)行非線性分析的最強(qiáng)有力的工具，成為金屬塑性成形過程模擬的最流行的方法。在塑性成形過程的有限元模擬中，根據(jù)材料應(yīng)變與位移及應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系的不同，可將有限元法分為小變形彈塑性有限元法、有限應(yīng)變彈塑性有限元法、剛塑性有限元法和黏塑性有限元法。
　　1967年Marcal和King首先提出了彈塑性有限元法。1968年Yamada等推導(dǎo)了塑性應(yīng)力-應(yīng)變矩陣。1970年Hibbit等提出了建立在有限變形理論基礎(chǔ)上的大變形有限元列式。70年代中期Osias、McMeeking等采用歐拉描述法建立了大變形有限元列式。采用彈塑性有限元法分析金屬成形問題，不僅能計(jì)算工件的變形和應(yīng)力、應(yīng)變分布，而且能有效地處理卸載問題，計(jì)算金屬成形過程結(jié)束后工件的回彈和殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變的分布。因此，它適宜于板料成形等問題的模擬。但是，彈塑性有限元法采用的增量型本構(gòu)關(guān)系不允許使用大的變形增量，總的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。
　　在大變形的金屬成形問題中，有時(shí)可以忽略其中的彈性變形，而采用剛塑性材料模型。1971年德國(guó)的Lung，1973年美國(guó)的Lee和Kobayashi分別提出了剛塑性有限元法。采用剛塑性有限元法，由于不需考慮材料彈塑性狀態(tài)的變化，因此可采用比彈塑性有限元法大的增量步長(zhǎng)，從而減少計(jì)算時(shí)間。但剛塑性有限元法不能確定剛性區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變分布，也不能處理卸載問題。在鍛造等體積成形問題中，金屬材料的塑性變形量很大；由于溫度的影響，材料的彈性參數(shù)難以確定；同時(shí)回彈的影響不大。因此，用剛塑性有限元法模擬體積成形過程是比較適宜的。為了考慮變形速率對(duì)金屬塑性流動(dòng)和變形抗力的影響，可采用由剛塑性有限元法擴(kuò)展而得的剛黏塑性有限元法。
　　2.2單元模型的發(fā)展
　　板料成形數(shù)值模擬技術(shù)的關(guān)鍵是板殼理論的可靠性和實(shí)用性，選擇適當(dāng)?shù)膯卧Ｐ蛯?duì)于金屬薄板成功進(jìn)行沖壓成形數(shù)值模擬是至關(guān)重要的。常用的板殼理論主要有四種：經(jīng)典的薄膜理論、Kirchhoff板殼理論、Mindlin板殼理論和三維實(shí)體理論。
　　在薄板成形有限元模擬分析的早期，人們廣泛使用薄膜單元，對(duì)于一些以張拉為主的彎曲效應(yīng)不大的成形模擬，這種單元是非常有效的。但隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷深入，這種薄膜單元就滿足不了要求，其最明顯的缺陷是不能模擬回彈過程和大彎曲效應(yīng)的成形過程。
　　與薄膜單元相比，Kirchhoff板殼單元、Mindlin板殼單元、三維實(shí)體單元都增加了彎曲對(duì)變形的影響。由于板料的厚度較薄，三維實(shí)體單元用于板料成形過程模擬網(wǎng)格劃分不宜太疏的情況，否則易造成剛度矩陣的奇異性，導(dǎo)致求解失敗。但網(wǎng)格劃分太密會(huì)大大增加計(jì)算工作量，降低計(jì)算效率，所以在板料成形的一般區(qū)域宜采用殼單元。在板料成形的特殊區(qū)域（如模具的小圓角處）應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)特別復(fù)雜，采用三維實(shí)體單元能較好地描述板料在該區(qū)域的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別適用于板料成形的回彈分析。Kirehhoff板殼單元雖然計(jì)算穩(wěn)定性增加，但使有限元方程變得復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間增加。而Mindlin曲殼單元存在獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，可以很好地反映彎曲問題，并且能以較小的計(jì)算量得到較高的計(jì)算精度，較適合做板料成形數(shù)值模擬。
　　2.3冷彎成型有限元數(shù)值模擬工作的研究進(jìn)展
　　冷彎型鋼作為一種輕型、薄壁、大斷面慣性矩的高效型材，在建筑、車輛、交通、機(jī)械等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，上述行業(yè)為了獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)輥彎產(chǎn)品提出了精度上與性能上的更高要求。顯然，單憑經(jīng)驗(yàn)、靠反復(fù)的實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證的傳統(tǒng)的輥彎成型方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)降低成本、減少設(shè)計(jì)／生產(chǎn)周期、快速適應(yīng)市場(chǎng)變化和增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的需要。而通過CAE軟件進(jìn)行數(shù)值模擬是解決上述問題的有效途徑。
　　CAE軟件分為：專用CAE軟件和通用CAE軟件。通用CAE軟件主要由有限元軟件、優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件、計(jì)算流體軟件、電磁場(chǎng)計(jì)算軟件、最優(yōu)控制軟件和其他專業(yè)性的計(jì)算軟件組成。
　　專用軟件有澳大利亞的CADROF、英國(guó)的ORTIC、我國(guó)韓志武開發(fā)的CFES（輥彎成型輥型設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)），法國(guó)的M．Brunent開發(fā)的PROFIL，德國(guó)dataM公司的COPRA中增加的有限元仿真模塊COPRA．FEARF（已商業(yè)化）等均屬于此類。這些專用軟件大多數(shù)都系統(tǒng)地歸納了輥彎成型領(lǐng)域的理論成果、相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，大體上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、管理、生產(chǎn)的一體化，方便了用戶的使用。國(guó)產(chǎn)輥彎專用軟件零碎分散，功能單一，因此沒推廣使用。而國(guó)外專用軟件昂貴，令我國(guó)眾多的中小企業(yè)望而卻步。就目前掌握的資料所知，只有德國(guó)Data．M公司開發(fā)的COPRA軟件在國(guó)內(nèi)有企業(yè)使用，但用戶相當(dāng)少，其他同類軟件鮮有國(guó)內(nèi)用戶使用。
　　主流的通用CAE軟件有：HSK.ABAQUS，ANSYS，DYN－3D，MSC.MARC，DYNA，MSC.SURPERFORM，MSC.SURPERFORGE，DEFORM，DYNAROM，ALTAIN.HYPERWORKS系列等。它們都是采用結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)方法、用FORTRAN語言和數(shù)據(jù)文件管理技術(shù)，開發(fā)的結(jié)構(gòu)化軟件；新增的軟件成分大都采用了面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)和C++語言。由于通用CAE軟件普遍功能強(qiáng)大，穩(wěn)定可靠，用戶選擇余地大，且產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，因而價(jià)格比輥彎專用軟件低得多，且絕大多數(shù)軟件都提供二次開發(fā)工具及非線性分續(xù)輥式彎曲成型機(jī)組加工成型的產(chǎn)品，因此在國(guó)內(nèi)得以廣泛使用。它將在一定時(shí)期內(nèi)為冷彎成形的研究作出很大貢獻(xiàn)。
　　在我國(guó)，蔡松慶首次采用有限元法研究復(fù)雜的焊管成型過程；以燕山大學(xué)劉才為首的課題組，對(duì)輥彎成型過程分別使用樣條有限條法和彈塑性大變形三維有限元法進(jìn)行深入系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得許多重要的研究成果。
　　3.結(jié)語
　　冷彎生產(chǎn)技術(shù)是在常溫下生產(chǎn)復(fù)雜斷面的經(jīng)濟(jì)型材的連續(xù)輥式成形技術(shù)，是一項(xiàng)具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的金屬型材生產(chǎn)工藝技術(shù)。本文對(duì)冷彎成型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)展和有限元數(shù)值模擬工作的研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述，具有一定的實(shí)際意義。
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］石京，王先進(jìn).國(guó)內(nèi)外冷彎成形研究最新進(jìn)展.軋鋼，1998，10（5）.
　　［2］周瑛.輥式成型過程的彈塑性大變形樣條有限元模擬.東北重型機(jī)械學(xué)院博士學(xué)位論文，1996.
　?。?］徐樹成.輥彎成形的三維大變形有限元模擬.秦皇島：燕山大學(xué)學(xué)位論文，1997，12.
　?。?］韓志武，劉才.冷彎成型數(shù)值模擬與孔型CAD集成.鋼鐵，2001，36（7