劉江 熊自柳 肖駿峰 吳康 孫勇

作者簡(jiǎn)介：劉江（1998—），男，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)樽兘孛嫒嵝暂亯撼尚喂に嚒?/p>

基金項(xiàng)目：深圳市龍華區(qū)數(shù)智化成形系統(tǒng)裝備協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)（深龍華科創(chuàng)科計(jì)字（2023）42號(hào)流水號(hào)：J10M00792305290004）；深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)（ZDSYS20210813095534001，JCYJ20210324123202008，JCYJ20210324115412035，JCYJ20220818103200001）；廣東省應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2022A1515010363，2021A1515110880）；中南大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高性能復(fù)雜制造（Kfkt2021-05）；深圳市龍華區(qū)科技創(chuàng)新局（J10M00792305290004） 。

參考文獻(xiàn)引用格式：

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LIU J， XIONG Z L， XIAO J F， et al. Study on Factors Influencing Warping Defects in Variable Cross-section Panel Core[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 6-10.

摘要：隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度提高，柔性輥壓工藝受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，但由于其成形過(guò)程復(fù)雜性帶來(lái)不可避免的缺陷，針對(duì)三次彎曲曲線的變截面板材成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，研究了材料、厚度和翼板高度對(duì)翹曲的影響。結(jié)果表明，板材產(chǎn)生的翹曲缺陷與縱向應(yīng)變有關(guān)，當(dāng)縱向應(yīng)變分布均勻時(shí)，翹曲缺陷最小。通過(guò)正交模擬設(shè)計(jì)分析得出影響翹曲高度的工藝參數(shù)主次順序?yàn)楹穸取⒁戆甯叨?、板材材料，得出結(jié)論：與鋁合金材料相比，高屈強(qiáng)比高強(qiáng)度鋼制備的翹曲高度降低，但低屈強(qiáng)比高強(qiáng)度鋼制備的翹曲高度反而增高。

關(guān)鍵詞：變截面板材 數(shù)值模擬仿真 腹板翹曲 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH165? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240124

Study on Factors Influencing Warping Defects in Variable Cross-section Panel Core

Liu Jiang， Xiong Ziliu， Xiao Junfeng， Wu Kang， Sun Yong

（Institute of Advanced Technology， University of Electronic Science and Technology of China， Shenzhen 457001）

Abstract： As the pace of product updates accelerates， the flexible roll forming process has garnered widespread attention within the industry. However， due to the inherent complexity of its forming process， inevitable defects arise. To address this， numerical simulation and analysis of the forming process of variable cross-section panels along a three-point bending curve were conducted， examining the impact of material， thickness， and flange height on warping. The results indicate that the warping defect in the panels is related to longitudinal strain， with the minimum warping defect occurring when the longitudinal strain distribution is uniform. Orthogonal simulation design analysis determined the primary and secondary order of process parameters affecting warping height as thickness， flange height， and panel material. The conclusion is that compared to aluminum alloy materials， the warping height is reduced when using high-strength steel with a high yield strength ratio， whereas the warping height increases when using high-strength steel with a low yield strength ratio.

Key words： Variable section plates， Numerical simulation ， Web warping， Orthogonal experimental desigh

1 前言

金屬柔性輥壓技術(shù)作為當(dāng)今世界制造技術(shù)發(fā)展的前沿科技廣泛應(yīng)用于包括電子元器件、新能源汽車、航空航天、軌道交通等關(guān)鍵零部件制造領(lǐng)域。柔性成形技術(shù)在縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、縮減模具開發(fā)成本、改善構(gòu)件成形性能、提高產(chǎn)品復(fù)雜度等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

Rezaei R[1]研究了柔性輥壓成形過(guò)程中彎曲曲線對(duì)腹板翹曲的影響，設(shè)計(jì)了不同的彎曲曲線，使用 Abaqus 軟件進(jìn)行有限元模擬，得出過(guò)渡區(qū)的縱向邊緣應(yīng)變和腹板翹曲。Jiao[2-3]首次建立了一個(gè)預(yù)測(cè)寬度可變截面柔性輥壓成型的腹板扭曲分析模型，研究腹板扭曲、縱向應(yīng)變與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。Woo Y Y[4-5]基于剛體殼概念的有限元（Finite Element，F(xiàn)E）模擬對(duì)3種不同形狀坯料進(jìn)行了模擬，研究了柔性輥壓成形過(guò)程中邊緣起皺和縱向彎曲，對(duì)縱向彎曲高度之間的關(guān)系及形狀缺陷的發(fā)生進(jìn)行了研究。王英爽[6]對(duì)三維輥壓成形中型材彎曲回彈和彈塑性失穩(wěn)行為進(jìn)行分析，并通過(guò)有限元仿真對(duì)型材變形行為進(jìn)行了有效預(yù)測(cè)。Dadgarasl Y[7]針對(duì)3種不同形狀的坯料進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值分析，對(duì)材料屈服強(qiáng)度及板材厚度結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非優(yōu)勢(shì)排序遺傳算法II得到優(yōu)化柔性輥壓工藝的有效參數(shù)。孫勇等[8]提供了一個(gè)有效的數(shù)學(xué)表達(dá)式，用于分析和預(yù)測(cè)鏈模成形變截面型材的縱向塑性應(yīng)變和腹板翹曲。陳曉宇[9]等通過(guò)Abaqus軟件對(duì)QP980鋼板軋輥成形過(guò)程進(jìn)行定性研究與分析，為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)高強(qiáng)鋼變截面輥壓工況匹配設(shè)計(jì)與精確成形控制提供了可靠的理論依據(jù)。李一鳴[10]等針對(duì)某貨車變截面縱梁進(jìn)行輥壓成形數(shù)值模擬仿真，討論了板材材料、板材厚度和翼板高度對(duì)縱梁成形后翹曲缺陷的影響。

利用Abaqus軟件對(duì)變寬度板材進(jìn)行柔性輥壓有限元模擬，針對(duì)板材的材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析各因素與成形后腹板翹曲的關(guān)系，為柔性輥壓工藝生產(chǎn)復(fù)雜板材提供參考。

2 有限元模型建立

2.1 變寬度板材結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料參數(shù)

在傳統(tǒng)輥壓成形工藝的基礎(chǔ)上，德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)提出了一種新型輥壓成形技術(shù)——變截面型材柔性多向輥壓成形技術(shù)。通過(guò)對(duì)成形輥輪的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制，可以同時(shí)在型材縱向、橫向及高度方向進(jìn)行局部連續(xù)塑性變形，從而成形出所需不同大小和形狀的變截面型材構(gòu)件，如圖1所示[11]。

以可變寬度板材為研究對(duì)象，板材厚度為1.2 mm，總長(zhǎng)為972 mm，彎曲曲線為三次曲線，材料為6061鋁板，真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D2所示，其板材尺寸參數(shù)如圖3所示，其中軋輥運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

[y=-9.965×10-9x3+9.425×10-5x2-8.455×? ? ? ?10-2x-7.226，0≤x≤486] （1）

2.2 有限元模型的建立

將三維模型導(dǎo)入Abaqus軟件進(jìn)行裝配，其中軋輥間距設(shè)置為420 mm，成形角度依次為12°、28°、46°、64°、82°、95°，板材網(wǎng)格選取C3D8R，并對(duì)成形區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化加密，如圖4所示。

在板材成形過(guò)程中，由于軋輥的剛度遠(yuǎn)高于板材的剛度，并且軋輥在輥壓過(guò)程中的變形非常小，因此，軋輥選用解析剛體進(jìn)行建模，可以使軋輥表面更加光滑，得到更精確的接觸條件，而且無(wú)需劃分網(wǎng)格，從而避免分析剛體網(wǎng)格粗糙導(dǎo)致的成形精度差的問(wèn)題，提高建模效率，減少計(jì)算成本。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 數(shù)值模擬過(guò)程介紹

變截面輥壓成形過(guò)程中，變截面輥壓型材不僅會(huì)遇到定截面輥壓型材的所有成形問(wèn)題，并且會(huì)由于截面形狀連續(xù)不規(guī)則變化而使其沿高度方向受到額外的不均勻縱向變形 。翹曲缺陷的產(chǎn)生是翼板在成形過(guò)程中，凸弧的邊緣被壓縮、凹弧的邊緣被拉伸，導(dǎo)致凹凸弧的應(yīng)力不同造成的。如圖6所示，在輥壓成形過(guò)程中翼板凸弧的邊緣被壓縮，凹弧的邊緣被拉伸，從而導(dǎo)致腹板翹曲的產(chǎn)生[12]。

如圖7所示，為了研究縱向應(yīng)力與腹板翹曲的關(guān)系，將腹板翹曲定義為腹板與水平位置的最大高度差，其中H為水平位置。

圖8是成形件數(shù)值模擬仿真完成后的縱向應(yīng)變?cè)茍D，可以觀察到縱向應(yīng)變分布不均，主要集中在翼板區(qū)域。圖9是成形件數(shù)值模擬仿真完成后的腹板高度云圖，觀察到腹板翹曲現(xiàn)象，最大腹板翹曲高度為0.68 mm。

3.2 板材材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)形狀缺陷的影響

3.2.1 正交模擬試驗(yàn)及仿真結(jié)果

正交試驗(yàn)是一種多因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法，通過(guò)在試驗(yàn)中對(duì)研究因素進(jìn)行系統(tǒng)的、有組織的變化，以便更有效地了解因素對(duì)結(jié)果的影響。正交試驗(yàn)的目標(biāo)是通過(guò)較小數(shù)量的試驗(yàn)，獲得關(guān)于多個(gè)因素及其相互作用的信息。

在正交試驗(yàn)中，研究因素的變化是經(jīng)過(guò)計(jì)劃和組織的，以使各種可能的因素水平組合都能得到觀察。這就意味著每個(gè)因素的每個(gè)水平都至少出現(xiàn)一次，并且因素水平的組合是經(jīng)過(guò)選擇的，以確保因素之間的獨(dú)立性，從而更容易分析結(jié)果。

研究不同成形工藝參數(shù)對(duì)變截面輥壓成形腹板翹曲及邊波的影響，主要包括板材材料、板材厚度和翼板高度，具體參數(shù)取值見表1。其中板材材料的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D10所示，材料的參數(shù)見表2。

根據(jù)表1的參數(shù)取值確定影響因素為屈服強(qiáng)度、厚度、翼板高度，每個(gè)影響因素包括3個(gè)水平，通過(guò)模擬數(shù)值仿真得到試驗(yàn)結(jié)果見表3。

根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腹板翹曲高度與縱向應(yīng)變有關(guān)。如圖11所示，當(dāng)縱向應(yīng)變分布較為均勻時(shí)，腹板翹曲高度最小。

3.2.2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)仿真得到的試驗(yàn)結(jié)果獲得腹板翹曲的極差分析數(shù)據(jù)如表4所示，其中K為水平因子的總和，k為水平因子的平均值，R為最佳水平。

從極差分析結(jié)果可得到各因素對(duì)腹板翹曲的影響從大到小排序?yàn)椋汉穸?、翼板高度、板材材料。為了更加清晰地表示出各水平因素?duì)腹板翹曲高度的影響，以腹板翹曲高度為縱坐標(biāo)，各因素水平為橫坐標(biāo)繪制出影響因素與腹板翹曲高度變化的趨勢(shì)圖，如圖12所示。從圖12中可以看出，隨著材料屈服強(qiáng)度以及厚度的增大，板材腹板翹曲高度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，隨翼板高度的增加翹曲高度呈先上升后下降的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

a.建立了變截面縱梁輥壓成形仿真模型，得到了復(fù)雜板材成形后翼板邊緣的縱向應(yīng)變。結(jié)果表明，腹板翹曲與縱向應(yīng)變有關(guān)，當(dāng)板材沿著成形方向的應(yīng)變分布較均勻時(shí)，產(chǎn)生的腹板翹曲缺陷最小。

b.通過(guò)對(duì)不同材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的板材進(jìn)行柔性輥壓成形，結(jié)果表明，板材的材料、厚度以及翼板高度都能影響腹板翹曲，通過(guò)對(duì)極差分析結(jié)果得到各因素對(duì)腹板翹曲的影響從大到小排序?yàn)椋汉穸?、翼板高度、板材材料?/p>

c.同等條件下，與鋁合金材料相比，高屈強(qiáng)比高強(qiáng)度鋼制備的腹板翹曲高度降低，但低屈強(qiáng)比高強(qiáng)度鋼制備的腹板翹曲高度反而增高。

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