冷弯成型及回弹

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1、55卷第4期（总第211期）中国造船Vol.55No.4（SerialNo.211）2014年12月SHIPBUILDINGOFCHINADec.2014文章编号：1000-4882（2014）04-0033-15高强度钢厚板冷弯成型及回弹分析吴义江，赵耀（华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉430074）摘要高强度钢厚板冷弯成型中的回弹是关注的焦点。通过数值仿真方法对回弹的影响参数进行了分析。首先对两个实例进行数值模拟并与试验结果相比较，分别对接触算法和回弹算法的有效性和适用性进行了验证。然后，用该数值仿真方法分析冷弯成型中凸模下压量、板材的

2、厚度、模具边缘与钢板之间的摩擦系数、钢板的厚向异性系数、凸模的半径、成型的加载历程、钢板的材料性质对板材成型回弹的影响。对钢板的应力及应变分布进行了分析，对应力及应变分布与回弹之间的关系进行了总结。结果表明，模具下压量、板厚、材料性质和上模具半径对成型结果影响较大，而摩擦系数、厚向异性系数、加载对成型影响较小。钢板中心区域的应力对板的回弹影响较大，当中心应力水平降低时，板的回弹量相应减小。关键词：高强度钢厚板；筒形冷弯成型；回弹；数值仿真中图分类号：U661.4文献标识码：A0引言随着船舶向大型化、轻型化、低能耗方向发展，高强度钢在船舶上的应用

3、越来越广泛。船用钢板[1]的尺寸较大、加工工艺复杂，其成型规律不易总结。由于屈服极限的提高，应用传统工艺成型高强[2]度钢板时回弹现象显著。准确预测回弹高强度钢的回弹成为人们关注的焦点。[3]Huang等通过试验与有限元计算结合的方法，研究了V形模具成型中冲压载荷与板宽板厚的关[4]系，验证了其使用的仿真方法。Chan用有限元计算分别对V形弯曲成型中V形区域和模具口区域的[5]回弹特性进行了研究，得到回弹与压头半径、压头夹角、模具口半径等相关的结论。石磊等采用U形件回弹模型，针对600MPa级别的高强度钢进行了回弹试验研究。他的研究表明，不同工

4、艺参数、不同材料性能参数对弯曲回弹呈单调的影响规律。目前大部分研究是针对汽车、航空航天上使用的薄[6-8]板进行的，对船舶使用的厚板研究还较少。厚板成型时的回弹是自动化成型的一大障碍，严重影响了船舶生产制造的效率。本文的研究对象是船厂广泛使用的单曲率冷弯成型，成型装备由单曲率长条状凸模和单曲率长条状凹模组成。其成型方式是将钢板放置在凸模与凹模之间，然后凸模下压使钢板弯曲，局部产生塑性变形。随着下压量的增大，弯曲程度逐渐增大，直至达到目标形状。在整个成型过程中涉及到弹塑性大变形、模具与钢板之间的接触、卸载后的回弹等强非线性问题，理论分析困难。本文

5、使用数值反、正计算方法来研究成型的相关问题，对高强度钢厚板在冷弯成型时的回弹与应力、应变分布的特性展收稿日期：2013-11-01；修改稿收稿日期：2014-09-12基金项目：科技部国际合作专项（2012DFR80390）；湖北省自然科学基金重点项目（2011CDA031）34中国造船学术论文开研究。首先利用已有的试验结果对仿真方法的有效性进行了验证，然后根据某高强度钢板材选择了3种板厚进行成型数值仿真计算，对板材冷弯成型过程中的影响因素进行了分析。1成型仿真方法验证在冷弯成型过程中钢板必然要发生弹塑性大变形。随着弯曲程度增大，钢板与模具间的

6、接触也在不断的改变。卸载时弹性变形的回复使板的弯曲程度在一定程度上有所减小，即回弹。对回弹的描述分为两种：回弹量，即板上各点回弹后挠度减去回弹前挠度的差值；回弹比，即板上各点回弹后的曲率与回弹前的曲率之比。本文对仿真方法的有效性采用了两个算例进行验证。将数值计算结果与Huang[3]的试验和本研究中进行的试验结果进行对比。Huang的试验和本研究中进行的试验模型示意图分别如图1和图2所示。数值仿真分析中需要用到的参数和变量列于表1。WupWupRupRupRdownWdownWdown图1Huang试验模型图2本研究试验模型表1使用的变量变量说

7、明变量说明Wn/mm凸模下压量，n表示下压位移量。ry垂直钢板轧制方向的厚向异性系数Rup/mm凸模半径模具与钢板接触的摩擦系数Rdown/mm凹模半径E/MPa杨氏模量′Wup/mm上模宽度E/MPa双线性模型塑性阶段的斜率Wdown/mm下模宽度σy屈服应力r/mm凹模倒圆弧半径ν泊松比rx钢板轧制方向的厚向异性系数1.1接触仿真方法验证在有限元计算中定义接触对及接触属性。两对接触分别是凸模与板上表面及凹模与板下表面的接触。定义模具表面为主面，钢板表面为从面。在接触属性中分别定义了接触时的法向属性为硬接触，切向属性为罚函数摩擦。55卷第4

8、期（总第211期）吴义江，等：高强度钢厚板冷弯成型及回弹分析35在Huang的V形模具成型试验中分析了模具下压量与冲压载荷之间关系。本文取其一个模型利