先进高强度钢辊弯成型工艺仿真研究 - 文章

先进高强度钢辊弯成型工艺仿真研究

作者：史永凌刘继英

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摘要：在一个辊弯成型项目研究中，运用有限元软件MARC对先进高强度钢DP800辊弯成型过程进行仿真，通过生产实践中的应用验证了仿真模型的正确性。建立了圆角辊弯模型，将DP800和Q235用于该模型进行分析，结果表明：随着成型角度的增大，与Q235相比, DP800的回弹增量及辊弯变形能增量均有增加的趋势。将仿真与biswas公式计算所得回弹进行比较，发现BISWAS回弹公式不能直接应用于DP钢的辊弯回弹计算，而应在公式中采用随弯曲角增加而增大的屈服应力。
关键词：先进高强度钢辊弯成型 FEA回弹变形能 BISWAS公式

1 引言

先进高强度钢（AHSS：Advanced High Strength Steel）具有优良的材料性能[1,2]。国际钢铁协会的报告对AHSS从概念到性能及应用的各个方面做了详尽的介绍[3]。由于迎合了欧洲超轻钢车身先进车辆概念（ULSAB-AVC： The Ultralight steel Auto Body-Advanced Vehicle Concepts ）的安全、节能、经济的先进理念，AHSS在汽车工业中得到了日益广泛的应用[4]。

在汽车结构件的加工工艺中，辊弯成型（Rollforming）方法生产率高，在某些部件得成型中具有其它工艺不可替代的优势。研究AHSS的辊弯成型工艺，成为先进高强度钢应用中的一个重要课题。

2 AHSS及双相钢简介

AHSS的概念是基于高强度钢（HSS：high strength steel）提出来的，而钢材的力学性能主要在其塑性和强度，AHSS的研究也基于HSS朝这两个方向发展。一个方向是强度基本不变，提高优化其塑性性能；而另一个方向则是塑性基本不变而提高其强度。塑性提高的钢种有双相钢(DP:double phase)，相变诱发塑性钢(TRIP)；强度提高的钢种有复相钢(CP)，马氏体钢(Mart)[3]。

本文研究用先进高强度钢为DP。DP由铁素体（Ferrite）基体和以孤岛形式分布的坚硬的第二相—马氏体（Martensite）组成。材料强度通常随马氏体含量的增加而增加。图1为DP金相示意图[3]，图2为本文研究用DP800金相图。

DP的力学性能可以从金相图来解释，软相铁素体通常是连续的，赋予双相钢良好的延展性。当变形集中于低强度相—铁素体时，硬相马氏体赋予双相钢独特的高应变硬化速率。高的应变硬化速率和良好的延展性使得双相钢的抗拉强度大于普通钢材（如高强度低合金钢HSLA： High－strength ,low－alloy）。

图3给出了同一屈服强度的HSLA与DP准静态的应力应变特性曲线对比[3]。与HSLA相比，DP显示出高的初始应变硬化速率，高的抗拉极限，低的屈强比。特别需要指出的是，DP力学曲线显示其不存在屈服点延伸。

图4表示DP用于ULSAB-AVC的结构件的比例 [4]，进一步说明了研究DP辊弯工艺的重要性。

图3 HSLA与DP应力应变曲线对比图4 用于ULSAB-AVC的钢种(按重量划分)

3 项目仿真研究

3.1 项目简介

该项目来源于轿车加强梁的辊弯成型生产线设计研发项目。图5是该项目产品断面图。

表1所示为该项目研究所用DP材料参数[5]。

3.2 项目仿真分析模型的建立

根据有限元理论建立假设条件[6,7]：采用理想化轧机，理想化的安装及调试状态；假设轧辊为刚体并不计轧辊与板料间的摩擦；假设板材各向同性；截取一个长度段的板料代替成型过程的整卷板料进行模拟。按照以上的假设，根据运动关系的力学等效，采用1/4轧辊依次滑过板料进行成型分析。

单元选用：本项目板料厚度1.5mm，相对于板料宽度142mm及所模拟板料长度400mm，尺寸较小，根据壳体理论简化为壳。通过对Marc的单元进行分析，考虑辊弯工艺特性，选择75号壳单元[8]。75号壳单元为双线性、四节点壳单元，每个节点具有6个自由度，考虑横向剪切效果。

材料模型：根据材料的塑性参数用幂函数拟合。

工况设置：根据轧辊与板料接触特点，每道次设置一个工况。

分析选项设置：采用带应变修正的NR方法和完全应力修正法[9]。

边界条件设置：端部纵向固定，在变形初期建立尾部夹持约束。

3.3 项目仿真结果对比及最终产品

该项目的完成共进行了两次设计，两次仿真分析。第一次设计的轧辊经过分析，发现在第九道次出现比较大的边波，如图6所示。分析认为低估了AHSS的回弹,经修改轧辊设计，再次仿真，结果较好，如图7所示。

将第二次设计方案用于实际生产，产品比较理想，见图8。

4 利用项目仿真模型分析DP辊弯工艺

辊弯工艺设计根据现有的理论结合长期的实践经验而进行，DP做为一种新型材料，有必要深入研究其辊弯参数。

4.1分析模型的建立

圆角成型是典型的辊弯成型工艺。因此，将其从仿真模型中分离出来进行分析，对其特性进行研究，得到的结论对于一般辊弯工艺具有指导意义。选取在成型过程中的一个圆角，根据孔型施加边界条件。分析材料在该圆角前七个道次的成型，其成型辊花见图9。

Q235是辊弯成型常用材料，为了给辊弯设计提供有效参考，将DP800与Q235用于上述圆角成型辊弯模型进行对比分析。

4.2 辊弯回弹对比分析

对板料在孔型中的角度和回弹后的角度进行比较，可得出辊弯回弹值。由仿真结果计算得到两种材料辊弯回弹值，见图10。比较DP800与Q235的辊弯回弹值，可以得出DP800相对于Q235的回弹增量，见图11。

4.3 辊弯变形能对比分析

在每个道次的不变形区，提取板材的总变形能数据，将两种材料仿真结果的变形能进行对比，分析DP800所需总变形能相对于Q235所需总变形能的增量百分比。比较结果列于表2。

表2 DP800与Q235变形能比较

5 回弹仿真结果与BISWAS回弹公式计算结果的比较

为了使仿真研究更有效的指导实践，将回弹仿真结果与辊弯设计中常用的BISWAS回弹公式的计算结果进行比较。

5.1 BISWAS回弹计算公式[10]

其中，

，ri1为要弯曲半径（mm），ri2为回弹后半径（mm），rf为屈服曲率（mm）， E为杨氏模量（MPa），t为板料厚度（mm），S为材料屈服应力（MPa）。

5.2 BISWAS公式计算结果与仿真结果对比

由ri2 和辊弯段弧长计算得到回弹后角度，与仿真分析结果进行对比，如图12～13。

图12 DP800辊弯回弹BISWAS计算值与仿真之差

5.3 对屈服应力S进行修正，应用于BISWAS公式，计算DP辊弯回弹

随成型角度增大，板料塑性应变增加，辊弯成型初始屈服应力也增加。由图12可知，BISWAS公式计算DP回弹时有较大偏差，因此，考虑采用随弯曲角增加而增大的屈服应力（图14）代入BISWAS公式计算DP回弹，计算结果如图15所示。

6 结论

1 建立辊弯仿真模型，通过仿真结果在生产实践中的应用，验证了该仿真模型的正确性。

2由仿真模型建立圆角辊弯模型并进行工艺分析，研究结果表明：与Q235相比，随着成型角度的增加， DP800的回弹增量及辊弯变形能增量均有显著增加。每道次成型量为12°左右时，DP800与Q235相比，回弹增量的均值为3°，变形能增量百分比的均值为46％。

3 将辊弯回弹分析结果与BISWAS回弹公式计算结果进行对比，发现biswas公式不能简单地应用于DP辊弯回弹计算，而应考虑屈服应力随弯曲角度增加而增大的特性，寻求新的计算方法。

参考文献
1 Kenichi Watanabe; Yoshinobu Omiya; Jody Shaw; Soichirou Saitou . Material characterization of new advanced high strength steel . 2000年自动车技术会秋季大会学术讲演会, 小仓，日本, October 17, 2000: p.1-4
2 Jody Shaw; Ming Chen; Kenichi Watanabe; Soichirou Saitou . Material characterization of new advanced high strength steel - Formingautomotive application . 2000年自动车技术会秋季大会学术讲演会, 小仓，日本, October 17, 2000 : p.5-8
3 International Iron and Steel Institute, Advanced High Strength Steel( AHSS) Application Guidelines , www.worldautosteel.org .
4 Michael D. Thorpe; Henrik Adam ULSAB-AVC - Overview and design . SAE 2002 World Congress .2003 9~17
5 www.ssabdirect.com
6 曾攀 . 有限元分析及应用 . 北京:清华大学出版社 . 2004 . 376-385
7 王春新. 冷弯成型过程的计算机仿真在工程实例中的应用研究 . 北方工业大学硕士学位论文,2003.5
8 MSC.Software Corporation . MSC.MARC 2005 VOLUME B,2005 .428-433
9 MSC.Software Corporation . MSC.MARC 2005 VOLUME A,2005
10 data M Software GmbH COPRA RF Software User Manual,2005.7(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/2/2008)


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