摘要：采用大型商用非线性有限元软件MSC.Marc 研究了轻量化结构件的弯曲成形工艺，分别建立了铝合金整体壁板增量弯曲、三辊滚弯成形工艺的三维弹塑性有限元模型和AZ31 镁合金型材温热绕弯成形工艺的三维热力耦合有限元模型，并成功地模拟了三种弯曲工件的成形和回弹过程。基于有限元计算结果，分析了弯曲成形过程中各种场量的演变规律，研究了工艺参数对弯曲件回弹的影响，为弯曲工艺实验提供参考。
关键词：MSC.Marc；轻量化结构件；弯曲成形；回弹；数值模拟
轻量化结构件是航空航天、汽车、轨道交通等领域的一种重要零部件[1]。它们应用于航空航天领域，一方面可以明显降低重量，增加载重量；另一方面，大量整体结构件的使用增强了零部件的强度和刚度，提高了性能、减少了零部件的数量、缩短了装配时间[2-3]。轻量化结构件应用于汽车交通领域，减轻了车身的重量、降低了油耗和污染排放量。这些领域所使用的零部件为了追求整体的优越性能和提高气动力外形，往往需要将结构件弯曲成一定外形，这就需要采取合适的弯曲工艺。但是，轻量化结构件大多属于多筋薄壁结构件，结构形式复杂，特别是弯曲成形过程中回弹现象不易控制，给实际生产应用带来很多困难[4-8]。因此，为了获得高尺寸精度的弯曲结构件，有必要针对具体的结构件开展回弹现象研究[9-15]。有鉴于此，本文采用MSC.Marc 软件建立了铝合金整体壁板增量压弯、三辊滚弯成形工艺的三维弹塑性有限元模型和AZ31 镁合金型材温热绕弯成形工艺的三维热力耦合有限元模型，模拟了三种弯曲工件的成形和回弹过程，研究了工艺参数对弯曲件回弹的影响，为弯曲工艺提供参考。
1 有限元模型建立
按照弯曲工艺分别建立了增量弯曲铝合金整体壁板（材料：7075）、滚弯铝合金整体壁板（材料：2A12T4）与温热绕弯镁合金型材（材料：AZ31）有限元模型，如图1 所示。整体壁板与镁合金型材在长、宽、高三个方向上的尺寸差异大，尤其是长度方向尺寸远大于其他两个方向的尺寸，因此几何模型的网格划分就比较困难。考虑到三种型材的几何结构比较规则，采用单元建模方法能够有效地解决网格划分问题。单元建模方法的基本思想是使用单元直接构建几何模型，这样，当模型建立成功后网格划分同时也就自动完成了，从而避免了在几何模型上再次进行网格划分这一过程。
2 模拟结果分析
2.1 整体壁板增量弯曲
图2 为某型飞机网格式整体壁板高筋结构件沿压弯线方向各节点加载历史过程位移变化。从图2 中可以看到，各节点位移变化平稳均匀。结构件回弹幅度很大，塑性变形程度很小，这表明，整体壁板在实际成形过程中，需要较大的压下量才能获得具有一定曲率半径的壁板，给加工带来了一定的困难。
2.2 整体壁板滚弯成形
图3 为滚弯整体壁板的模拟结果。回弹率等于回弹后弯曲半径与回弹前弯曲半径的差值除以回弹前弯曲半径所得的值。随着压下量的增大，回弹前后的弯曲半径均减小，回弹率也减小。压下量增大，整体壁板变形程度增加，塑性变形量增大，弯曲半径减小，弹性变形量占总变形量的比例减小，因此回弹率减小。
2.3 型材绕弯成形
图4 所示为AZ31 镁合金型材模具卸载后不同弯曲角下回弹角度随时间的变化关系图。峰值点为模具卸载后型材达到的最大回弹角度。模具卸载两秒后模具与型材完全脱离，这期间产生的回弹角度较大，此时外力完全撤除，型材的弹性能得到完全释放，随后产生小范围回弹，至此回弹发生完全。在相同的型材弯曲温度条件（150℃），不同的弯曲角度（100-107°）所引发的回弹参考节点位移变化趋势是一致的，其变化率基本相同，即回弹角度近似相同，但可以看出，随着弯曲角度的提高回弹角有增大的趋势。所以在相同温度下，弯曲角度的小范围变化（100-107°）对型材的回弹影响不大。
图4 AZ31 镁合金型材模具卸载后不同弯曲角下回弹角度随时间的变化
AZ31 镁合金型材温热绕弯工艺参数对回弹角的影响规律如图5 所示，图5(a)、(b)和(c)分别为成形温度、弯曲角度和预拉伸量对回弹角的影响规律。由图5 可知，随着成形温度的升高，型材回弹角减小，由8.37°降低至7.20°，降低幅度为14.01%；随着弯曲角度的增加，型材回弹角增大，由7.57°增加至8.27°，增加幅度为9.27%；随着预拉伸量的增加，型材回弹角减小，由8.92°降低至7.32°，降低幅度为17.98%。
3 结论
（1）轻合金结构件弯曲工艺是大位移、小应变成形过程，弹性回复能力相当强。整体壁板增量弯曲时回弹幅度很大，塑性变形程度很小。因此，在实际成形过程中，需要较大的压下量才能获得具有一定曲率半径的壁板，给加工带来了一定的困难。整体壁板滚弯成形时，随着压下量的增大，回弹前后的弯曲半径均减小，回弹率也减小。
（2）相同温度下，弯曲角度的小范围变化（100-107°）对型材的回弹影响不大。随着成形温度的升高，型材回弹角减小，由8.37°降低至7.20°，降低幅度为14.01%；随着弯曲角度的增加，型材回弹角增大，由7.57°增加至8.27°，增加幅度为9.27%；随着预拉伸量的增加，型材回弹角减小，由8.92°降低至7.32°，降低幅度为17.98%。
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