多道次輥彎成形冷彎型鋼殘余應(yīng)力有限元仿真與實驗研究.pdf

1、冷彎型鋼具有斷面均勻、生產(chǎn)率高、能源消耗低等優(yōu)點,在汽車、建筑和橋梁等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。由于冷彎型鋼往往作為結(jié)構(gòu)的主要承載部件,其殘余應(yīng)力是決定結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和服役性能的關(guān)鍵要素。而冷彎型鋼的輥彎成形工藝是一個反復(fù)加載、卸載的過程,各成形道次變形相互耦合,變形區(qū)不斷變化,特別足閉口冷彎型鋼制造還涉及到熱力耦合的焊接過程,影響成形質(zhì)量的工藝參數(shù)眾多,殘余應(yīng)力的分析與控制十分困難。由于理論上缺乏系統(tǒng)的仿真分析和預(yù)測方法,工程上缺少成熟的

2、殘余應(yīng)力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,限制了我國冷彎型鋼在大型工程上的應(yīng)用。
　　 本文以多道次輥彎成形冷彎型鋼為研究對象,采用數(shù)值仿真和實驗分析相結(jié)合的手段對多道次輥彎成形工藝產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行了深入的研究。在分析多道次輥彎成形工藝和焊接過程的基礎(chǔ)上,以大型工程有限元分析軟件ABAQUS為平臺,基于隱式算法,建立了面向殘余應(yīng)力預(yù)測的開口與閉口冷彎型鋼多道次輥彎成形及焊接仿真分析模型,對生產(chǎn)工藝各個因素對冷彎型鋼最終殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律展開

3、了研究。具體開展了以下幾個方面的研究工作:
　　 (1)面向殘余應(yīng)力預(yù)測的多道次輥彎成形仿真方法研究
　　 以已有文獻(xiàn)的實驗?zāi)Ｐ蜑閷ο?基于隱式算法,建立了面向殘余應(yīng)力預(yù)測的多道次輥彎成形仿真方法,解決了仿真過程的收斂問題,并對影響冷彎型鋼成形預(yù)測精度的仿真參數(shù)進(jìn)行了分析。同時,以開口冷彎型鋼仿真方法為基礎(chǔ),通過接觸面法向不分離和多節(jié)點方程約束等技術(shù)實現(xiàn)合口過程模擬,提出了基于成形與合口兩步仿真的閉口冷彎型鋼仿真方法,并

4、以實際的閉口產(chǎn)品驗證了閉口冷彎型鋼仿真模型。已取得研究成果對多個行業(yè)關(guān)鍵產(chǎn)品以及輥彎成形工藝相關(guān)的仿真研究具有參考價值。
　　 (2)開口冷彎型鋼輥彎成形殘余應(yīng)力的實驗與仿真分析
　　 對X射線衍射方法進(jìn)行了理論分析,推導(dǎo)了內(nèi)表面殘余應(yīng)力測量的基本公式,討論了殘余應(yīng)力的測量方法,完成開口冷彎型鋼殘余應(yīng)力的測試?；谇懊娣抡娣椒ǖ难芯砍晒蛯嶋H產(chǎn)品設(shè)計參數(shù),建立并驗證了輥彎成形開口冷彎型鋼殘余應(yīng)力的仿真模型,對輥彎成形產(chǎn)生

5、的殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析討論。最后,基于所建立的模型,研究了材料參數(shù)、工藝參數(shù)和形狀參數(shù)對開口冷彎型鋼內(nèi)外表面殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律。揭示的開口冷彎型鋼殘余應(yīng)力變化規(guī)律可以為輥彎成形工藝設(shè)計人員提供有益的參考。
　　 (3)閉口冷彎型鋼焊接過程完全熱力耦合分析
　　 在閉口冷彎型鋼仿真方法的基礎(chǔ)上,提出了采用單元生熱方式加載熱源的熱力耦合分析方法。在確定仿真焊接熱源和焊接熱損主要形式的基礎(chǔ)上,著重分析了完全熱力耦合分析的單元

6、類型、網(wǎng)格劃分和材料的熱物理性能和相關(guān)仿真參數(shù)。以已經(jīng)進(jìn)行了殘余應(yīng)力測量的閉口冷彎型鋼設(shè)計參數(shù)為依據(jù),建立并驗證了產(chǎn)品的焊接完全熱力耦合分析仿真模型。研究得到的完全熱力耦合分析方法可用于類似的焊管和其他閉口截面焊接過程的成形預(yù)測或深入分析。
　　 (4)輥彎成形閉口冷彎型鋼殘余應(yīng)力實驗研究
　　 應(yīng)用X射線衍射方法對閉口冷彎型鋼產(chǎn)品進(jìn)行了大量的殘余應(yīng)力實驗研究,得到包括兩種材料、兩種工藝(圓變方、方變方)、13個不同規(guī)格

7、試件、共560點次的殘余應(yīng)力測量結(jié)果。在分析大量試件內(nèi)外表面及沿厚度方向殘余應(yīng)力實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,研究了影響閉口冷彎型鋼殘余應(yīng)力分布的幾個重要因素,結(jié)果表明徑厚比對殘余應(yīng)力的影響較大。本文的實驗研究為制定殘余應(yīng)力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范提供了數(shù)據(jù)支持。
　　 本文在充分吸收和借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,對多道次輥彎成形冷彎型鋼殘余應(yīng)力進(jìn)行了深入的研究和探討。研究以數(shù)值模擬為主,輔以大量的實驗研究,為多道次輥彎成形冷彎型鋼殘余應(yīng)力預(yù)測提供了有