摘 要：基于Simufact Forming軟件建立不銹鋼薄管折彎成型的有限元仿真模型，模擬薄管折彎成型過程并分析接觸面摩擦因數(shù)和折彎速度對(duì)薄管折彎后回彈程度的影響。結(jié)果表明：隨著薄管折彎角度的不斷增大，折彎區(qū)域的等效應(yīng)力逐漸增大，局部高應(yīng)力區(qū)域增大，外側(cè)壁厚逐漸減小，內(nèi)側(cè)壁厚逐漸增大；薄管折彎后回彈量隨摩擦因數(shù)的增大或折彎速度的減小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)摩擦因數(shù)為0.2或折彎速度為2 s內(nèi)190°時(shí)，薄管的回彈量最大。該結(jié)果能夠?yàn)楸」苷蹚澇尚湍M仿真和回彈量預(yù)測(cè)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：不銹鋼薄管；折彎成型；回彈；有限元模型；模擬分析

中圖分類號(hào)：TH164文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0155-03

Finite Element Simulation and Analysis on Bending Forming and Springback of Stainless Steel Thin Tube

Abstract：The finite element model of bending forming of stainless steel thin tube was established on Simufact Forming software. The process of bending forming was simulated， and the influences of coefficient of friction and bending speed on springback degree were analyzed. The results showed the equivalent stress within the bending region increased， the local high-stress areas were extended， outer thickness decreased and inner thickness increased with the increment of bending angle. And the springback degree of stainless steel thin tube first increased and then decreased with the increase of the friction coefficient or the decrease of the bending speed. When the friction coefficient is 0.2 or bending speed 190° within 2 s， the springback degree reaches the maximum. This study can be of the references for the simulation of thin tubes bending forming and the prediction of springback.

Keywords：stainless steel thin tube; bending forming; springback; finite element model; simulation analysis

0 引言

折彎成型是不銹鋼加熱管生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，直接影響加熱管的服役性能。不恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)可能會(huì)導(dǎo)致加熱管產(chǎn)生局部起皺、裂紋和畸形等缺陷［1-4］。在折彎成型過程中，薄管局部發(fā)生彈性變形和塑性變形，當(dāng)外力撤掉后，薄管在殘余應(yīng)力的作用下發(fā)生回彈，回彈直接影響加熱管的正常使用，當(dāng)回彈量較大時(shí)，需要對(duì)加熱管進(jìn)行校正［5-7］。目前有限元仿真已經(jīng)被廣泛用于金屬材料塑性成型加工的數(shù)值模擬，通過運(yùn)算求解輸出工件在加工過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等結(jié)果，能夠指導(dǎo)產(chǎn)品和模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方案制定［8］。因此通過有限元仿真的方法模擬不銹鋼薄管的折彎成型過程并分析薄管在折彎過程中的應(yīng)力分布、壁厚變化以及不同折彎條件下的回彈情況，對(duì)不銹鋼加熱管的折彎工藝參數(shù)優(yōu)化和回彈預(yù)測(cè)具有重要意義。

近年來，研究人員已經(jīng)對(duì)薄管折彎成型的有限元分析開展了一系列研究。彭博等［9］基于ABAQUS/Explicits平臺(tái)對(duì)不銹鋼圓管繞彎成型進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)接觸面摩擦因數(shù)直接影響薄壁圓管繞彎區(qū)域的應(yīng)力大小、應(yīng)力分布和截面厚度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)芯棒球頭旋轉(zhuǎn)的自由度對(duì)圓管繞彎質(zhì)量有著較大影響。蔣佳華等［10］以發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃油總管的進(jìn)油管為研究對(duì)象，借助PAM-STAMP軟件對(duì)其折彎成型過程進(jìn)行有限元仿真，結(jié)合具體生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)進(jìn)油管圓度值、壁厚減薄、褶皺等情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，所得結(jié)果有助于后續(xù)工藝參數(shù)的制定。徐建美等［11］基于ABAQUS/Explicits平臺(tái)建立了 0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管材數(shù)控彎曲成型的三維彈塑性有限元模型，分析了管模間隙對(duì)管材彎曲成型截面質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著芯棒與管材間隙的增大，管材壁厚減薄率減小，截面畸變程度先減小后增大。隨著彎曲模與管材間隙的增大，管材壁厚減薄率和截面畸變程度均增大。隨著防皺塊與管材間隙的增大，壁厚減薄率和截面畸變程度先減小隨后基本保持不變。本文在Simufact Forming軟件中建立了AISI441不銹鋼薄管折彎成型的有限元模型，模擬了薄管折彎成型過程并研究了接觸面摩擦因數(shù)和折彎速度對(duì)薄管回彈的影響規(guī)律，研究結(jié)果能夠?yàn)楸」苷蹚澇尚偷臄?shù)值模擬和回彈預(yù)測(cè)提供一定的參考依據(jù)。

1 有限元模型建立

在SolidWorks中構(gòu)建不銹鋼薄管、折彎模、壓模等三維模型并導(dǎo)入Simufact Forming有限元軟件，如圖1所示。不銹鋼薄管的尺寸為長(zhǎng)度400mm，內(nèi)徑4mm，壁厚0.5mm。材料為AISI441鐵素體不銹鋼，具體力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。使用Simufact Forming內(nèi)置模塊對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體，單元數(shù)量為114 483個(gè)。

有限元仿真參數(shù)設(shè)定中，將折彎模、壓模、夾模和導(dǎo)向槽設(shè)置為剛體。折彎軸與薄管之間的接觸類型為直接接觸，接觸面摩擦因數(shù)為0.1～0.4。在不銹鋼薄管折彎成型過程中，折彎模在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（1s～4s）轉(zhuǎn)動(dòng)190°，折彎半徑為12mm，夾模隨折彎模一同轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)管材的折彎，壓模和導(dǎo)向槽固定不動(dòng)。工件溫度、模具溫度和環(huán)境溫度均設(shè)置為20 ℃。

2 薄管折彎成型過程模擬

不銹鋼薄管折彎成型過程模擬和實(shí)際樣品如圖2所示。當(dāng)折彎速度為1 s內(nèi)190°、摩擦因數(shù)為0.4時(shí)，不銹鋼薄管折彎過程中的等效應(yīng)力如圖3所示。由圖可以看出，隨著折彎角度的不斷增大，折彎區(qū)域的應(yīng)力增大，局部高應(yīng)力區(qū)域逐漸擴(kuò)大，同時(shí)這些區(qū)域也是薄管變形量較大的部分。

對(duì)折彎區(qū)域薄管壁厚進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)外側(cè)受切向拉應(yīng)力作用，壁厚隨折彎角度增大逐漸減小，最大減薄率為13.2%，內(nèi)側(cè)受切向壓應(yīng)力作用，壁厚隨折彎角度增大逐漸增大，如圖4所示。

3 薄管折彎回彈仿真分析

為了研究接觸面摩擦因數(shù)和折彎速度對(duì)不銹鋼薄管折彎回彈的影響，模擬仿真中在高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)設(shè)置4個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)比折彎后節(jié)點(diǎn)沿x軸和y軸方向的位移量，進(jìn)一步分析不同折彎條件下的薄管回彈程度。圖5和圖6展示了不同摩擦因數(shù)和折彎速度條件下不銹鋼薄管折彎成型后跟蹤節(jié)點(diǎn)的位移。薄管折彎后，由于折彎區(qū)域存在殘余應(yīng)力和彈性變形恢復(fù)，4個(gè)節(jié)點(diǎn)均會(huì)沿著x軸正方向發(fā)生不同程度的移動(dòng)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)1還會(huì)沿著y軸負(fù)方向移動(dòng)，而其他3個(gè)節(jié)點(diǎn)沿著y軸正方向移動(dòng)，回彈情況與實(shí)際樣品基本一致。4個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)中，薄管折彎后節(jié)點(diǎn)4相較于其他3個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移量較小。隨著摩擦因數(shù)的增大，4個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)摩擦因數(shù)為0.2時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的位移量達(dá)到最大，代表不銹鋼薄管的回彈量最大。隨著折彎速度的減小，4個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，節(jié)點(diǎn)位移量最大情況出現(xiàn)在折彎速度為2 s內(nèi)190°時(shí)。以上結(jié)果表明，通過調(diào)整接觸面摩擦因數(shù)和折彎速度可以有效控制不銹鋼薄管折彎回彈程度，但在實(shí)際生產(chǎn)中需要進(jìn)一步綜合考慮材料彈性模量、管壁厚度、折彎半徑等因素的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在SolidWorks中建立了不銹鋼薄管、折彎模、壓模、夾模和導(dǎo)向槽的三維模型，導(dǎo)入Simufact Forming進(jìn)行有限元分析，使用內(nèi)置模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)合實(shí)際折彎成型工藝設(shè)置折彎速度、接觸類型、摩擦因數(shù)等參數(shù)。

2）隨著折彎角度的不斷增大，折彎區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力逐漸增大，高應(yīng)力區(qū)域增大，外側(cè)壁厚減小，內(nèi)側(cè)壁厚增大。薄管的回彈量隨著摩擦因數(shù)的增大或折彎速度的減小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)摩擦因數(shù)為0.2或者折彎速度為2 s內(nèi)190 °時(shí)，薄管的回彈量達(dá)到最大。

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