q345中厚板v形折彎應(yīng)力應(yīng)變中性層內(nèi)移規(guī)律研究

q345中厚板v形折彎應(yīng)力應(yīng)變中性層內(nèi)移規(guī)律研究

作為一種承受著高度的線性加工的基本方法之一，金屬板彎曲形成技術(shù)具有生產(chǎn)力高、成本低、輕量化等特點。廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，主要用于所有板材材料的加工。因此，對金屬板彎曲制造的研究深度決定了板材彎曲制造的發(fā)展。伴隨著科技的發(fā)展和設(shè)備復(fù)雜程度的增加,成形工藝將會更加復(fù)雜,且對于高效率、低成本和高精度的要求也會更加嚴(yán)格。高強(qiáng)度鋼板具有優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低零件重量、提高機(jī)械設(shè)備的安全性和抗腐蝕能力等優(yōu)點,近幾年在汽車機(jī)車和工程機(jī)械領(lǐng)域上的用量日益增多。高強(qiáng)度鋼是指屈服強(qiáng)度在300MPa以上的鋼材,目前國外已形成了低合金高強(qiáng)度工程機(jī)械用鋼系列產(chǎn)品,如美國A514(T-1)系列鋼、日本W(wǎng)ehen系列高強(qiáng)度鋼、德國的Ste460和Ste690等[6—10]。近年來,板料成形性研究有了很大的發(fā)展[11—12],對于薄板成形中的開裂、起皺和回彈等主要缺陷研究較多,但厚度在4mm以上的中厚板折彎工藝?yán)碚撗芯旷r見報道。中厚板在折彎過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化、中性層移動現(xiàn)象及其彎曲坯料展開尺寸確定等問題,仍有待進(jìn)一步研究和解決。文中以Q345中厚板的V形折彎為例,采用數(shù)值模擬的方法分析其在成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布和中性層移動規(guī)律,并進(jìn)行了物理實驗,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較為吻合。1行使板料的網(wǎng)格劃分及折彎過程中厚板V形折彎的有限元模型如圖1所示。其中,凸模和凹模定義為解析剛體,不進(jìn)行網(wǎng)格劃分,凸模圓角半徑為16mm;板料厚度為16mm,寬度為60mm,長度為500mm,采用6面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,單元大小為4mm×4mm×4mm,共劃分7500個網(wǎng)格單元。采用動力顯示算法對折彎過程進(jìn)行定義,摩擦因數(shù)為0.12,沖壓速度為2.5mm/s,成形時間為10s。凸模下行使板料發(fā)生折彎變形,折彎角為135°。板料的材料為Q345,其力學(xué)性能參數(shù):密度ρ=7860kg/m3,彈性模量E=203GPa,屈服強(qiáng)度σs=345MPa,抗拉強(qiáng)度σb=750MPa,泊松比μ=0.285,延伸率≥16%。2在折疊過程中，等效應(yīng)力的彎曲分析中2.1有限元分析結(jié)果圖2所示為在折彎過程中不同變形程度下的板料等效應(yīng)力分布云圖。從圖2可以看出,在成形初始階段,與凸模接觸的板料及其外側(cè)部分的應(yīng)力值較大,發(fā)生了塑性變形,其他區(qū)域的等效應(yīng)力較小,未發(fā)生變形或只存在彈性變形。當(dāng)板料的變形程度為50%時,由于凸模的下行,使得板料的彎曲程度變大,與凸模接觸的板料受到凸模的壓力作用和兩側(cè)未變形區(qū)的擠壓作用,同時其外側(cè)板料受到較大的拉應(yīng)力作用。因此,以上2個區(qū)域的等效應(yīng)力值較大,最大等效應(yīng)力為543.2MPa,且板料整體的應(yīng)力分布表現(xiàn)為從中間向兩側(cè)逐漸降低。隨著凸模的繼續(xù)下行,變形區(qū)的塑性變形區(qū)域逐漸擴(kuò)大,板料的等效應(yīng)力值也逐漸增大。當(dāng)板料的變形程度為100%時,變形區(qū)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)板料的等效應(yīng)力最大,最大等效應(yīng)力值達(dá)到582.9MPa。如圖3所示,在板料的變形區(qū)內(nèi),分別在上表面、下表面和幾何中間層選取位置不同的3個節(jié)點。在后處理中提取節(jié)點在不同時刻下的等效應(yīng)力值,所繪制的等效應(yīng)力變化曲線如圖4所示。節(jié)點1和節(jié)點2顯示的為板料上表面中間節(jié)點等效應(yīng)力的變化曲線,隨著凸模的下行,節(jié)點1和節(jié)點2在開始階段等效應(yīng)力較小,處于彈性變形階段。當(dāng)?shù)刃?yīng)力達(dá)到345MPa后,進(jìn)入塑性變形階段,隨著彎曲過程的進(jìn)行,應(yīng)力值逐漸增大。節(jié)點3顯示的為板料變形區(qū)上表面塑性變形區(qū)與彈性變形區(qū)交界處節(jié)點等效應(yīng)力的變化曲線。從圖4可以看出,板料剛開始發(fā)生彈性變形,等效應(yīng)力值緩慢上升,在成形后期,等效應(yīng)力值基本穩(wěn)定在360MPa。節(jié)點7,8展示的是板料下表面中間節(jié)點等效應(yīng)力的變化曲線。從圖4中可以看出,板料由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形后,其等效應(yīng)力值逐漸增加,且由于板料下表面變形程度最大,因此其等效應(yīng)力值比上表面大。從節(jié)點9的等效應(yīng)力變化曲線可以看出,應(yīng)力值較小,在成形過程中只發(fā)生彈性變形。節(jié)點4,5,6為板料幾何中間層不同區(qū)域的等效應(yīng)力值變化曲線。板料受到凸模的擠壓,幾何中間層板料切向受到相鄰板料的擠壓,表現(xiàn)為切向壓應(yīng)力;隨著折彎的進(jìn)行,板料的變形程度增大,幾何中間層由于徑向受壓導(dǎo)致切向拉長,開始逐漸抵消相鄰板料的擠壓力。因此,隨著變形的進(jìn)行,節(jié)點4和節(jié)點5的曲線開始下降。而節(jié)點5的曲線顯示等效應(yīng)力在下降一段之后又逐漸回升,這是因為中厚板在折彎后期,變形區(qū)內(nèi)層的板料寬度會不斷增加,而外層寬度減小,因此邊緣節(jié)點5會受到邊緣處的內(nèi)層金屬和外層金屬的拉應(yīng)力作用,導(dǎo)致應(yīng)力值增大。節(jié)點6基本處于彈性變形階段,是導(dǎo)致板料最終產(chǎn)生回彈的重要原因。2.2等效應(yīng)變的影響圖5所示為在折彎過程中不同變形程度下的板料等效應(yīng)變分布云圖。從圖5可以看出,板料等效應(yīng)變分布的變化趨勢與等效應(yīng)力相對應(yīng),只是分布區(qū)域比等效應(yīng)變小,這是因為在遠(yuǎn)離折彎帶的區(qū)域只產(chǎn)生彈性變形,無塑性變形產(chǎn)生。在成形初始階段,等效應(yīng)變的較大值主要分布在上下表面的變形區(qū),上表面為壓應(yīng)變,下表面為拉應(yīng)變,幾何中間層的板料應(yīng)變值較小。隨著凸模的下行,等效應(yīng)變分布區(qū)分別向變形區(qū)兩側(cè)和板料的中間層擴(kuò)展。成形結(jié)束時,板料上下表面的等效應(yīng)變最大,且下表面的應(yīng)變值比上表面略大,最大值為0.1773。如圖6所示,在板料變形區(qū)中間部分,從上到下取5個節(jié)點。在后處理中提取節(jié)點在不同時刻下的等效應(yīng)力值,所繪制的等效應(yīng)力變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出,5個節(jié)點的等效應(yīng)變值均隨著折彎變形的進(jìn)行而增大。內(nèi)層板料受壓縮,產(chǎn)生壓應(yīng)變,其等效應(yīng)變值最大;外層板料受拉伸,產(chǎn)生拉應(yīng)變,其等效應(yīng)變值比內(nèi)層板料等效應(yīng)變值略小。由于中間層板料處于拉應(yīng)變和壓應(yīng)變的過渡區(qū)域,故板料中間層節(jié)點3的等效應(yīng)變值最小。2.3折彎過程中應(yīng)變中性層的變化在板材的彎曲過程中,其應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層發(fā)生內(nèi)移,且應(yīng)力中性層的內(nèi)移量大于應(yīng)變中性層的內(nèi)移量。關(guān)于中性層內(nèi)移的方式有3種不同說法。第1種,板料在由彈性彎曲階段進(jìn)入塑性彎曲階段后,并非完全的塑性彎曲,還存在著彈性彎曲,并伴隨存在一個彈性應(yīng)力應(yīng)變中性層,因此,在大曲率彎曲時,塑性應(yīng)力應(yīng)變中性層與彈性應(yīng)力應(yīng)變中性層均向內(nèi)移動。第2種,板料由彈性彎曲進(jìn)入塑性彎曲之后,只產(chǎn)生塑性彎曲變形。板料在彈性彎曲階段,其幾何中間層的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)?,故應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層重合并通過板料幾何中間層。板料在塑性彎曲階段,隨著彎曲過程的進(jìn)行,應(yīng)力應(yīng)變中性層作為一條連續(xù)的曲線產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)均勻移動的現(xiàn)象,塑性變形量越大,內(nèi)移量越大。第3種,板料在彎曲變形中分為3個區(qū)域,即變形區(qū)、過渡區(qū)和非變形區(qū)。應(yīng)力應(yīng)變中性層是連續(xù)的,在不同區(qū)域內(nèi)移量不同,非變形區(qū)中性層為幾何中心,變形區(qū)中性層內(nèi)移量最大。如圖8所示為板料在成形過程中X方向的應(yīng)力應(yīng)變云圖,圖8中曲線為根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變值畫出的應(yīng)力應(yīng)變中性層。通過圖8中折彎不同階段板材應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層的對比可以看出:變形量為5%時,板料應(yīng)力應(yīng)變較大值主要分布在上下表面,應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層的位置重合,位于板料的幾何中間層;隨著折彎過程的繼續(xù),板料的應(yīng)力分布區(qū)增大,其應(yīng)力中性層開始出現(xiàn)內(nèi)移趨勢,由于板料的變形量不大,其應(yīng)變中性層依然位于幾何中間層;當(dāng)變形量達(dá)到50%時,板料的塑性變形增大,其應(yīng)變中性層逐漸內(nèi)移,應(yīng)力中性層隨著板料變形繼續(xù)向內(nèi)側(cè)移動;當(dāng)折彎過程進(jìn)行到75%時,板料受到切向拉應(yīng)力的區(qū)域越來越大,其應(yīng)力中性層內(nèi)移量增大,應(yīng)變中性層隨著變形也繼續(xù)向內(nèi)側(cè)移動;當(dāng)折彎過程結(jié)束時,可以看出,板料的應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層明顯向內(nèi)側(cè)移動,而且應(yīng)力中性層的內(nèi)移量明顯大于應(yīng)變中性層的內(nèi)移量。圖9所示為折彎過程中應(yīng)變中性層與幾何中間層的最大距離變化曲線。從圖9中可以看出,隨著折彎過程的進(jìn)行,應(yīng)變中性層與幾何中間層之間的距離越來越大。折彎進(jìn)行到50%之前,由于板料以彈性變形為主,應(yīng)變中性層與幾何中間層的距離在0.4mm以內(nèi)。當(dāng)板料進(jìn)入到塑性變形階段,應(yīng)變中性層內(nèi)移量大幅增大,其與幾何中間層的距離增大幅度增加。成形結(jié)束之后,應(yīng)變中性層與幾何中間層的距離為3.3mm。通過與圖7進(jìn)行對比可知,對于厚板折彎,僅依靠幾何中間層展開所得到的板料尺寸并不準(zhǔn)確。3變形板料應(yīng)變中性層的位置采用與數(shù)值模擬相同的板料尺寸和工藝參數(shù)進(jìn)行厚板折彎實驗,實驗開始前在板料變形區(qū)附近畫出4mm×4mm的網(wǎng)格,板料網(wǎng)格劃分和折彎后的網(wǎng)格變形情況如圖10所示。由圖10和圖2、圖5對比可知,實驗結(jié)果與模擬結(jié)果較為吻合。板料的彎曲變形主要體現(xiàn)在內(nèi)外層纖維的縮短與伸長,板料上表面切向受壓,下表面切向受拉。同時,由圖10b和d可知,在成形之后,變形區(qū)內(nèi)層的板料寬度增加,而外層寬度減小。如圖10f所示為厚度方向的網(wǎng)格變化,變形后網(wǎng)格均呈扇形,且外層網(wǎng)格扇形高度減小,內(nèi)層網(wǎng)格扇形高度增加。實驗結(jié)果與模擬結(jié)果一致,這表明數(shù)值模擬可以真實地反映板料的變形情況。在成形過程中,板料的應(yīng)變中性層會產(chǎn)生內(nèi)移現(xiàn)象,如圖11所示的曲線為所測得的成形件應(yīng)變中性層。根據(jù)板料的變形情況,將成形板料分為3個區(qū)域,即未變形區(qū)、變形區(qū)和過渡區(qū)(如圖11中所示)。從圖11中可以看出:未變形區(qū)板料在折彎成形過程中,應(yīng)變中性層的位置不發(fā)生變化,與其幾何中間層位置重合;變形區(qū)板料應(yīng)變中性層向折彎曲率中心方向移動,內(nèi)移量較大,最大內(nèi)移量約為3.1mm,與模擬值較為接近;過渡區(qū)板料應(yīng)變中性層也向內(nèi)側(cè)移動,且內(nèi)移量從變形區(qū)到未變形區(qū)逐漸減小。應(yīng)變中性層是一個連續(xù)的線狀幾何纖維層,未變形區(qū)的應(yīng)變中性層為直線,在變形區(qū)和過渡區(qū)內(nèi)的應(yīng)變中性層是一條光滑連續(xù)的圓弧形曲線,曲率半徑比彎曲半徑略大,且其圓心位置與彎曲中心角的中心不重合,同樣向內(nèi)側(cè)移動。4物理實驗驗證1)板料折彎過程的數(shù)值模擬結(jié)果顯示:隨著折彎過程的進(jìn)行,板料逐漸由彈性彎曲轉(zhuǎn)為塑性彎曲,等效應(yīng)力分布區(qū)域隨之?dāng)U大;板料等效應(yīng)變分布區(qū)小于等效應(yīng)力分布區(qū),內(nèi)層主要為壓應(yīng)變,外層為拉應(yīng)變,等效應(yīng)變值大小依次為內(nèi)層板料、外層板料、幾何中間層板料。在