Modelowanie i obliczanie procesu gięcia trójwarstwowego blach stalowych

Abstrakcyjny

  Procesy gięcia blachy są jednymi z najczęściej stosowanych operacji produkcyjnych w przemyśle. Opracowanie i optymalizacja tych procesów są czasochłonne i kosztowne. Dlatego symulacje elementów skończonych mogą pomócprojektowanie i zapewnianie jakości wyrobów z blachy. W niniejszym badaniu zastosowano komercyjny pakiet elementów skończonych do analizy zginania trójwarstwowego blachy stalowej. Był to dwuwymiarowy model elementów skończonych tego procesuzbudowany w środowisku ABAQUS / Explicit w oparciu o rozwiązanie kilku kluczowych technik, takich jak warunkowanie granicy kontaktu, definicja właściwości materiału, technika tworzenia siatki i tak dalej. Mapy z żądanymi promieniami krzywizny byłyustalone przez zmianę odległości między dwoma dolnymi wałkami i położeniem górnej. Opracowane mapy sprawiły, że proces toczenia jest łatwiejszy i mniej czasochłonny. Eksperyment przemysłowy wykorzystujący zoptymalizowane wyniki liczbowezostał przeprowadzony w celu zatwierdzenia modelu numerycznego. Badano również naprężenia szczątkowe i równoważne rozkłady odkształceń plastycznych. Liczbowe zjawisko sprężystości powrotnej porównano z wynikami analitycznymi.

  1. Wstęp

  Sekcje cylindryczne lub końcówki rurkowe są stosowane w wielu zastosowaniach inżynierskich, takich jak zbiorniki ciśnieniowe, obudowy wymienników ciepła i komory kotłów. Stanowią one także główny szkielet platform wiertniczych nafty i gazu. Maszyny do walcowania z trzema icztery rolki są niezbędne do produkcji okuć o różnych krzywiznach [1-3]. Do tej pory badania nad procesem gięcia cylindrycznego na zimno zostały przeprowadzone przy użyciu tylko modeli analitycznych i empirycznych. Yang i Shima [4] mająomówiono rozkład krzywizny i obliczony moment zginający zgodnie z przesunięciem i obrotem rolek poprzez symulację odkształcenia obrabianego przedmiotu o przekroju w kształcie litery U w zginaniu trójwalcowymproces. Huaetal. [3] zaproponowali formułę do określania siły zginania na rolkach, momentu napędowego i mocy w ciągłym jednoprzebiegowym, czterowalcowym wygięciu cienkiej płyty. Gandhi i Raval [5] opracowali metody analityczne imodele empiryczne do jednoznacznego oszacowania położenia górnej rolki w funkcji końcowego promienia krzywizny dla cylindrycznego zginania płytek w trzech rolkach.

  W niniejszym artykule parametry procesu zginania trójrolkowego zostały zbadane przy użyciu dwuwymiarowej analizy dynamicznego skończonego elementu skończonego (FE). Jak schematycznie pokazano na ryc. 1,

Rys. 1. Konfiguracja trójwalcowej giętarki piramidalnej.

Rys. 2. Początkowe wymiary obrabianego przedmiotu do modelowania (w mm).

blachę zasilały dwa boczne wałki z punktu A, wygięte do dowolnej krzywizny poprzez regulację położenia górnego wałka, a następnie opuszczone w punkcie B. Następnie, obrabiany przedmiot został zgrzany razem w celu utworzenia ferrul. Theproces toczenia zawsze rozpoczynał się od kluczowej operacji wstępnego zgniatania obu końców przedmiotu obrabianego (ryc. 2). Ta operacja wyeliminowała płaskie plamy podczas toczenia o kształcie cylindrycznym i zapewniała lepsze zamknięcie szwu.

  Sukces procesu gięcia trójrolkowego zależy w dużej mierze od doświadczenia i umiejętności operatora. PracaGięcie części jest generalnie wytwarzane metodą wieloprzebiegową, zwaną również "próbą i błędem" w celu zoptymalizowania zdolności zginania giętarek walcowych. Niemniej jednak metoda wieloprzebiegowa sugeruje wysokie koszty ze względu na straty i straty materiałoweczasu produkcji. Powtarzalność, precyzja i produktywność procesu wymagają zastosowania metody produkcji z jednym przejściem [5].

  Jednak ta ostatnia metoda zawsze stanowiła wyzwanie, ponieważ operator musi znać różne parametry maszyny, aby uzyskać okucia o pożądanej średnicy. Parametry obejmują położenie rolki górnej (U),odległość pomiędzy dolnymi wałkami (a) i grubością blachy (e).

  2. Modelowanie FE

  Proces walcowania jest skomplikowany z perspektywy modelowania FE. Jego wspólne cechy z innymi procesami formowania obejmują dużą plastyczność odkształcenia, duże przemieszczenia i zjawiska kontaktu. Jednak ten proces wydaje się być bardziejskomplikowane niż inne procesy formowania. Na przykład, przedmiot obrabiany jest wciągany do szczeliny między walcami przez tarcie z powodu ruchów górnego i dolnego walca.

  Aby modelować proces toczenia za pomocą kodu Abaqus FE i zapewnić dokładność i wydajność obliczeń, uwzględniono wiele kluczowych technik, takich jak modelowanie geometrii, montaż, obróbka warunków brzegowych kontaktu,definicja właściwości materiału, siatki itd. [6]. Techniki te zostały szczegółowo omówione w następnej sekcji.

  2.1 Problem z modelowaniem

  Zastosowano zarówno metodę jawnych, jak i jawnych rozwiązań, aby uruchomić udane symulacje. Metoda niejawna jest korzystna w modelach, w których można stosować duże przyrosty czasu. Wykonano kilka prób użycia niejawnej metody, alesymulacje zostały przerwane po kilku stopniach obrotu. Biorąc pod uwagę nieliniowość problemu i surowe warunki kontaktu, zastosowanie dużych odstępów czasu nie było możliwe. W związku z tym metoda jawnego rozwiązania wydawała się bardziejodpowiednie, ponieważ problem wymagał bardzo małych przyrostów czasu. Ten wybór dynamicznej procedury jawnej został potwierdzony przez Hana i Hua [7] za pomocą modelu procesu kucia na zimno obrotowego przedmiotu obrabianego. TheProcedura jawnej analizy dynamicznej została oparta na implementacji jawnej reguły integracji z wykorzystaniem macierzy masowych o przekątnej. Równania ruchu ciała zostały zintegrowane za pomocą wyraźnej różnicy centralnejzasada ntegration [8], jak pokazano poniżej:

Ryc. 3. Jednoosiowa próba rozciągania S275JR.

gdzie uN jest pewnym stopniem swobody, a indeks dolny i odnosi się do numeru inkrementacji w wyraźnym kroku dynamicznym.

  Poszczególne etapy zostały szczegółowo opisane w poniższych sekcjach.

2.2 Problem z modelowaniem

  Cały proces trójwymiarowego procesu gięcia składał się z obrabianego przedmiotu i rolek. Blachę stalową zdefiniowano jako ciało odkształcalne, a rolki, które nie były odkształcalne, zostały zdefiniowane jako dyskretne ciała sztywne. Każdy z tychciała sztywne zostały przypisane do punktu odniesienia (RP), aby reprezentować sztywny ruch we wszystkich stopniach swobody.

  2.3 Właściwości materiału

  Rolki zostały wykonane z kutej stali węglowej C46 i uznano, że są to nadwozia sztywne. Arkusz stalowy został przypisany jako ciało odkształcalne. Właściwości materiałowe stali S275JR zostały określone za pomocą modułu Younga E, gęstości ρ iنسبة بواسون ν. لتحديد السلوك البلاستيكي للصلب ، تم الحصول على منحنى إجهاد الإجهاد التقليدي من اختبار الشد أحادي المحور (NF A 03-151) ، كما هو موضح في الشكل 3. تم افتراض سلوك المرونة المتناحرة ، معمعامل يونغ البالغ 210 بكسل وقيمة بواسون 0.3. وصفت صلابة سلالة باستخدام عدة نقاط من الإجهاد الشد مقابل إجهاد من البلاستيك على قوة الغلة (290 ميغاباسكال) وأقل من قوة الشد (489 ميجا باسكال). الديناميكياستخدمت طريقة واضحة في الحساب ، وأخذ وزن الورقة في الاعتبار. كانت كثافة الفولاذ المستخدمة 7800 كجم · م 3. التدرج الشامل يؤثر بشكل كبير على النتائج الحسابية ؛ أكبر هو توسيع الكتلة أقصروقت الحساب. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي التوسع الكبير في الحجم إلى حل غير مستقر. في العمل الحالي ، تم العثور على المعلمة مقياس التحجيم الأمثل ليكون 3000 مرة.