【优秀论文】Abaqus在roll-forming分析中的应用
本文选择roll-forming成形进行分析，计算不同工况及成形工艺对roll-forming成形的影响。
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张继光
青岛海信电器股份有限公司
摘要: 阐述了roll-forming在不锈钢成形中的应用，介绍了引起roll-forming过程中可能产生的缺陷及改善方法，最后通过理论计算及数值仿真，初步验证并得了不同工况下的一些设计参数。
关键词: roll-forming、等壁厚、abaqus、有限元分析
不锈钢等壁厚成形在TV前壳中已经得到了广泛应用，这种不锈钢前壳结构件成形过程主要有两种方式：冲压成形与roll-forming成形；其中roll-forming成形的优点在于成形过程简单，效率高，但样件缺陷多；本文选择roll-forming成形进行分析，计算不同工况及成形工艺对roll-forming成形的影响。
1.1 成形机理
roll-forming的成形机理是比较复杂，其复杂的成形过程在实际应用中，经常会产生一些不可预估的缺陷。虽然有文献在机理和实验方法上对roll-forming进行了详细介绍，但都是基于经验的基础得到的。
目前“成形角”方法是应用最广的一种理论，它在特定的折弯过程中有助于准确确定滚轮的数量。Noble与Sarantidis认为“成形角”成形过程是一种比较平滑的变形过程，但在与滚轮接触的内壁变形会比较剧烈，变形大小会延伸到下一个滚轮的位置；其中变形数据对计算滚轮的直径及两个滚轮的间距有较大的影响，如图1所示。目前有文献通过滚压设备折弯和拉伸的最小能量理论来预测变形的长度，并且这个理论已经得到了实验的验证。其中边缘长度、折叠角及材料厚度对变形长度的影响比较大，如图2所示。当金属片通过滚压设备时，就会发生折弯和延伸变形。实际的折弯变形非常复杂，需要通过简化推导，最终变形区域的长度可以用等式1表示。
图1.样品变形示意（a）单滚轮（b）双滚轮
图2.变形样品截面示意
1.2 成形因素及缺陷
滚轮的质量及材料性能的变化对最终产品的截面质量影响很大，roll-forming是基于材料没有回弹变形的假设下得到的，实际上材料性能与名义的数值是有差距的，最终得到的截面形状与设计会有一定的偏差，这种偏差是由材料的回弹造成的；滚轮质量影响最终产品的截面质量主要有以下原因：滚轮表面的缺陷、滚轮加工精度及表面磨损。
常见的滚压缺陷主要有三种类型：表面斑点、长度方向的弯曲、边缘的屈曲；这些问题是金属材料应变太大引起的。其中表面斑点主要影响美观，但不影响其他应用；长度方向的弯曲是由于截面上部与下部的应变不同造成的 ，这对使用影响较大；边缘的屈曲主要发生在边缘较大的产品上。
1.3 滚轮数量与滚压角
考虑到经济因素，合理的选择滚压时间及在能接受的产品质量下选择最少的滚轮，是我们研究roll-forming成形的一个重要原因。Noble与Sarantidis的“成形角”理论是最常用的一种，滚轮数量通过计算加工产品长度上的变形量得到。并通过图3来计算实际滚轮数量。
图3. “成形角”方法图示
2.1 材料性能
本次分析采用的材料参数如图4所示，并采用The Hollomon law 塑性变形理论模型。
其中K是强度系数、n是硬化指数、表1是材料的机械性能数据；应用Hill1948各向异性屈服判断准则。可以用等式3计算得到所需的数据，其中F、 G、 H、L、 M 和 N是材料常数，在表2中可以看到上述数据。
图4. Steel的应力应变曲线
表1 Steel相关参数
表2 Steel相关数据
2.2 分析模型
通过分析样品的加工成形过程，搭建如图5所示模型，为了节约计算时间对原始模型进行简化处理，调整样件长度及滚轮之间轴距，简化后的几何模型如图6所示。综合实际滚压时间及计算机运行时间，定义合适的分析过程。
图5. 滚压装配结构示意图
图6. 滚压简化分析示意图
2.3 结果分析
基于以上建立的装配体分析模型，施加边界约束与载荷，进行等壁厚板材滚压成形分析，对比不同滚压速度和不同边界情况下的成形结果及缺陷形式，为后续的设计与加工提供参考。
通过分析应变分布，可以帮助我们更好的理解滚压过程中边缘屈曲的原因，如7图所示在不同的滚压阶段，板材的应变分布及大小都不相同，随着滚压角度的增加，应变也越来越大，产生的样件的边缘屈曲也越严重。
图7. 不同滚压阶段中的应变分布示意图
图8. 不同滚压阶段中的应力分布示意图
本文对滚压成形的机理进行了分析，同时对影响滚压变形的因素进行仿真分析，通过仿真结果，可以预测一些产品成形过程中的缺陷，为调整工艺及设计模型提供了理论依据。
参考文献
1. 石亦平，周玉蓉．Abaqus有限元分析实例详解．机械工业出版社，2006．
2. 江丙云，孔祥宏，罗元元．Abaqus工程实例详解．人民邮电出版社，2014．
3. M. Brunet. B.Lay. P.Pol, Computer aided design of roll-forming of channel sections, J.Mater.Process.Technol.60(1–4) (1996)209–214.
4. Q. Bui.J.-P.Ponthot.Numerical simulation of cold roll-forming processes, J. Mater.Process.Technol.202(1-3)(2008)275–282.
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