冷彎成型過程CAD/CAE研究進展

　　摘要： 冷彎生產技術是金屬板帶深加工的重要領域。本文對冷彎成型計算機輔助設計技術的進展和有限元數值模擬工作的研究進展進行了闡述。
　　關鍵詞： 冷彎成型 計算機輔助設計 有限元數值模擬
　　在冷彎成型過程中，金屬板帶受到多點且不等壓力的反復、連續的彎曲作用，變形復雜，理論解析十分困難，幾乎不可能用一個統一的力學模型來描述。因此，長期以來冷彎孔型和工具的設計主要依賴于設計者的經驗與反復試制，在冷彎型鋼企業生產成本的很大一部分耗費在成型輥的調整和產品的試生產階段。采用冷彎成形過程的計算機模擬與仿真技術，能在一定程度上可以對設計和生產中的問題進行預測，并提出相應的處理方法，這樣就可以比較合理地進行軋輥設計，有效縮短生產調試時間，提高生產效率，減少原材料的耗費。
　　1.國內外冷彎成型計算機輔助設計技術的進展
　　20世紀70年代，國外開始研究冷彎成型工具的計算機輔助設計（CAD）。目前許多公司和組織開發出自己冷彎CAD系統，如德國的DATAM公司，英國的METFORM公司，日本東京大學，美國的俄亥俄州立大學等。但到目前為止，還沒有哪家公司或組織在冷彎成型CAD軟件產品領域占據壟斷地位。
　　我國的冷彎成型的計算機輔助設計研究工作起步于上世紀80年代中后期，國內最早從事冷彎CAD的研究是北京科技大學及燕山大學，它們與多家生產廠合作，開發出可以應用于個人計算機的方、矩形管設計、角鋼、槽鋼、波紋板計算機程序，還開發出柔性孔型設計CAD系統。但到目前為止，我國還沒有自己獨立開發的具有普遍意義的冷彎成型分析軟件。
　　CAD應用的另一個表現就是CARD（即計算機輔助孔型設計），CARD的研究萌芽于六十年代后期，發展于八十年代。1982年前蘇聯開發了簡單斷面最優化孔型設計自動計算系統。在美國鋼鐵協會的主持下，Batelle-Columbus實驗室和Timken公司于1983年聯合研制了一個名為RPDROD的計算機圓鋼孔型輔助設計軟件包。1983年德國的Mauk.P.J開發了簡單斷面和異型斷面孔型計算機輔助設計方法，英國Aston大學和SectionandProfiles有限公司于1983年聯合建立了一個關于孔型設計和加工的計算機程序。1985年日本的山口喜弘等人完成了棒材軋制的CARD系統。
　　我國近年來這方面的研究和應用有了很大的發展，有關院校和工廠合作，開發了一些計算機輔助孔型設計系統。如北京科技大學開發的型鋼軋制過程仿真方法庫系統，與江西鋼廠、天津第三軋鋼廠、承德鋼鐵公司、鞍鋼中型廠及武漢鋼鐵公司合作開發的簡單斷面、角鋼、工字鋼和輕軌等計算機輔助孔型設計系統；西安冶金建筑學院與太原鋼鐵公司合作開發的簡單斷面型鋼計算機輔助優化孔型設計系統等。
　　縱觀國內冷彎型鋼的CAD發展，由于各方面的投入不夠，迄今為止還沒有一套成熟的商用軟件。大多數軟件仍停留在替代人工計算與繪圖的低水平階段，且往往是針對某一品種或少數幾個品種，不成系統，缺乏通用性，程序設計固化，缺乏智能化功能，難以維護，從而限制了冷彎型鋼CAD的推廣與應用。
　　2.冷彎成型有限元數值模擬工作的研究進展
　　2.1塑性有限元理論的發展
　　有限元法是目前進行非線性分析的最強有力的工具，成為金屬塑性成形過程模擬的最流行的方法。在塑性成形過程的有限元模擬中，根據材料應變與位移及應變與應力之間的關系的不同，可將有限元法分為小變形彈塑性有限元法、有限應變彈塑性有限元法、剛塑性有限元法和黏塑性有限元法。
　　1967年Marcal和King首先提出了彈塑性有限元法。1968年Yamada等推導了塑性應力-應變矩陣。1970年Hibbit等提出了建立在有限變形理論基礎上的大變形有限元列式。70年代中期Osias、McMeeking等采用歐拉描述法建立了大變形有限元列式。采用彈塑性有限元法分析金屬成形問題，不僅能計算工件的變形和應力、應變分布，而且能有效地處理卸載問題，計算金屬成形過程結束后工件的回彈和殘余應力、殘余應變的分布。因此，它適宜于板料成形等問題的模擬。但是，彈塑性有限元法采用的增量型本構關系不允許使用大的變形增量，總的計算時間較長。
　　在大變形的金屬成形問題中，有時可以忽略其中的彈性變形，而采用剛塑性材料模型。1971年德國的Lung，1973年美國的Lee和Kobayashi分別提出了剛塑性有限元法。采用剛塑性有限元法，由于不需考慮材料彈塑性狀態的變化，因此可采用比彈塑性有限元法大的增量步長，從而減少計算時間。但剛塑性有限元法不能確定剛性區的應力、應變分布，也不能處理卸載問題。在鍛造等體積成形問題中，金屬材料的塑性變形量很大；由于溫度的影響，材料的彈性參數難以確定；同時回彈的影響不大。因此，用剛塑性有限元法模擬體積成形過程是比較適宜的。為了考慮變形速率對金屬塑性流動和變形抗力的影響，可采用由剛塑性有限元法擴展而得的剛黏塑性有限元法。
　　2.2單元模型的發展
　　板料成形數值模擬技術的關鍵是板殼理論的可靠性和實用性，選擇適當的單元模型對于金屬薄板成功進行沖壓成形數值模擬是至關重要的。常用的板殼理論主要有四種：經典的薄膜理論、Kirchhoff板殼理論、Mindlin板殼理論和三維實體理論。
　　在薄板成形有限元模擬分析的早期，人們廣泛使用薄膜單元，對于一些以張拉為主的彎曲效應不大的成形模擬，這種單元是非常有效的。但隨著數值模擬技術的不斷深入，這種薄膜單元就滿足不了要求，其最明顯的缺陷是不能模擬回彈過程和大彎曲效應的成形過程。
　　與薄膜單元相比，Kirchhoff板殼單元、Mindlin板殼單元、三維實體單元都增加了彎曲對變形的影響。由于板料的厚度較薄，三維實體單元用于板料成形過程模擬網格劃分不宜太疏的情況，否則易造成剛度矩陣的奇異性，導致求解失敗。但網格劃分太密會大大增加計算工作量，降低計算效率，所以在板料成形的一般區域宜采用殼單元。在板料成形的特殊區域（如模具的小圓角處）應力應變狀態特別復雜，采用三維實體單元能較好地描述板料在該區域的實際應力應變狀態，具有獨特的優勢，特別適用于板料成形的回彈分析。Kirehhoff板殼單元雖然計算穩定性增加，但使有限元方程變得復雜，計算時間增加。而Mindlin曲殼單元存在獨立的轉動自由度，可以很好地反映彎曲問題，并且能以較小的計算量得到較高的計算精度，較適合做板料成形數值模擬。
　　2.3冷彎成型有限元數值模擬工作的研究進展
　　冷彎型鋼作為一種輕型、薄壁、大斷面慣性矩的高效型材，在建筑、車輛、交通、機械等行業中得到廣泛應用。進入21世紀后，上述行業為了獲得競爭優勢，對輥彎產品提出了精度上與性能上的更高要求。顯然，單憑經驗、靠反復的實物試驗驗證的傳統的輥彎成型方法已經遠遠不能適應降低成本、減少設計／生產周期、快速適應市場變化和增強市場競爭力的需要。而通過CAE軟件進行數值模擬是解決上述問題的有效途徑。
　　CAE軟件分為：專用CAE軟件和通用CAE軟件。通用CAE軟件主要由有限元軟件、優化設計軟件、計算流體軟件、電磁場計算軟件、最優控制軟件和其他專業性的計算軟件組成。
　　專用軟件有澳大利亞的CADROF、英國的ORTIC、我國韓志武開發的CFES（輥彎成型輥型設計專家系統），法國的M．Brunent開發的PROFIL，德國dataM公司的COPRA中增加的有限元仿真模塊COPRA．FEARF（已商業化）等均屬于此類。這些專用軟件大多數都系統地歸納了輥彎成型領域的理論成果、相關的標準規范，以及大量的實驗數據和經驗公式，大體上實現了設計、管理、生產的一體化，方便了用戶的使用。國產輥彎專用軟件零碎分散，功能單一，因此沒推廣使用。而國外專用軟件昂貴，令我國眾多的中小企業望而卻步。就目前掌握的資料所知，只有德國Data．M公司開發的COPRA軟件在國內有企業使用，但用戶相當少，其他同類軟件鮮有國內用戶使用。
　　主流的通用CAE軟件有：HSK.ABAQUS，ANSYS，DYN－3D，MSC.MARC，DYNA，MSC.SURPERFORM，MSC.SURPERFORGE，DEFORM，DYNAROM，ALTAIN.HYPERWORKS系列等。它們都是采用結構化軟件設計方法、用FORTRAN語言和數據文件管理技術，開發的結構化軟件；新增的軟件成分大都采用了面向對象的軟件技術和C++語言。由于通用CAE軟件普遍功能強大，穩定可靠，用戶選擇余地大，且產品競爭激烈，因而價格比輥彎專用軟件低得多，且絕大多數軟件都提供二次開發工具及非線性分續輥式彎曲成型機組加工成型的產品，因此在國內得以廣泛使用。它將在一定時期內為冷彎成形的研究作出很大貢獻。
　　在我國，蔡松慶首次采用有限元法研究復雜的焊管成型過程；以燕山大學劉才為首的課題組，對輥彎成型過程分別使用樣條有限條法和彈塑性大變形三維有限元法進行深入系統的理論和實驗研究，取得許多重要的研究成果。
　　3.結語
　　冷彎生產技術是在常溫下生產復雜斷面的經濟型材的連續輥式成形技術，是一項具有顯著經濟效益和社會效益的金屬型材生產工藝技術。本文對冷彎成型計算機輔助設計技術的進展和有限元數值模擬工作的研究進展進行了闡述，具有一定的實際意義。
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