基于COPRA的P形管輔助設計

陳偉標，王栓虎，彭斌彬，孫宇

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

P形管是一種用途很廣的冷彎型鋼產品。在同等金屬情況下，它比圓管、方管具有更堅固、承載更大、強度更高等優點，因此被廣泛應用于建筑、車輛制造、礦山機械制造等各個行業。

冷彎成型是一個復雜的成形過程，受很多因素影響[1]。冷彎成型技術正由以試錯法為主的工藝技術階段向以模型化、最優化、柔性化為特征的工程科學階段過渡。計算機輔助設計的應用對其過渡具有決定性的意義。在輔助分析計算中，設計者首先要按求解內容的物理規律確定計算關系，即建立計算模型;其次，要確定求解策略和方法[2]。采用計算機輔助設計技術，可以實現復雜外形、高精度軋輥的優化設計，使冷彎成型鋼的設計不再主要依賴設計者的經驗以及調試修正的試錯法。文中將以P形焊管為例，介紹冷彎成型鋼的計算機輔助設計方法及過程。

1 軟件介紹

COPRA系統起源于德國的慕尼黑大學的一項輥彎研究項目，是第一個用于冷彎成型設計的商業化軟件。COPRA系統的主要功能是:進行輥彎工具和軋機的設計;優化成形工藝;繪制工程圖紙;成本計算;提供與數控機床的聯接手段。COPRA系統采用模塊化結構，系統中每個模塊和函數都可以嵌入其他通用CAD系統中使用。其中H2 COPRA 變形技術模塊(DTM)可以實現應力應變的仿真計算。通過DTM，設計者可對所設計的變形工藝作如下分析:(1)獲得彎曲和曲率引起的材料應變;(2)檢查軋機中的材料應變的過程;(3)確定非對稱斷面應變的不同之處;(4)確定任何道次之間的彎曲過程;(5)找到軋機使用的最合適的孔型工藝參數[3]。利用COPRA 進行輔助設計的流程如圖1所示。

圖1 冷彎成型的計算機輔助設計流程圖

2 P形管的尺寸及相關技術參數

P形焊管壁厚為1.2 mm，其外形尺寸如圖2所示。

圖2 P形焊管成品管圖形

機組相關技術要求如表1所示。

表1 機組相關技術參數 mm

3 P形管工藝設計

焊接異形管可以有兩種不同的成型工藝方法，即“直接成型”和“先成圓后變異”工藝[4]。前者是將不必添加多少設備就可以獲得不同的異形管，而且其焊縫性能穩定，質量可靠。將圓管擠壓成P形管時采用“角度變換法”，即圓管變成P形管的成型過程中，P形管的實體單元和圓管的對應部分保持線性拓撲的投影關系。P型管和圓管實體單元間保持線性拓撲的投影關系如圖3所示。

下面利用COPRA 對P形管進行輔助設計。

圖3 線性拓撲投影關系圖

3.1 初始設計方案的設計分析

(1)首先選擇異型管設計模塊，按成品管尺寸繪制圖形，選擇標準公式計算方法，根據中性層系數表設置中性層系數為0.449。采用定長度展開法，定長度法的大半徑允許材料有較大的滑動范圍，而定半徑方法則用小的最終半徑容易限制材料的流動[5]。此時可以查看斷面的相關數據(如板寬、中心層寬度等)，接著設置展開基準平面。

(2)設置變形工步參數，因為該圓形焊管高度變形量較大，采用6架水平輥和5架立輥。考慮孔形中材料充實及縱向延伸，確定總的壓縮系數取1.04%。選擇最小誤差優化方法和相關疊代條件，分配各個道次角度變化量和壓縮量，分配結果如表2所示。設計中需要考慮的因素:為保證板料在開始道次順利咬入及最后的產品精度，配置較小的變形量;驅動的水平輥道次，分配較多的變形量;立輥道次剛性較差，且無動力驅動，配置較小的變形量;根據軋輥輪廓的形狀及孔型變形的難易程度，可調整變形量的分配;由軋機可用的總道次和管型復雜程度，確定變形量[6]。

表2 各架平、立輥的角度及壓縮量分配

由COPRA自動計算各道次變形，并確定變形工藝圖，如圖4所示。

(3)確定變形工藝圖后進行DTM的應力應變仿真，選擇Hauschild 模擬方法。根據表1中的參數設置成型軋機數據，并建立軋機軸線。圖5為斜二側變形圖。另外可以查看焊管不同位置的應變，如圖6所示。

從圖中可以看到:初始道次、最后道次和立輥應變量較小，主要變形由中間幾個平輥分擔;帶板中心層最大應變量發生在右側800 mm處，為0.21%;帶板最大應變值發生在右側800 mm處，為0.29%，屈服極限為0.31%，各道次的最大變形量均沒有超過材料的彈性極限，但帶板上側應變略大于下側，帶板在800 mm處上側左邊受拉應力，右側受較大的壓應力，變形量過大，可能磨損帶板。在生產時，板帶受相鄰材料的約束，右側的縱向及橫向均產生了壓應力，而厚度方向上應變較小，根據泊松關系，厚度方向上必產生拉應力，當厚度方向上的拉應力太大時，會產生邊波缺陷。帶鋼直接彎曲成P形管再進行焊接;后者是成型圓管后焊接，再成型成P形管。與“直接成型”相比，“先成圓后變異”調試較為容易，在焊接成圓管后，

圖4 圓管擠壓為P形管的變形工藝圖

圖5 DTM模擬仿真圖

圖6 板帶不同位置應變值(初始設計方案)

(4)回彈量計算

利用COPRA 計算最終道次中各個圓弧的過彎角和半徑以補償回彈，選擇BISWAS過彎回彈計算方法。回彈的計算結果如圖7所示。

圖7 P形管回彈結果

初始方案中P形管水平放置，使得軋輥與其接觸表面過大，容易擦傷管壁，應盡量避免帶鋼滯留時間過長，減小速度差。另外，從變形圖中可以看到，由于P形管左右受力不均，左邊受力過小，而右邊受的水平力過大，且有分力會產生順時針方向的力矩，成型后會有較大的扭曲，容易產生缺陷，需要在最后道次用可調節的矯直頭逆時針矯正以消除扭曲。下面針對以上問題改進方案。

3.2 改進設計方案的設計分析

針對初始方案中的不足，將P形管傾斜一定角度，使斷面慣性矩的一個主軸與軋輥軸平行。利用COPRA計算出截面力學特性值，如圖8所示，慣性矩主軸Iv與立邊成37°傾斜。考慮到軋輥須與斷面最下方的點P接觸(否則將形成盲角)，故將旋轉角度修正為45°。成型部分為4平5 立。由COPRA自動計算各機架變形，并確定變形工藝圖，如圖9所示。板帶不同位置的應變，如圖10所示。

圖8 慣性矩主軸圖

圖9 圓管成型為P形管的輥花圖

圖10 板帶不同位置應變值(改進設計方案)

4 軋輥設計

確定了型材變形工藝圖后，開始設計軋輥。在設計軋輥時需要考慮以下因素:斷面高度、軸直徑、材料厚度、轉速比、軋輥直徑增量等。以立輥3為例說明設計過程，選擇自動建立軸線按鈕，將前面建立的軋機軸線數據加載。分別設置水平輥和立輥特征屬性。提取需要配輥的道次，進入當前道次交互配輥。在配輥中需要考慮以下因素:考慮到金屬流動特性，設計時需要留有足夠大的間隙;立輥輥縫可以較大，因為其承載的變形量不是很大;反之，水平輥不能留太大間隙，防止板型從輥縫變形;且立輥的高度要比輥花高一定距離。配輥結果如圖11所示。

圖11 立輥3 配輥結果

設計好機架道次軋輥后將其保存，轉入下一道次。配置好所有軋輥后可以查看應變，插入軋輥查看變形圖。如圖12所示。

圖12 加入軋輥的應變圖

5 結束語

(1)通過COPRA的計算方法和分析模型分析變形工步及應變合理性，可以看出:改進后的設計方案P形管最大變形為0.21%，遠小于屈服極限值，且左右兩側受力均勻，不容易產生大的扭曲變形。該方案采用4 平5 立9 道次成型，比第一方案少2個道次，節約了成本，所以更為合理。

(2)利用COPRA軟件輔助設計完成的變形工藝是否合理直接影響著產品的尺寸精度和外觀質量。采用計算機模擬技術可以對模擬中發現的不合理變形及時給予修正，縮短了設計周期，提高了設計精度，減輕工作量，而且有效地避免某些產品缺陷的產生，達到優化設計的目的。這樣在實際生產中，可以減少實驗調試的次數，節約生產成本，提高生產效率，為企業帶來更多的經濟效益。

(3)在軋輥設計方面，系統可建立一個“機器文件”，其中包括機組機架數、速比及調節范圍等參數，并輸出軋輥圖紙，通過數控技術模塊，可轉換成NC 通用指令代碼。因而，計算機輔助設計技術比傳統的設計手段有著無可比擬的優越性。

【1】王春新，劉繼英.冷彎成形過程仿真技術的發展[J].北方工業大學學報，2004 (1):46－50.

【2】彭建華，王曉軍.基于CAD/CAM的計算機輔助工程分析方法[J].機床與液壓，2004(5):136－137.

【3】小奈弘，劉繼英.冷彎成型技術[M].北京:化學工業出版社，2008.

【4】石京，王先進.國內外冷彎成型研究最新進展[J].軋鋼，1998(5):45－48.

【5】HALMOS G T.冷彎成型技術[M].劉繼英，艾正青，譯.北京:化工出版社，2009.

【6】李燁.P形管的孔型設計[J].焊管，2005 (3):39－41.