肋骨彎曲成形關鍵技術概述

馮保華， 呂　驍， 劉　鵬， 陳　強， 胡惠芬， 周毅鳴

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

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肋骨彎曲成形關鍵技術概述

馮保華， 呂驍， 劉鵬， 陳強， 胡惠芬， 周毅鳴

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

摘要圍繞肋骨彎曲成形的關鍵技術，立足于肋骨成形規律研究、肋骨加工方法研究和肋骨彎曲成形控制研究三個層面，全面、系統地闡述了國內外的發展概況，并進行了探討。非對稱截面型材的彎曲成形規律仍需進一步研究，旁彎和皺褶問題仍有待解決，計算機仿真技術的應用是解決相關問題的有效途徑之一。另外，快速高效的控制技術和精確可靠的檢測裝置是今后的研究發展趨勢。

關鍵詞肋骨成形規律肋骨加工方法肋骨彎曲成形控制方法計算機仿真

0引言

船體的型材加工是船舶建造中的重要加工過程之一，為了滿足特定的空間形狀要求，非平直船體型材構件的成形過程一般均為塑性變形。船用型材構件主要由橫梁、縱骨、肋骨組成，其中，肋骨的彎曲加工在船體建造的總工作量中占有很大的比例，是造船生產中重要的工序之一。肋骨的彎曲成形過程是一個復雜的塑性變形過程，對于含有非對稱截面的型材(如角鋼、單球頭球扁鋼等)，在彎曲加工過程中由于處于空間受力狀態，因此常常會伴隨有旁彎、扭曲、倒邊和皺褶現象的發生，這些缺陷或單獨存在，或多種并存，并最終影響肋骨的成形質量，進而降低了船體外殼的結構強度和型線的光順性。

肋骨的傳統彎制方法主要依靠工人的手工作業，其彎制質量取決于工人的工作經驗和技能水平，不同工人彎制出來的肋骨精度相差很大，即使是同一位工人彎制出來的肋骨也可能存在差異，這樣彎制出來的肋骨質量非常不穩定，不符合現代造船技術的要求，屬于“粗放式”加工方法。同時，手工作業還存在效率低、工作環境惡劣和工人勞動強度大等問題。培養一名熟練工人需要耗費大量的物力、財力與時間。為了解決肋骨加工質量與效率之間的矛盾，改善工作環境，降低工人的勞動強度，滿足現代化造船的要求，應用先進控制技術對型材實現自動化彎曲加工被認為是切實可行的道路。因此，早在六十年代，就有國家研制出數控冷彎機，制造工藝上省卻了制作樣板(鐵樣)、彎制樣條或在肋骨上劃線的前道工序和進行水火矯正的后道工序，保證了加工質量，提高了生產效率，縮短了生產周期。不過，由于數控冷彎機包含大量電子元器件(如工控機、數字量輸入輸出板卡、數據采集卡和分布于機器中的各種傳感器)，工作環境是制約其工作狀態的最主要因素，如濕度、溫度、粉塵都影響著這些元器件的性能，且數控冷彎機屬于高集成化、高自動化的一款產品，成本較高，對工人的技術水平也有較高的要求，因此還未能在船舶建造領域中普及，只有在大型船企中配備。傳統的手工作業方式由于受到環境因素的影響較小，因此受到一些對加工精度沒有特殊要求的中小船企的青睞。由此可見，降低成本和提高電子元器件在惡劣工作環境下的可靠性是目前亟需解決的問題，也是科研人員必須正視的問題。隨著現代造船技術的發展，數控冷彎機會不斷完善，也會在船舶行業中扮演更重要的角色，發揮更強大的作用。

1肋骨成形規律研究

如果要對型材進行正確的彎曲加工，使其達到所需要的技術指標，滿足造船要求，就必須研究肋骨的成形規律。目前，國內外已有大量的研究學者與專家對型材的成形規律進行了深入而系統的研究。

1.1對稱截面型材彎曲成形研究

含有對稱截面的型材，長時間以來是金屬塑性成形領域的主要研究對象，且已經取得了豐富的成果。彎曲加工成形后的槽鋼在其端部截面由于殘余應力的存在，而導致槽鋼發生扭曲變形，日本的小奈弘等人通過試驗研究發現，若預先對槽鋼腿部施加一定壓力使之產生反向形變，可以消除這一缺陷[1]。Schafer和Pekoz對槽鋼開展了冷彎試驗，并對彎制過程中槽鋼內的殘余應力分布變化在理論上進行了分析、預測[2]。Chiang.K.F針對槽鋼彎曲變形過程中的應力分布進行了理論推導，得出了相應的應力計算公式。Nakajama討論了管材在彎曲成形時軸向力問題，通過簡化管材的空間形狀，建立了關于軸向力計算的理論表達式，揭示了軸向力的變化規律。Ingvarson在理論上研究了模壓成形冷彎構件中的殘余應力分布情況并通過試驗驗證了理論結果，他在論文中指出，機械冷加工會在構件中產生橫向和縱向的殘余應力，并沿厚度方向呈非線性分布[3]。Cheng Yu和B.W.Schafer針對C型和Z型冷彎薄壁型鋼梁的畸變屈曲和局部屈曲開展了試驗研究，結果表明，使用直接強度法計算試驗試樣的極限承載力與通過試驗手段測得的結果十分接近[4]。Gardnier研究了矩形截面梁在純彎曲后的回彈問題，并應用塑性彎曲工程理論推導出了理想彈塑性材料的回彈表達式。

1.2非對稱截面型材彎曲成形研究

對于含有非對稱截面的型材塑性成形規律的研究尚未形成科學、完整的體系。與含有對稱截面的型材塑性成形過程不同，非對稱截面型材在塑性彎曲成形加工過程中，由于型材截面的不對稱性會導致除了產生彎曲平面所需的彎矩還會產生垂直于彎曲平面的彎矩分量，這就是所謂的“旁彎”現象，旁彎會破壞肋骨的線型，在實際加工中應當予以避免，然而復雜的空間受力情況使得對于旁彎的理論推導難度提升到了一個新的高度。為了揭示現象、認識規律、驗證理論，國內外學者進行了相應的研究。Brown討論了梁的塑性非對稱彎曲問題，他認為，無論施加的彎曲力矩軸是否平行或垂直于截面的對稱軸，全塑性彎曲都應看做是非對稱彎曲[5]。K.A.Stelson針對薄壁U型截面梁在塑性彎曲過程中的截面畸變問題進行了相關研究，結果表明，當底面為圓弧形時，薄壁梁的兩個側邊依然垂直于底邊，并基于能量最小原則，通過理論推導，建立了薄壁梁變形的理論表達式，表達式中只包含幾何變量，與材料屬性無關[6]。T.N.Ganju以角鋼、Z型鋼和T型材等結構設計中常用型材為對象，摒棄了應力分析計算過程復雜的傳統彎曲公式，獨創性地提出了用張量矩陣方法對角鋼及Z型鋼的非對稱型材進行科學、完整的描述，得到了通用的彎曲公式[7]。國內對于非對稱截面型材塑性變形的研究起步較晚，至今也取得了一定的成果。余同希和章亮熾研究了L形截面梁彈塑性純彎曲及回彈問題，揭示了中性軸移動和旋轉的規律，并給出了回彈計算表達式，不過他們忽略了壁厚對于結果的影響[8-9]。王呈方在論文中揭示了非對稱截面型材彎曲加工過程中的彎矩與曲率之間的關系，提出了非對稱截面型材彎制時為了消除旁彎所需要的彎矩計算方法，但同樣對問題進行了一定的簡化[10]。以此理論為指導，茅云生、王呈方等研制出了肋骨冷彎機的垂向預彎裝置[11]。習榮堂、李景方等將型材冷彎成形中的變形過渡區作為研究的關注點，基于合理的假設，提出了變形過渡區長度的計算公式，并且理論結果通過了試驗驗證[12]。徐兆康經過長期的研究發現，在型材的彎曲加工過程中，腹板邊緣由于受到縱向拉伸(壓縮)力的作用而變形，影響著型材的最終成形質量，提出了在加工前應對加工長度進行預先修正的思路[13]。

1.3型材成形的計算機仿真

隨著近二十年計算機技術的飛速發展，計算機仿真技術越來越多地應用于結構設計、強度校核與結構的動態模擬等領域，與此同時，有限元法也日趨成熟，將兩者相結合，就可以各取所長、各補其短，借助于計算機強大的運算能力，人們可以更快速、更準確地得到分析結果。當今，通用的有限元軟件包括ANSYS、ABAQUS和Hyperwork等。李文平等利用最小勢能原理推導出了計算直梁彎曲成形后回彈量的有限元求解方程，同時采用ANSYS有限元軟件進行了模擬仿真，并將兩者結果比較分析，驗證了方程的正確性[14]。劉傳香等采用有限元仿真技術，對不等厚截面鋁型材的拉彎成形過程中預拉量和補拉量對截面變形和回彈的影響進行了研究，結果表明，隨著預拉量和補拉量的不斷增大，截面變形也在增大，而回彈則減小[15]。

綜上所述，目前國內外對于對稱截面型材的塑性成形過程中的應力分布、殘余應力及回彈問題進行了大量的研究，理論較為成熟。而對于非對稱截面型材的塑性變形過程，由于截面的非對稱性，使得型材受力情況十分復雜，在彎制過程中會產生旁彎現象，目前對于這一問題的研究成果還十分有限，實際應用中對旁彎量的確定只能依靠經驗判斷，缺乏相關理論指導，有限元仿真分析技術的發展給研究肋骨成形規律提供了一種新的思路。

2肋骨彎制加工方法研究

肋骨彎制的加工方法主要有：(1)手工熱彎；(2)中頻加熱肋骨彎曲淬火機熱彎；(3)型材矯直機冷彎；(4)三輪滾彎機滾彎；(5)多模頭一次成形數控肋骨冷彎機冷彎；(6)三支點肋骨冷彎機冷彎；(7)四支點純彎曲原理肋骨冷彎機冷彎。按照不同的原則，可以對上述方法進行分類，如圖1所示。

圖1　肋骨冷彎加工方法

其中，熱彎加工是將型材加熱到型材的再結晶溫度以上，使其塑性增加而易于變形，再施加外載荷使其彎曲成形，這種方法復雜，工作環境差，適用范圍有限。而冷彎加工是在常溫下直接對型材施加外載荷使其發生塑性變形，最終達到所要求的形狀。應用拉彎原理實現一次性成形的肋骨冷彎機含有多個模頭，采用數控的方法可對各個模頭進行調整，使其形成所需要的肋骨形狀，在型材兩端固定之后，由拉伸機構施加載荷，載荷要稍大于型材的屈服極限，再操縱模頭頂壓型材進行拉彎加工，該冷彎機也可加工S形肋骨，這種加工方法在型材彎曲的過程中不產生壓應力，因而產生皺褶的概率很小，但易對高腹板的型材產生破壞，且設備龐大，整體投資也大，費效比不高。三支點肋骨冷彎機、三輪滾彎機和型材矯直機都采用了集中力原理，它們的不同之處在于前兩者采用的是逐段進給的進料方式，而后者采用的是連續進給的進料方式，連續進給加工方法適合于圓形肋骨的加工，若加工其他任意形狀的肋骨，操作較復雜，三支點肋骨冷彎機設備簡單，易實現自動控制。四支點純彎曲原理的肋骨冷彎機具有加工質量好，加工效率高，機床性能較完善等優點[16]。

3肋骨彎曲成形控制方法

為了使彎制后型材滿足肋骨的形線要求，就必須采用合理的檢測與控制成形方法，在彎曲過程中進行實時檢查和測量。對于未安裝數控系統的肋骨冷彎機，其肋骨彎曲成形方法主要有逆直線法、仿形控制法和用鐵樣(樣板)進行人工對樣三種方法，這些方法不僅操作復雜，費時費力，而且主要依賴于工人經驗，檢測精度低。隨著控制理論的不斷發展，數控冷彎機的逐漸普及，越來越多新穎的控制方法應用于肋骨彎曲成形過程中。

3.1端點測量控制法

端點測量控制法由英國學者首先提出并成功應用于三點肋骨冷彎機上，它的控制原理是通過對肋骨上端點進行控制，使其在彎制過程中按照由肋骨形線唯一確定的軌跡運動，從而將原先的型材彎制成所需肋骨的形狀。應用這種方法加工后的肋骨誤差較大，不適合應用在肋骨形狀要求較高的場合。

3.2適應控制法

適應控制法由日本學者提出并研制出相應的數控冷彎機設備。這種方法成功地避開了彎曲回彈量的計算問題，以每小段肋骨的彎曲成形撓度作為控制量，基于型材的載荷撓度曲線，針對材料在經過超過屈服極限的載荷作用后卸載，其中彈性變形的部分會發生回彈而發生塑性變形的部分保持不變的特點，在彎制過程中實時測量載荷和撓度以得到被加工型材載荷撓度曲線，以此來確定所需的彎曲加工量。這種方法實時測得的載荷撓度曲線的準確性取決于材料的材質、型材彎制過程中殘余應力分布的均勻性和檢測裝置的精確性。

3.3弦線測量法

弦線測量法由我國學者在80年代初首先提出并建立了控制模型，已先后成功應用于純彎曲原理肋骨彎曲控制和三支點肋骨彎曲控制。它的控制量包括定弦長、進料長度和彎曲角度，其中，定弦長是肋骨冷彎機上兩個檢測桿之間的距離，進料長度和彎曲角度可以通過船廠提供的肋骨型值計算出來。這種方法具有進料誤差對成形質量影響小，型材的整體和各段曲線成形精度高，檢測簡便準確等優點，實現了實時檢測、實時控制功能，并采用逐步逼近法來處理型材彎曲中的回彈問題，用對控制量進行額外補償的方法來消除逐段彎制帶來的累積誤差。楊啟，王呈方[17]基于弦線測量法的原理，針對傳統的檢測裝置由于鋼絲而制約了加工精度和生產效率的缺點，研制開發了一種自動控制檢測裝置，這種自動控制檢測裝置克服了傳統鋼絲傳動檢測機構的不足，具有操作方便、簡單可靠等優點，但傳感器數量較多，在工作環境惡劣的情況下可能出現較大誤差。在總結前人經驗與成果的基礎上，胡勇等提出了一種基于大地坐標系的檢測新方法并成功開發出了相應的檢測裝置，這種檢測裝置結構簡單可靠、為自動號料能夠提供準確的定位坐標信息。在此基礎上，一些學者建立了一種用于肋骨冷彎成形加工的適應控制模型，實現了參數的實時計算[18]。

4結論

本文通過對現有的文獻、資料進行歸納總結，主要得到了以下結論：

(1) 對具有對稱截面型材的彎曲成形規律的研究如今已有了豐富的研究成果，而對具有非對稱截面的型材彎曲成形研究尚未形成完整、系統的理論體系，需要進一步的完善。對于彎曲過程中產生的旁彎、倒邊、皺褶問題的認識仍停留在經驗階段，有待于理論上的突破。

(2) 借助于計算機仿真技術，許多學者已對非對稱截面型材塑性彎曲過程進行了仿真模擬，仿真結果與試驗結果相吻合或十分接近，隨著計算機技術的不斷發展，計算機模擬仿真技術是今后研究肋骨成形規律與解決旁彎、倒邊、皺褶問題的有效途徑之一。

(3) 目前，已有多種肋骨成形控制方法成功應用于數控肋骨冷彎機上，一些學者近年來也在不斷提出新的控制方法。實時測量、實時控制已經成為肋骨成形控制的發展趨勢。同時，需要研發操作更加簡便，運行更加可靠、維護更加方便的新型檢測裝置。

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作者簡介：馮保華(1962-)，男，工程師，從事電氣設計方面的研究。

中圖分類號U671

文獻標志碼A

An Overview on the Key Technology of Frame Shaping

FENG Bao-hua, LV Xiao, LIU Peng, CHEN Qiang, HU Hui-fen, ZHOU Yi-ming

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

AbstractBased on frame shaping rule research, frame manufacturing technique research and frame shaping control method research, a brief introduction to the situation of the key techniques’ development for frame shaping is provided comprehensively and systematically. Then, the discussion is carried out. More researches on shaping rule of the profiles contained unsymmetrical section are required. The problems of vertical-bending and wrinkling demand prompt solution. The application of computer simulation is one of the effective ways to solve the related problems. In addition, fast and efficient control technique and accurate and reliable detecting device is the research and development trend in the future.

KeywordsFrame shaping ruleFrame manufacturing techniqueFrame shaping control methodComputer simulation