不銹鋼薄管折彎成型與回彈有限元模擬分析

摘 要：基于Simufact Forming軟件建立不銹鋼薄管折彎成型的有限元仿真模型，模擬薄管折彎成型過程并分析接觸面摩擦因數和折彎速度對薄管折彎后回彈程度的影響。結果表明：隨著薄管折彎角度的不斷增大，折彎區域的等效應力逐漸增大，局部高應力區域增大，外側壁厚逐漸減小，內側壁厚逐漸增大；薄管折彎后回彈量隨摩擦因數的增大或折彎速度的減小呈現先增大后減小的趨勢；當摩擦因數為0.2或折彎速度為2 s內190°時，薄管的回彈量最大。該結果能夠為薄管折彎成型模擬仿真和回彈量預測提供一定的參考。

關鍵詞：不銹鋼薄管；折彎成型；回彈；有限元模型；模擬分析

中圖分類號：TH164文獻標志碼：A文章編號：1671-5276（2024）03-0155-03

Finite Element Simulation and Analysis on Bending Forming and Springback of Stainless Steel Thin Tube

Abstract：The finite element model of bending forming of stainless steel thin tube was established on Simufact Forming software. The process of bending forming was simulated， and the influences of coefficient of friction and bending speed on springback degree were analyzed. The results showed the equivalent stress within the bending region increased， the local high-stress areas were extended， outer thickness decreased and inner thickness increased with the increment of bending angle. And the springback degree of stainless steel thin tube first increased and then decreased with the increase of the friction coefficient or the decrease of the bending speed. When the friction coefficient is 0.2 or bending speed 190° within 2 s， the springback degree reaches the maximum. This study can be of the references for the simulation of thin tubes bending forming and the prediction of springback.

Keywords：stainless steel thin tube; bending forming; springback; finite element model; simulation analysis

0 引言

折彎成型是不銹鋼加熱管生產中的重要環節，直接影響加熱管的服役性能。不恰當的工藝參數可能會導致加熱管產生局部起皺、裂紋和畸形等缺陷［1-4］。在折彎成型過程中，薄管局部發生彈性變形和塑性變形，當外力撤掉后，薄管在殘余應力的作用下發生回彈，回彈直接影響加熱管的正常使用，當回彈量較大時，需要對加熱管進行校正［5-7］。目前有限元仿真已經被廣泛用于金屬材料塑性成型加工的數值模擬，通過運算求解輸出工件在加工過程中的應力、應變和溫度等結果，能夠指導產品和模具的結構設計和生產方案制定［8］。因此通過有限元仿真的方法模擬不銹鋼薄管的折彎成型過程并分析薄管在折彎過程中的應力分布、壁厚變化以及不同折彎條件下的回彈情況，對不銹鋼加熱管的折彎工藝參數優化和回彈預測具有重要意義。

近年來，研究人員已經對薄管折彎成型的有限元分析開展了一系列研究。彭博等［9］基于ABAQUS/Explicits平臺對不銹鋼圓管繞彎成型進行了有限元數值模擬，發現接觸面摩擦因數直接影響薄壁圓管繞彎區域的應力大小、應力分布和截面厚度，同時發現芯棒球頭旋轉的自由度對圓管繞彎質量有著較大影響。蔣佳華等［10］以發動機加力燃油總管的進油管為研究對象，借助PAM-STAMP軟件對其折彎成型過程進行有限元仿真，結合具體生產標準，對進油管圓度值、壁厚減薄、褶皺等情況進行了系統分析，所得結果有助于后續工藝參數的制定。徐建美等［11］基于ABAQUS/Explicits平臺建立了 0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管材數控彎曲成型的三維彈塑性有限元模型，分析了管模間隙對管材彎曲成型截面質量的影響規律。結果表明，隨著芯棒與管材間隙的增大，管材壁厚減薄率減小，截面畸變程度先減小后增大。隨著彎曲模與管材間隙的增大，管材壁厚減薄率和截面畸變程度均增大。隨著防皺塊與管材間隙的增大，壁厚減薄率和截面畸變程度先減小隨后基本保持不變。本文在Simufact Forming軟件中建立了AISI441不銹鋼薄管折彎成型的有限元模型，模擬了薄管折彎成型過程并研究了接觸面摩擦因數和折彎速度對薄管回彈的影響規律，研究結果能夠為薄管折彎成型的數值模擬和回彈預測提供一定的參考依據。

1 有限元模型建立

在SolidWorks中構建不銹鋼薄管、折彎模、壓模等三維模型并導入Simufact Forming有限元軟件，如圖1所示。不銹鋼薄管的尺寸為長度400mm，內徑4mm，壁厚0.5mm。材料為AISI441鐵素體不銹鋼，具體力學性能參數如表1所示。使用Simufact Forming內置模塊對三維模型進行網格劃分，網格類型為四面體，單元數量為114 483個。

有限元仿真參數設定中，將折彎模、壓模、夾模和導向槽設置為剛體。折彎軸與薄管之間的接觸類型為直接接觸，接觸面摩擦因數為0.1～0.4。在不銹鋼薄管折彎成型過程中，折彎模在規定時間內（1s～4s）轉動190°，折彎半徑為12mm，夾模隨折彎模一同轉動實現對管材的折彎，壓模和導向槽固定不動。工件溫度、模具溫度和環境溫度均設置為20 ℃。

2 薄管折彎成型過程模擬

不銹鋼薄管折彎成型過程模擬和實際樣品如圖2所示。當折彎速度為1 s內190°、摩擦因數為0.4時，不銹鋼薄管折彎過程中的等效應力如圖3所示。由圖可以看出，隨著折彎角度的不斷增大，折彎區域的應力增大，局部高應力區域逐漸擴大，同時這些區域也是薄管變形量較大的部分。

對折彎區域薄管壁厚進行測量，發現外側受切向拉應力作用，壁厚隨折彎角度增大逐漸減小，最大減薄率為13.2%，內側受切向壓應力作用，壁厚隨折彎角度增大逐漸增大，如圖4所示。

3 薄管折彎回彈仿真分析

為了研究接觸面摩擦因數和折彎速度對不銹鋼薄管折彎回彈的影響，模擬仿真中在高應力區域內設置4個跟蹤節點，通過對比折彎后節點沿x軸和y軸方向的位移量，進一步分析不同折彎條件下的薄管回彈程度。圖5和圖6展示了不同摩擦因數和折彎速度條件下不銹鋼薄管折彎成型后跟蹤節點的位移。薄管折彎后，由于折彎區域存在殘余應力和彈性變形恢復，4個節點均會沿著x軸正方向發生不同程度的移動，同時節點1還會沿著y軸負方向移動，而其他3個節點沿著y軸正方向移動，回彈情況與實際樣品基本一致。4個跟蹤節點中，薄管折彎后節點4相較于其他3個節點的位移量較小。隨著摩擦因數的增大，4個節點的位移基本呈現先增大后減小的趨勢。當摩擦因數為0.2時，各節點的位移量達到最大，代表不銹鋼薄管的回彈量最大。隨著折彎速度的減小，4個節點的位移同樣呈現先增大后減小的趨勢，節點位移量最大情況出現在折彎速度為2 s內190°時。以上結果表明，通過調整接觸面摩擦因數和折彎速度可以有效控制不銹鋼薄管折彎回彈程度，但在實際生產中需要進一步綜合考慮材料彈性模量、管壁厚度、折彎半徑等因素的影響。

4 結語

1）在SolidWorks中建立了不銹鋼薄管、折彎模、壓模、夾模和導向槽的三維模型，導入Simufact Forming進行有限元分析，使用內置模塊對模型進行網格劃分，結合實際折彎成型工藝設置折彎速度、接觸類型、摩擦因數等參數。

2）隨著折彎角度的不斷增大，折彎區域內的應力逐漸增大，高應力區域增大，外側壁厚減小，內側壁厚增大。薄管的回彈量隨著摩擦因數的增大或折彎速度的減小呈現先增大后減小的趨勢。當摩擦因數為0.2或者折彎速度為2 s內190 °時，薄管的回彈量達到最大。

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