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目前，管材滾彎加工在航空航天、汽車、船舶制造等工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，對管材彎曲技術(shù)和質(zhì)量的要求也越來越高。但是，由于管材具有特殊的中空結(jié)構(gòu)以及受多種非線性因素的影響，在滾彎成形時極易產(chǎn)生失穩(wěn)、起皺和開裂等問題。對上述問題的研究單純依靠實驗的方法所需周期較長、費用高，且試驗過程中的隨機干擾因素較多，難以對工藝參數(shù)通過試驗進行改進和提高。
近年來，計算機仿真技術(shù)的發(fā)展為塑性成形研究提供了有力的輔助工具，各種有限元分析計算方法在管材彎曲變形研究中也得到了廣泛應(yīng)用，并已在彎曲加工類產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化等方而被證明是有效的。在管材滾彎工藝研究中，將有限元模擬技術(shù)與實驗結(jié)合起來對彎曲變形過程中的諸多現(xiàn)象進行比較分析，對成形過程進行科學預測，并對工藝加以優(yōu)化，已成為人們關(guān)注的問題。
本研究通過對薄壁不銹鋼管件的彎曲成形過程進行三維彈塑性有限元模擬，揭示了其成形時應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律和變形機理，分析了對成形質(zhì)量影響的主要因素，為進一步研究薄壁不銹鋼的變形機理和失效機理奠定了基礎(chǔ)，為同類產(chǎn)品彎曲成形工藝的制定及工藝參數(shù)的優(yōu)化提供指導。
模擬主要針對小直徑小鑄鋼管件的回轉(zhuǎn)式滾動彎曲變形。實驗用管件外徑為小12mm，彎模半徑為R30 mm，管件壁厚為t=1.2 mm；實驗設(shè)備為自制手動彎管機。彎曲成形前，應(yīng)對管材形狀、尺寸及質(zhì)量進行嚴格篩選。為了檢測彎管切線方向的變形狀況，在管壁表而盡可能淺地刻入間距為1 mm的標記線。彎曲成形后，利用精密萬能測試儀和顯微測試儀對標距的變化進行測量。有限元模擬的變形條件、參數(shù)與實驗完全相同，以便進行比較和驗證。有限元模型中的模具材料為45鋼，彈性模量E=210xe9 Pa，密度P=7890 kg/m3，泊松比p=0.269；管件的材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，彈性模量E=198xe9 Pa，屈服強度205xe9 Pa，切線模量E=1000 x e9 Pa，泊松比0.26，密度p=7900 kg/m3。
為了確定有效的有限元模擬方法，分別利用實體單元法和殼單元法進行了模擬，在與實際彎曲實驗結(jié)果進行初步的比較后，確定采用殼單元。模擬計算采用基于中心差分法的動態(tài)顯示時間積分的有限元算法，模型單元全部為shell163薄殼單元；管件材料模型選用經(jīng)典雙線性各向同硬化模型，根據(jù)實驗條件確定靜、動摩擦系數(shù)分別為0.11和0.09；管件一端采用節(jié)點剛性體約束以代替與滾動輪的連接，滾動輪和旋輪均簡化為剛性材料。模具和管件之間定義為面-面成形接觸，管子和模具表面分別為接觸面和目標面。
管件的精確彎曲需要準確掌握管件實際彎曲角度，以便于確定彎曲成形極限、管坯下料長度和縱向進給量等工藝參數(shù)。因此，將一組實驗管件刻線后分別彎曲不同角度，測量平行于彎曲平面的中切面最內(nèi)側(cè)上彎曲起始點、中間點和終點圍成的角度的變化值。將實驗測得的數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果對比。數(shù)值模擬值與實驗測量值十分接近，說明了管件彎曲有限元模型建立的有效性。對比結(jié)果顯示，管件內(nèi)側(cè)上三點之間的角度隨著滾輪轉(zhuǎn)角增大而減小，在轉(zhuǎn)角小于40°時，彎曲角度變化較小；在轉(zhuǎn)角大于80°時，彎曲角度變化比較明顯；在轉(zhuǎn)角達到120°時，彎曲角度為最終成形角度，與滾輪轉(zhuǎn)角相差30°，彎曲角度的數(shù)值模擬值小于實測值，主要原因是數(shù)值模擬沒有考慮管材回彈的因素。
所示等效應(yīng)力最大的部位出現(xiàn)在管件彎曲區(qū)域的與滾動輪和旋輪接觸部位，其彎曲成形后部位的應(yīng)力值逐漸減小，且沿兩端方向應(yīng)力逐漸減少。管件內(nèi)側(cè)管壁的應(yīng)力值比外側(cè)管壁要大，說明內(nèi)壁受到壓應(yīng)力要大于外壁受到的拉應(yīng)力。外側(cè)管壁由于受旋輪和滾輪的共同作用而在周向和軸向上出現(xiàn)拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力過大可能造成外側(cè)彎裂；壓應(yīng)力過大可能造成內(nèi)側(cè)起皺。
管材彎曲過程中，變形主要集中在彎曲外側(cè)和內(nèi)側(cè)。彎管形狀及等效應(yīng)變分布圖，可以看出管件彎曲內(nèi)、外側(cè)的等效應(yīng)變值明顯大于其他部位。管件外側(cè)切向伸長變形，沿管線方向的區(qū)域相對大，并且分布相對均勻，隨著離開彎曲水平中切而，等效應(yīng)變逐漸減小，在垂直于彎曲平而的中切而附近，產(chǎn)生最小等效應(yīng)變的區(qū)域略微偏向彎管內(nèi)側(cè)。
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