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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(duì)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(shí)極易產(chǎn)生失穩(wěn)、起皺和開裂等問題。對(duì)上述問題的研究單純依靠實(shí)驗(yàn)的方法所需周期較長(zhǎng)、費(fèi)用高，且試驗(yàn)過程中的隨機(jī)干擾因素較多，難以對(duì)工藝參數(shù)通過試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和提高。
近年來，計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)合起來對(duì)彎曲變形過程中的諸多現(xiàn)象進(jìn)行比較分析，對(duì)成形過程進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)，并對(duì)工藝加以優(yōu)化，已成為人們關(guān)注的問題。
本研究通過對(duì)薄壁不銹鋼管件的彎曲成形過程進(jìn)行三維彈塑性有限元模擬，揭示了其成形時(shí)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律和變形機(jī)理，分析了對(duì)成形質(zhì)量影響的主要因素，為進(jìn)一步研究薄壁不銹鋼的變形機(jī)理和失效機(jī)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(dǎo)。
模擬主要針對(duì)小直徑小鑄鋼管件的回轉(zhuǎn)式滾動(dòng)彎曲變形。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備為自制手動(dòng)彎管機(jī)。彎曲成形前，應(yīng)對(duì)管材形狀、尺寸及質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格篩選。為了檢測(cè)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(biāo)記線。彎曲成形后，利用精密萬能測(cè)試儀和顯微測(cè)試儀對(duì)標(biāo)距的變化進(jìn)行測(cè)量。有限元模擬的變形條件、參數(shù)與實(shí)驗(yàn)完全相同，以便進(jìn)行比較和驗(yàn)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(qiáng)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(shí)體單元法和殼單元法進(jìn)行了模擬，在與實(shí)際彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初步的比較后，確定采用殼單元。模擬計(jì)算采用基于中心差分法的動(dòng)態(tài)顯示時(shí)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(shí)驗(yàn)條件確定靜、動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.11和0.09；管件一端采用節(jié)點(diǎn)剛性體約束以代替與滾動(dòng)輪的連接，滾動(dòng)輪和旋輪均簡(jiǎn)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(biāo)面。
管件的精確彎曲需要準(zhǔn)確掌握管件實(shí)際彎曲角度，以便于確定彎曲成形極限、管坯下料長(zhǎng)度和縱向進(jìn)給量等工藝參數(shù)。因此，將一組實(shí)驗(yàn)管件刻線后分別彎曲不同角度，測(cè)量平行于彎曲平面的中切面最內(nèi)側(cè)上彎曲起始點(diǎn)、中間點(diǎn)和終點(diǎn)圍成的角度的變化值。將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果對(duì)比。數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)比結(jié)果顯示，管件內(nèi)側(cè)上三點(diǎn)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(shí)，彎曲角度變化較小；在轉(zhuǎn)角大于80°時(shí)，彎曲角度變化比較明顯；在轉(zhuǎn)角達(dá)到120°時(shí)，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(shí)測(cè)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(dòng)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(zhǎng)變形，沿管線方向的區(qū)域相對(duì)大，并且分布相對(duì)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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