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摘 要： 在一個輥彎成型項目研究中，運用有限元軟件MARC對先進高強度鋼DP800輥彎成型過程進行仿真，通過生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用驗證了仿真模型的正確性。建立了圓角輥彎模型，將DP800和Q235用于該模型進行分析，結(jié)果表明：隨著成型角度的增大，與Q235相比, DP800的回彈增量及輥彎變形能增量均有增加的趨勢。將仿真與biswas公式計算所得回彈進行比較，發(fā)現(xiàn)BISWAS回彈公式不能直接應(yīng)用于DP鋼的輥彎回彈計算，而應(yīng)在公式中采用隨彎曲角增加而增大的屈服應(yīng)力。 
關(guān)鍵詞：先進高強度鋼 輥彎成型 FEA回彈變形能 BISWAS公式 

1 引言 

先進高強度鋼（AHSS：Advanced High Strength Steel）具有優(yōu)良的材料性能[1,2]。國際鋼鐵協(xié)會的報告對AHSS從概念到性能及應(yīng)用的各個方面做了詳盡的介紹[3]。由于迎合了歐洲超輕鋼車身先進車輛概念（ULSAB-AVC： The Ultralight steel Auto Body-Advanced Vehicle Concepts ）的安全、節(jié)能、經(jīng)濟的先進理念，AHSS在汽車工業(yè)中得到了日益廣泛的應(yīng)用[4]。 

在汽車結(jié)構(gòu)件的加工工藝中，輥彎成型（Rollforming）方法生產(chǎn)率高，在某些部件得成型中具有其它工藝不可替代的優(yōu)勢。研究AHSS的輥彎成型工藝，成為先進高強度鋼應(yīng)用中的一個重要課題。 

2 AHSS及雙相鋼簡介 

AHSS的概念是基于高強度鋼（HSS：high strength steel）提出來的，而鋼材的力學(xué)性能主要在其塑性和強度，AHSS的研究也基于HSS朝這兩個方向發(fā)展。一個方向是強度基本不變，提高優(yōu)化其塑性性能；而另一個方向則是塑性基本不變而提高其強度。塑性提高的鋼種有雙相鋼(DP:double phase)，相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP)；強度提高的鋼種有復(fù)相鋼(CP)，馬氏體鋼(Mart)[3]。 

本文研究用先進高強度鋼為DP。DP由鐵素體（Ferrite）基體和以孤島形式分布的堅硬的第二相—馬氏體（Martensite）組成。材料強度通常隨馬氏體含量的增加而增加。圖1為DP金相示意圖[3]，圖2為本文研究用DP800金相圖。

DP的力學(xué)性能可以從金相圖來解釋，軟相鐵素體通常是連續(xù)的，賦予雙相鋼良好的延展性。當(dāng)變形集中于低強度相—鐵素體時，硬相馬氏體賦予雙相鋼獨特的高應(yīng)變硬化速率。高的應(yīng)變硬化速率和良好的延展性使得雙相鋼的抗拉強度大于普通鋼材（如高強度低合金鋼HSLA： High－strength ,low－alloy）。

圖3給出了同一屈服強度的HSLA與DP準(zhǔn)靜態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變特性曲線對比[3]。與HSLA相比，DP顯示出高的初始應(yīng)變硬化速率，高的抗拉極限，低的屈強比。特別需要指出的是，DP力學(xué)曲線顯示 其不存在屈服點延伸。

圖4表示DP用于ULSAB-AVC的結(jié)構(gòu)件的比例 [4]，進一步說明了研究DP輥彎工藝的重要性。

圖3 HSLA與DP應(yīng)力應(yīng)變曲線對比 圖4 用于ULSAB-AVC的鋼種(按重量劃分)

3 項目仿真研究

3.1 項目簡介

該項目來源于轎車加強梁的輥彎成型生產(chǎn)線設(shè)計研發(fā)項目。圖5是該項目產(chǎn)品斷面圖。

表1所示為該項目研究所用DP材料參數(shù)[5]。

3.2 項目仿真分析模型的建立

根據(jù)有限元理論建立假設(shè)條件[6,7]：采用理想化軋機，理想化的安裝及調(diào)試狀態(tài)；假設(shè)軋輥為剛體并不計軋輥與板料間的摩擦；假設(shè)板材各向同性；截取一個長度段的板料代替成型過程的整卷板料進行模擬。按照以上的假設(shè)，根據(jù)運動關(guān)系的力學(xué)等效，采用1/4軋輥依次滑過板料進行成型分析。

單元選用：本項目板料厚度1.5mm，相對于板料寬度142mm及所模擬板料長度400mm，尺寸較小，根據(jù)殼體理論簡化為殼。通過對Marc的單元進行分析，考慮輥彎工藝特性，選擇75號殼單元[8]。75號殼單元為雙線性、四節(jié)點殼單元，每個節(jié)點具有6個自由度，考慮橫向剪切效果。

材料模型： 根據(jù)材料的塑性參數(shù)用冪函數(shù)擬合。

工況設(shè)置： 根據(jù)軋輥與板料接觸特點，每道次設(shè)置一個工況。

分析選項設(shè)置： 采用帶應(yīng)變修正的NR方法和完全應(yīng)力修正法[9]。

邊界條件設(shè)置：端部縱向固定，在變形初期建立尾部夾持約束。

3.3 項目仿真結(jié)果對比及最終產(chǎn)品

該項目的完成共進行了兩次設(shè)計，兩次仿真分析。第一次設(shè)計的軋輥經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)在第九道次出現(xiàn)比較大的邊波，如圖6所示。分析認(rèn)為低估了AHSS的回彈,經(jīng)修改軋輥設(shè)計，再次仿真，結(jié)果較好，如圖7所示。

將第二次設(shè)計方案用于實際生產(chǎn)，產(chǎn)品比較理想，見圖8。

4 利用項目仿真模型分析DP輥彎工藝

輥彎工藝設(shè)計根據(jù)現(xiàn)有的理論結(jié)合長期的實踐經(jīng)驗而進行，DP做為一種新型材料，有必要深入研究其輥彎參數(shù)。

4.1分析模型的建立

圓角成型是典型的輥彎成型工藝。因此，將其從仿真模型中分離出來進行分析，對其特性進行研究，得到的結(jié)論對于一般輥彎工藝具有指導(dǎo)意義。選取在成型過程中的一個圓角，根據(jù)孔型施加邊界條件。分析材料在該圓角前七個道次的成型，其成型輥花見圖9。

Q235是輥彎成型常用材料，為了給輥彎設(shè)計提供有效參考，將DP800與Q235用于上述圓角成型輥彎模型進行對比分析。

4.2 輥彎回彈對比分析

對板料在孔型中的角度和回彈后的角度進行比較，可得出輥彎回彈值。由仿真結(jié)果計算得到兩種材料輥彎回彈值，見圖10。比較DP800與Q235的輥彎回彈值，可以得出DP800相對于Q235的回彈增量，見圖11。

4.3 輥彎變形能對比分析

在每個道次的不變形區(qū)，提取板材的總變形能數(shù)據(jù)，將兩種材料仿真結(jié)果的變形能進行對比，分析DP800所需總變形能相對于Q235所需總變形能的增量百分比。比較結(jié)果列于表2。

表2 DP800與Q235變形能比較

5 回彈仿真結(jié)果與BISWAS回彈公式計算結(jié)果的比較

為了使仿真研究更有效的指導(dǎo)實踐，將回彈仿真結(jié)果與輥彎設(shè)計中常用的BISWAS回彈公式的計算結(jié)果進行比較。

5.1 BISWAS回彈計算公式[10]

其中，，ri1為要彎曲半徑（mm），ri2為回彈后半徑（mm），rf為屈服曲率（mm）， E為楊氏模量（MPa），t為板料厚度（mm），S為材料屈服應(yīng)力（MPa）。

5.2 BISWAS公式計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比

由ri2 和輥彎段弧長計算得到回彈后角度，與仿真分析結(jié)果進行對比，如圖12～13。

圖12 DP800輥彎回彈BISWAS計算值與仿真之差

5.3 對屈服應(yīng)力S進行修正，應(yīng)用于BISWAS公式，計算DP輥彎回彈

隨成型角度增大，板料塑性應(yīng)變增加，輥彎成型初始屈服應(yīng)力也增加。由圖12可知，BISWAS公式計算DP回彈時有較大偏差，因此，考慮采用隨彎曲角增加而增大的屈服應(yīng)力（圖14）代入BISWAS公式計算DP回彈，計算結(jié)果如圖15所示。

6 結(jié) 論

1 建立輥彎仿真模型，通過仿真結(jié)果在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用，驗證了該仿真模型的正確性。

2由仿真模型建立圓角輥彎模型并進行工藝分析，研究結(jié)果表明：與Q235相比，隨著成型角度的增加， DP800的回彈增量及輥彎變形能增量均有顯著增加。每道次成型量為12°左右時，DP800與Q235相比，回彈增量的均值為3°，變形能增量百分比的均值為46％。

3 將輥彎回彈分析結(jié)果與BISWAS回彈公式計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)biswas公式不能簡單地應(yīng)用于DP輥彎回彈計算，而應(yīng)考慮屈服應(yīng)力隨彎曲角度增加而增大的特性，尋求新的計算方法。

參 考 文 獻
1 Kenichi Watanabe; Yoshinobu Omiya; Jody Shaw; Soichirou Saitou . Material charac

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