马鞍形船体板冷压成形回弹数值模拟研究.docx

马鞍形船体板冷压成形回弹数值模拟研究何新英I吴家鸣2（I.广州航海学院船舶工程系，广州510725；2.华南理工大学交通学院，广州510640）摘要：马鞍形是船体外板中比较常见的一种，在船体板的冷压成形中回弹是影响成形质量的主要因素之一.针对马鞍形船体钢板冷压及回弹过程进行仿真模拟，并着重探讨了板厚及曲率对回弹特性的影响规律，为工程实践中如何把握回弹规律开展模具补偿设计提供参考依据。关健词：马鞍形船体板；冷压成形；回弹；数值模拟中图分类号：TG386文献标志码：ADOIResearchontheNumericalSimulationofSpringbackforSaddle-shapedShipHullPlateinAir-bendingHEXin-yingl,WUJia-ming2（1.DepartmenlofInstituteofShippingEngineering.GuangzhouMariiimeCollege,Guangzhou510725.China;2SchlofTrafficandCommunications.SouthChinaUniversityofTechnology.,Guangzhou510640.China）Abstract:SpringbackisarealprobleminIheshipbuildingindustry,whilesaddle-shapedisarelativelycommoninshiphullplate./thispaper;analyzedtheinfluenceruleofspringbackjsheetthicknessanddifferentcurfatrechange（x）nditionsofsculclle-shapedshiphullplateracconlingtothespringbucksimulation,whichprovideabcsisfi）rtheuseofthesubsequentSPringbaCklaw（）fdiecompensation.Keywords:saddle-shapedshiphullplate:air-bending;springback;numericalsimulation0引言在船体外板的三维曲面中，马鞍形是船体外板中比较常见的一种，长期以来对于这一类特殊形状的三维船体板的制造只能通过手控机械加工或者水火成形，不适合造船自动化、数字化的发展内。近年来所研究的多点成形冷压法逐渐成为开展船体板自动化加工的有效途径之一。而回弹是船体板冷压成形中影响成形质量的主要因素之-.因此，如何精确的预测出回弹量在船体外板冷压成形中是一个非常关键的因素。有限元数值模拟技术的引入，为推动回弹问题的解决提供了有利的工具。本文基于前期研究工作的基础，以QM5钢板为例，对马鞍形的船体板进行回弹模拟，分析影响回弹量的因素，探讨马鞍形面成形的回弹规律，为后续的利用回弹规律进行模具补偿提供依据，提高造船的自动化和数字化技术.1船体外板冷压成形回弹败值模拟在前期的相关研充中，文献3已针对船体外板冷弯成形回弹数值模拟的关键技术进行过研充，本文将在此基础上着重讨论相关影响规律。1.1 回弹数值横拟的材料模型本文采用Q345钢板材料进行回弹模拟，采用双线性各向同性硬化材料模型在进行回弹模拟的数值模型中，材料的线切线模量E,、泊松比4、屈服强度大和弹性模量E对网弹模拟结果影响很大，其中线切线模量E和屈服强度G影响最大。为保证回弹模拟的准确性，本文通过"试凑法"，不断调整模型中的参数值，使模拟值尽可能接近实验值，最后求得线切线模量E=201000MPa,泊松比作0.3,屈服强度0产350MPa,弹性模量E=206800MPa.回弹模拟时，马鞍形板采用L=K）OOmm的正方形板，用SOLlDl64单元体划分网格。1.2 回弹横拟过程船体外板冷压成形PI弹模拟的全过程包括加载冷压过程和卸载PI弹过程两部分HL在加载弯曲成形模拟时采用动态显式算法，卸载回弹模拟时采用静态隐式算法*模拟时首先按目标工件形状建立凸凹模型面，应用软件ansys/ls-dyna动态显式模拟船板成形。把成形前板料的单元结点坐标存入数据文件中，数据文件和数据文件相加可得到目标工件的结点坐标数据文件。成形分析得到的冲压件成形后的结点位移存人数据文件中。卸我回弹,显隐式算法转换，移去上下模具，导入加载时动态显式模拟得到的、保存有几何形状和应力的成形工件数据，用静态隐式进行卸载过程模拟，得到的结点回弹位移存入数据文件中，把和的相应结点位移坐标数据相加，得到成形回弹后的工件形状结点坐标，存人数据文件newpartdat,比较文件和，即可得出试冲工件与目标工件的型面误差从而进行回弹分析。2马鞍形面回弹影响因素分析马鞍形面为双抛物曲线，如图1所示，其目标形状由R和r两个参数共同决定，其中，R为马鞍面在XoZ对称面处截面轮廓线半径，即弧曲率半径BOB；/为马鞍面在YoZ对称面处截面轮廓线半径，即弧AoA的曲率半径。图1马鞍型面图马鞍形面的变形比较复杂，即使是正方形板材，各边缘结点的压合顺序也不相同，从而造成各节点的回弹量也不相同。由于模型的对称性，为节省计算时间，取模型的1/4作为研究对象，模拟时，上下模具在A处最先压合,随着下模具的下压,压合的范围逐渐向C、O处扩展,最后B处合模。图2为板材尺寸1000mm×1000m×20mm,AOA曲率半径为1500mm,BOB曲率半径为300Omm的马鞍形件回弹前后的轮廓比较图。图中，I部分为回弹前轮廓线，II部分为回弹后的马鞍形件。由图2可知，OA边产生了向下方向的位移，OB边产生了向上方向的位移,可见，回弹后各曲率半径都要增大。因此，节点C的回弹受AC边和BC边网弹量的综合影响。在船体板的冷压成形中，材料确定后，影响回弹最大的因素主要是成形曲率和板材厚度0*以下就针对马鞍形面板材在相同厚度不同成形曲率和相同成形曲率不同厚度的情况下进行回弹模拟，分析成形曲率和厚度对回弹的影响规律。图2马鞍型面回弹前后位移图2.1 板厚对回弹的影响对目标曲率半径为R=3(XX)mm,r=15(X)mm,板厚r分别为IOmm、15mm、2()mm,30mm的马鞍形面进行回弹模拟分析，图3为不同板厚马鞍形面网弹前后OB向端面轮廓线形状的比较图，图4为不同板厚马鞍形面回弹前后OA向端面轮廓线形状的比较图。由图3和图4可知，马鞍形面各处均发生了回弹，且最大回弹量均发生在最后压合的B处，最大回弹量随着板厚的增大而减小。但各处问弹规律并不相同，OA方向轮廓线的PI弹量随着板厚的增大而增大，OB方向轮廓线的回弹量随着板厚的增大而减小。马鞍形曲面冷压成形时其同层纤维在X轴和Y轴两个方向上分别受到拉伸和压缩两个相反的作用，因此，R和r的大小会影响到A处和B处的回弹量，但不足以造成两处回弹量产生图3和图4所示的如此大的差异。经过分析可知，造成最大i弹量发生在B处的原因主要是由于合模顺序的影响。冷压时,A处最先合模，B处最后合模，己合模处的板材两面承受模具的作用，增大了板材在此处发生弹性变形的难度，在相同的变形量的情况下，发生塑性变形的程度较高，弹性变形所占比例较小，相对应的回弹就较小因此，先合模的地方回弹就小，最后合模的B处阿弹量最大。而随着板厚T的增大，板料的变形抗力也越大，所以最后合模的B处的回弹量随着板厚的增大而减小.但各处回弹规律并不相同，这主要是合模顺序不同造成的。因为>r,合模顺序为A点，然后C点，再O点，最后B点，先合模的方向受变形抗力的影响较大，因此，板厚，增大，PI弹量减小.而后合模的方向受压合顺序的影响较大，InI弹量随着板厚，的增大而增大。距板中心水平距离（mm）O IOO 200300400500O O -2-3y (ElU) b<nI-为回弹前目标形状 W-2-为厚度t=3dh回弹后形状 ' 43-为厚度t=2 回弹后形状 10»!0 l-沧三叵Z1 一回弹前目后形状2一为厚度t=10m回弹后形状3 -为厚度t=15m回弹后形状4 -为厚度t=20m回弹后形状5 -为厚度t:30m回弹后形状4-为厚度t=15mm回弹后形状5一为厚度t=l（n回弹后形状距板中心水平距离（mm）图4 OA向端面轮廊线回弹前后形状图3 OB向端面轮廓线回弹前后形状 M(WE)沿53叵 Z距板中心水平距离（mm）图6 OA向端面轮廓线回弹前后形状2.2 成形曲率对回弹的影响马鞍形曲面是双抛物线曲面，模拟时，上下模具在A处最先压合，随着下模具的下压，压合的范围逐渐向C、0处扩展，最后B处合模。在由A向C、O处扩展压合的过程中，到底是先压合C处还是先压合O处，还是C、0两处同时压合，这与X向和Y向的曲率半径有关，并旦由于压合顺序的不同，必然会影响马鞍形面的回弹量。因此，在分析成型曲率对回弹的影响时，分以下三种情况进行分析，板材厚度都为IOmm。2.2.1 R<r当K<r时，经分析可知，其压合过程为最先A点，然后O点，再C点，最后B点，并且（r-R）越大，C点压合得越晚。为分析R<r时成形曲率对（nl弹的影响，保持成型曲率/?=200Omm不变，对r分别为300Omm、4000mm、500Omm的马鞍形面进行回弹模拟分析，图5为相同板厚马鞍形面回弹前后OB向端面轮廓线的形状比较图，图6为相同板厚马鞍形面的回弹前后OA向端面轮廓线的形状比较图。距板中心水平距离（mm）0100200300400500-为r=50-回弹后形状1_2-为X4000a回弹后形状、23-为r=30Oh回弹后花伏3-4-为回弹前目标形状图5OB向端面轮廓线回弹前后形状222Qr当Qr时，经分析可知，其压合过程为最先A点，然后C点，再0点，最后B点，并且(Rr)越大，O点压合得越晚。为分析">r时成形曲率对回弹的影响，保持成型曲率尸150Omm不变，对分别为2000mm,3000mm,4000mm的马鞍形面进行回弹模拟分析，图7为相同板厚马鞍形面回弹前后OB向端面轮廓线的形状比较图，图8为相同板厚马鞍形面回弹前后OA向端面轮廓线的形状比较图。距板中心水平距离(mm)图7OB向端面轮廓线回弹前后形状图8OA向端面轮廓线回弹前后形状2.2.3K=r当R=r时，其压合过程为最先A点，然后C和O点，最后B点。为分析R=r时成形曲率对回弹的影响，对曲率半径分别为2500mm、3500mm、450Omm的马鞍形面进行Inl弹模拟分析。图9为相同板厚马鞍形面InI弹前后OB向端面轮廓线的形状比较图，图10为相同板厚马鞍形面回弹前后OA向端面轮廓线的形状比较图。图9 OB向端面轮廓线回弹前后形状图10 OA向端面轮廓线回弹前后形状由图5图10可知，板厚相同时，当曲率半径RVr时，保持R不变，增大r的值，轮廓线OB所对应面的IHI弹量逐渐增大，轮廓线OA所对应面的回弹量逐渐减小。当Qr时，保持r不变，增大R的值，轮廓线OB所对应面的回弹量逐渐减小，轮廓线OA所时应面的回弹量逐渐增大.当R=r时，增大R的值，轮廓线OB所时应面的回弹量逐渐增大，轮廓线OA所对应面的PI弹量也逐渐增大。这主要是因为成形曲率的不同不仅影响了变形量,同时也会改变了冷压时模具的合模顺序，这两个因素的变化都会影响回弹量。在不改变合模顺序的情况卜，变形量越大，回弹量越小，因为随着变形量的增大，板料外层纤维发生塑性变形的程度会越来越高，弹性变形会相时越来越少，同时板材中心层附近的纯弹性区也会逐渐发生塑性变形，从而使得板材的总弹性变形成份随着变形量的增大逐渐减少，因此回弹量变小。而合模越早的板材受变形量的影响越大，合模较晚处的板材受合模顿序的影响较大。3结论本文分析了马鞍形船体板在冷压时板厚和曲率半径以不同方式变化时板材的回弹规律。板厚增大时，最大回弹量随着板厚的增大而减小，但各处的网弹变化规律不同，这主要是由变形抗力和合模顺序综合影响造成的。当两曲率半径大小关系不同时，保持一个曲率半径不变，增大另一个曲率半径，不同方向的回弹量变化规律也不相同“经过分析可知，曲率半径变化时，不仅改变了板材成形的变形量，同时改变了板材的合摸顺序，这两个因素都会影响板材的回弹量，板材的最大回弹量均发生在板材的最后合模处.回弹研究的最终目的是实现回弹的有效控制，文章分析的马鞍形面冷压成形时回弹量随板厚和成形曲率变化的规律，可为后续的采用模具型面预修正法进行回弹补偿提供参考依据。H*t1李双印.船体板冷压成形的回弹研究D.武汉：武汉理工大学,20IL2P.A.Eggersen.K.Matliason.OnConslituliveModelingforSPringbackAnalysisJ.buemanofwlJouma!ofMechanicalSeines,2010,52:804-848.3何新英.船体外板冷弯成形回弹数值模拟关犍技术研究J广州航海高等专科学院学报，2012,51(1):174麻桂艳.中厚板多点成形的数值模拟研究D.吉林：吉林大学、2006.I5J张冬娟板料冲压成形回弹理论及有限元数值模拟研究DL上海：上海交通大学.26!61陈喜娣，蔡中义，李明哲，等板材无压边多点成形中起皱的数值模拟(农业机械学报,2005,36(4):132-135.基金项目：广东省教育厅"育苗工程"项目(2O13LMY_OOI5)作者简介：何新英(1979-),女，硕士，讲师。主要从事机械与电子、船舶方面的教学与研究。地址：州航海学院船舶1程系电话：Email：吴家鸣(1957-),男，博上，教授。主要从事船舶与海洋工程方面的救学与研究。