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前言

冷弯型钢作为一种经济断面型材，一直以优化截面形状而不是单纯靠增加材料用量和改善材料性能来节约资源，这使得其拥有广阔的应用领域，已被广泛应用于汽车、航空、建筑等行业。

冷弯成形是一个经历大位移、有限应变的过程，其中涉及到与轧辊之间的接触摩擦问题，同时也是一个包含着几何非线性、材料非线性和边界非线性在内复杂的高度非线性问题。冷弯型钢变形过程是一个横向弯曲、横向扭转、纵向拉伸等弹性、弹塑性、塑性变形的耦合过程，因此对板料成形过程进行模拟分析十分困难。采用有限应变弹塑性有限元分析，能够有效地模拟此过程，为实际生产提供一定的理论指导。

图1 冷弯成形件

本文是以荣威550轿车防撞梁（图1）为例，采用大型有限元软件Marc对其辊压成形过程进行了模拟，并研究了型材在线三辊弯曲过程。分析了成形过程中应力场和应变场，并得到了几个关键节点的应力和应变演变曲线，分析了成形过渡区变形过程，研究了牌坊间距对成形过程的影响。研究了三辊弯曲中回弹现象，推导了三辊弯曲回弹计算公式，并获得了工艺试验验证，模拟结果对实际生产有一定的参考价值。

冷弯成形有限元模拟

考虑到Marc软件的特点，在模拟时采用多工步作业的方式进行计算，将整个工件的成形过程分成三步来实现，其中辊压成形将分成两步来进行，首先是第1～8道次，实现两个弯角的成形，其次是9～16道次，主要是对第三个弯角的成形，最后一步是型材在线辊弯成形模型，完成型材的辊圆成形。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

模拟结果分析

特殊节点应力、应变历程曲线分析

如图3、4所示，分别为弯角处在整个变形过程中的应力和应变历程曲线。由图可知，在每一道次变形中，弯角处等效应力先增大，再减小，然后出现一些波动后趋于稳定状态，从这一点来看，板料每通过一组轧辊就会发生一次加载和卸载，因此冷弯成形也是一个多次加载、卸载的过程。等效应力突然减小是由于弯角部位的节点和轧辊脱离接触，节点离开辊缝后，其变形不再受轧辊的约束而发生弹性回复使应力和应变值减小，随着节点离辊缝的距离越来越远，弹性回复也越来越弱，等效应力趋于稳定。弯曲部位节点等效应变是不断增加的，变化规律较等效应力变化规律简单。与应力所不同的就是呈一个阶梯形状的逐渐增加过程，当板料离开轧辊后，应变也有所减小，但不会大幅度下降。

过渡区应力、应变分析

冷弯成形过程中，板料离开辊缝到进入下一组轧辊之间的弯曲角度变形不是一下子就完成的，而是需要一个逐渐成形过渡过程，即变形沿长度方向有一个变形过渡区。以第4、5组机架之间的过渡区为例分析板料的应力和应变分布情况。

在板料弯曲处沿纵向取节点为路径建立图5和图6，从中可以看出，板料过渡区等效应力和应变在长度方向上的分布是沿板料运动方向逐渐增加的，处于两轧辊之间的板料弯角处等效应力较大，约700MPa，远远超过了材料的屈服强度，故板料在过渡区就已经发生了塑性变形，由此可知，成形过程中板料过渡区的变形是在前后两组轧辊的共同作用下而进行的。

图3 弯角处等效应力历程曲线

图4 弯角处等效应变历程曲线

图5 第4～5架间等效应力分布图

图6 第4～5架间等效应变分布图

三辊弯曲成形有限元模拟结果分析

三辊弯曲成形有限元模拟是在前面工步的基础上进行模拟的，因此，此过程中会受到前面模拟模型的影响，特别是残余应力的存在。

应力、应变分布曲线

图7a、7b与图8a、8b为缘板处三向应力分布和弯曲应变值分布曲线图，从中可以看出，板料弯曲应变的分布和弯曲应力的分布趋势是一致的，在缘板上有一处弯曲应变值较小，该处就是应变中性层，等效弯曲应变的绝对值由中性层向两侧逐渐增大，处于应变中性层上侧的板料其弯曲应变值为负，发生的是弯曲压缩变形，处于应变中性层下侧的板料应变值是正的，发生的是弯曲拉伸变形，在板料的最上侧和最下侧弯曲应变绝对值最大，对比图7和图8中可以看出，应变中性层在应力中性层的外侧，这是与理论相一致的。

三辊弯曲成形回弹的计算方法

对于三辊弯曲成形的型材，其相对弯曲半径较大。在计算型材回弹量的时候，应将数学上的几何关系与力学上的回弹规律结合起来，这样才能使计算公式更加具有普遍意义。因此，我们在推导型材三辊弯曲回弹计算式的过程中，将几何关系和塑性弯曲时回弹规律相结合，进行型材三辊弯曲回弹计算。

图7 三向应力分布曲线

图8 应变分布曲线

图9 轿车防撞梁生产线

图9为荣威550防撞梁辊压生产线。

结束语

在冷弯成形过程中，等效应力和应变在横向主要集中在弯角部位，此外，板料边缘和中间部分也存在一定的变形。随着轧制的进行，板料弯角处的变形由弹-塑性变形转变成塑性变形；从弯角处节点应力变化特点来看，冷弯成形是一个多次加载、卸载的过程，板料通过轧辊后发生弹性回复；轿车防撞梁冷弯变形过程中，在两组轧辊间存在过渡区，在过渡区等效应力也达到较大值，板料在此区域发生塑性变形。根据数学上的几何关系和三辊弯曲成形应力应变分布情况，推导了型材三辊弯曲回弹计算公式，并获得了工艺试验验证。

——摘自《钣金与制作》 2021年第12期