船舶肋骨(球扁钢)冷弯成形中旁弯的数值模拟

摘要

船舶肋骨大多由球扁钢、角钢弯曲加工而成。球扁钢类非平直的船体型材构件一般均需进行塑性弯曲成形加工，以便得到所要求的空间形状，其中以肋骨的弯曲工作量最大。由于这类型材的截面不对称，弯曲加工时，加载弯曲力矩时会同时产生水平弯矩分量和垂向弯矩分量，因而在形成水平弯曲变形的同时也形成垂向弯曲变形，即是“旁弯”。旁弯作为一种有害变形，使矫正工作量增大。因此，如何采取措施来减小或者消除旁弯，从而提高肋骨成形质量，一直是造船界比较关心和重视的问题。对于日趋使用广泛的高强度船体肋骨球扁钢，研究其旁弯变形规律将更具有实际意义。
　　 本文采用ANSYS LS-DYNA数值模拟与实验验证相结合的方法，对船用球扁钢弯曲过程中的旁弯现象进行研究，以分析模拟方法的可行性。具体研究内容如下:
　　 分析了球扁钢的相对弯曲半径与旁弯量之间的关系。当相对弯曲半径大于10时，相对弯曲半径越小，旁弯量越大。当相对弯曲半径小于10时，旁弯会迅速增大，成形质量变差。
　　 分析了腹板板厚与旁弯量的关系。球扁钢在相对弯曲半径一定时，腹板越厚，旁弯越小。
　　 分析了支点间距与旁弯量的关系。球扁钢在相对弯曲半径一定时，支点间距越大，旁弯越大，但减小间距可能使弯模承受更大的冲压力。
　　 分析了两侧夹头的夹紧力与旁弯量的关系。当夹紧力比较小以致型材与夹头有相对滑移时，旁弯量会明显增大;增加夹紧力可以减少旁弯。
　　 分析了反弯时的旁弯和起皱情况，反弯时两侧夹头与中间夹头夹紧腹板可有效抑制旁弯与起皱。腹板板厚越大，起皱越小。支点间距越小，起皱越小。
　　 球扁钢截面的变形程度会随着相对弯曲半径的变小而变大。
　　 通过弯曲加工试验，对比了旁弯趋势以及旁弯数据。试验结果与模拟结果较接近，说明了用数值模拟的方法分析旁弯大小、旁弯变化趋势是可行的。旁弯的模拟值比试验值偏大，说明实际的球扁钢存在加工硬化现象。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 非对称截面型材成形研究现状

1．3 肋骨冷弯机简介

1．3．1 三支点肋骨冷弯机的弯曲机制

1．3．2 旁弯的消除方法

1．3．3 肋骨冷弯机的发展

1．4 课题来源及意义

1．5 主要研究内容及采用的方法

第2章 球扁钢冷弯加工成形相关理论基础

2．1 ANSYS LS-DYNA相关原理

2．1．1 ANSYS LS-DYNA简介

2．1．2 ANSYS LS-DYNA分析的一般流程

2．1．3 显式与隐式时间积分

2．1．4 沙漏

2．1．5 时间步控制

2．2 塑性理论

2．2．1 塑性力学简介

2．2．2 塑性变形的本质

2．2．3 塑性应力应变关系

2．2．4 屈服准则

2．2．5 强化准则

2．2．6 本文的本构关系

2．3 球扁钢冷弯成形的力学分析

2．3．1 基本假设

2．3．2 球扁钢弯曲过程中的应力与应变分析

第3章 球扁钢旁弯的有限元模拟

3．1 单元类型的选择

3．2 材料模型的选取

3．3 模型的建立

3．3．1 建模前的规划

3．3．2 肋骨冷弯机的物理模型

3．3．3 球扁钢的几何要素

3．3．4 实体建模

3．4 网格的划分

3．5 接触的设置

3．5．1 接触类型的选择

3．5．2 主从面的选择

3．5．3 搜索方式的选择

3．5．4 极限穿透深度

3．5．5 接触刚度的控制

3．6 载荷的施加

3．7 求解的控制

3．8 计算时间控制

第4章 球扁钢旁弯的数值模拟分析与实验验证

4．1 正弯的模拟与分析

4．1．1 前期的准备工作

4．1．2 球扁钢的正弯模拟分析

4．1．3 正弯时不同弯曲曲率下的旁弯大小

4．2 正弯的实验验证

4．2．1 实验准备工作

4．2．2 实验弯曲成形过程

4．2．3 实验中的变形分析

4．3 反弯时的模拟分析及实验验证

4．4 本章小结

第5章 影响旁弯的有关因素的分析

5．1 旁弯量的模拟数据汇总

5．2 旁弯量与相对弯曲半径的关系

5．3 不同支点间距与旁弯量的关系

5．4 不同厚度与旁弯量的关系

5．5 轴向力与旁弯量的关系

5．6 反弯时的起皱影响因素分析

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢