T型材冷弯成形加工中失稳起皱问题的计算与分析

摘要

冷弯成形加工是船舶工业普遍采用的对型材等构件进行弯曲加工的一种成形工艺。T型材是船舶结构的主要构件，它能够最合理的使用材料而得到最高的强度，并且能使结构具有良好的对称性。由于构成舭部分段的T型材一般要求具备一定的曲度，所以在装配之前都需要进行弯曲成形加工。T型材的先焊后弯工艺可以节约大量的材料和劳动力成本，具有明显的优势。然而在T型材反弯时，腹板边缘由于受到的切向压应力过大容易导致塑性失稳，产生起皱现象。起皱严重影响型材的成形质量，并使结构强度大大降低。因此本文采用有限元数值模拟技术，对T型材冷弯成形加工过程中失稳起皱的产生机理和T型材尺度参数对失稳起皱的影响规律进行了深入的研究。该研究对T型材冷弯成形工艺参数的选取和优化具有重要的理论意义和参考价值。本文的主要内容如下：
　　 分析和解决T型材冷弯成形三维有限元建模过程涉及的关键技术问题，基于ANSYS/LS-DYNA三维动态显式有限元模拟软件平台建立了既符合实际又兼顾计算精度和计算效率的有限元模型。对所建模型进行计算并与文献中的试验结果进行对比验证，结果吻合良好。该模型的建立为研究失稳起皱的产生机理和T型材尺度参数对失稳起皱的影响规律奠定了基础。
　　 针对建立的有限元模型，获得了T型材冷弯成形过程中切向应力和等效应变分布云图，分析成形过程中材料的变形行为和起皱产生的机理，追踪压缩变形区不同单元的应力应变位移随着弯曲的进行变化曲线，发现了失稳起皱分叉点位于较小弯曲曲率阶段，并准确的描述了起皱模态的发展过程。为研究失稳起皱的影响参数提供了依据。
　　 基于所建立的有限元模型，设计一系列不同腹板厚度的计算条件，对T型材冷弯加工成形进行有限元模拟，对比计算结果得出，腹板厚度越大，就越不容易起皱，并用MATLAB拟合了计算数据得到腹板厚度与分叉点处最大切向压应力和最小相对弯曲半径之间的关系公式；设计剖面模数相差不多的7组不同腹板宽厚比的计算条件，进行模拟分析得出，宽厚比越大，越容易发生失稳起皱，然后将计算结果进行公式拟合，得到腹板宽厚比与分叉点处最大切向压应力和最小弯曲半径之间的关系公式。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2文献综述

1.2.1薄壁件成形过程失稳起皱的研究现状

1.2.2失稳起皱有限元模拟技术的研究概况

1.3本文选题的背景与意义

1.4本文的主要研究内容

第2章 T型材冷弯加工成形及有限元理论基础

2.1引言

2.2三支点肋骨冷弯机的弯曲机制

2.3 T型材冷弯成形的理论分析

2.3.1基本假设

2.3.2 T型材冷弯加工弯曲过程分析

2.2.3 T型材冷弯加工应力应变状态分析

2.4有限元法理论

2.4.1有限元法简介

2.4.2动力显式方法虚功率方程

2.4.3动力显式算法有限元方程

2.4.4显式时间积分的中心差分算法

2.4.5临界时间步长的计算

2.5本章小结

第3章 T型材冷弯加工过程三维有限元建模

3.1引言

3.2 ANSYS/LS-DYNA软件平台简介

3.2.1 ANSYS/LS-DYNA软件平台概述

3.2.2 ANSYS／LS-DYNA工作流程

3.3 T型材冷弯加工成形有限元模型的建立

3.3.1几何模型的建立

3.3.2单元类型选择

3.3.3材料模型的选择

3.3.4网格划分

3.3.5接触处理与摩擦问题

3.3.6约束边界条件和施加载荷

3.4模型验证

3.4.1计算条件

3.4.2结果对比

3.5本章小结

第4章 T型材冷弯成形过程模拟结果分析

4.1引言

4.2典型成形过程模拟结果与分析

4.2.1典型模拟条件

4.2.2应力应变分析

4.2.3压缩变形区单元变化规律

4.3本章小结

第5章 T型材冷弯过程中失稳起皱的影响参数分析

5.1引言

5.2失稳起皱随弯曲曲率的变化规律

5.3板厚对T型材腹板失稳起皱分叉点的影响研究

5.3.1计算条件

5.3.2模拟结果分析

5.3.3公式拟合

5.4宽厚比对T型材腹板失稳起皱分叉点的影响研究

5.4.1计算条件

5.4.2模拟结果分析

5.4.3公式拟合

5.5本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文