船舶型材压弯回弹研究

摘要

回弹制约型材加工成形精度、生产效率、加工成本，甚至影响型材加工设备的设计，是金属塑性加工的一个难点与热点。回弹普遍存在型材成形中，近年来，随着科技的进步，船舶型材冷弯回弹控制与预测有了很大的发展，但多是对工艺和回弹控制方面的研究，而回弹理论方面的研究则很少。如果不充分了解船舶型材加工过程中的回弹问题，需要对型材多次补弯或是矫形，这样必会导致生产成本提高，生产周期延长。围绕型材压弯回弹问题，本文主要研究内容及结论如下：
　　（1）基于弹塑性理论，从弯曲过程的应力分析和回弹过程的应力分析两个方面，阐述了型材弯曲回弹产生的机理，推导了船舶型材压弯回弹的预测公式。并以T型材为例，以实验测得的Q235钢的应力应变曲线为材料模型，借助数值计算软件MATLAB，研究了型材受到不同轴向拉力时，弯曲力矩等随着弯曲曲率增加的变化规律，规律表明：型材在受到同样的弯矩作用下，轴向拉力会使型材弯曲曲率增大、回弹量减小，继而又编写MATLAB程序求解典型边界条件下船舶型材大挠度压弯成形挠曲线。研究成果具有一定的理论意义和实用价值。
　　（2）采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立某船厂肋骨冷弯机模型并进行有限元分析，模拟出型材成形过程，分析了型材加载后的应力分布、卸载回弹后残余应力的分布。此外，本文还研究了成形参数对回弹的影响，得出了集中载荷、载荷作用时间、模具夹持力、型材力学性能以及型材几何尺寸等因素对型材回弹的影响规律，规律表明：集中载荷会使回弹减小；载荷作用时间对回弹影响不大；模具夹持力会使回弹量减小；高强度钢的回弹量要大于低强度钢的回弹量；型材高/宽比值越大回弹量越小。研究成果对于目前该厂还以据工人师傅经验进行回弹控制具有指导意义。
　　（3）有限元分析结果表明，弯曲曲率与回弹曲率成线性关系，继而对弯曲曲率-回弹曲率进行线性拟合，采用多组有限元分析数据对线性拟合的系数进行回归分析，并将回归方程整理代入，得到了T型材、L型材（角钢）的回弹预测公式。
　　（4）将回弹角的有限元计算值、理论值与实验值进行比较，比较结果表明：无论是理论值还是有限元计算值，预测回弹的趋势都是正确的。另外，有限元计算值和试验测得的结果较为一致，而理论值误差较大，且理论值大于实验值。
　　（5）逐步逼近弯曲是目前船舶型材自动加工回弹控制主要方法之一，其第一步的成形与回弹的预测由理论公式得到，由于理论公式只能预测回弹趋势，在预测回弹量方面有较大误差，且精确度远小于有限元仿真值，所以，作者提出用仿真值预测第一步成形与回弹量，在此基础上再进行逼近弯曲，能降低逼近次数，甚至可以达到一次成形。

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第1章 绪 论

1.1研究意义与背景

1.2国内外研究现状和方法

1.3 本文主要研究内容和创新点

第2章 船舶型材回弹理论及成形研究

2.1力学分析的前提条件

2.2加载力学分析

2.3卸载回弹分析

2.4型材冷弯成形挠曲线研究

2.4 本章小结

第3章 船舶型材回弹研究有限元技术

3.1 船用冷加工设备模型分析

3.2回弹有限元算法

3.3基于ANSYS/LS-DYNA建模分析

3.4 本章小结

第4章 基于LS-DYNA的回弹分析

4.1 LS-DYNA分析结果处理方法

4.2 回弹分析中的几个重要因素

4.3回弹影响因素分析

4.4 回弹的回归分析

4.5 本章小结

第5章 仿真结果的实验验证及工程应用

5.1 仿真结果与实验结果的比较

5.2 回弹预测公式的工程应用

5.3 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文

致谢