第12卷第6期2005年l2月塑性工程学报JOURNALOFPLASTICITYGIJGVo1．12No．6Dec．2005基于有限元模拟的数控弯管过程轴力和弯矩的分析计算(西北工业大学材料学院，西安710072)詹梅杨合(西安重型机械研究所，西安710032)江志5虽摘要：获取管材数控弯曲过程中的轴力和弯矩，有助于对成形机理的了解和后续的回弹分析，以及为选择设备和设计模具提供重要依据。提出了基于三维有限元模拟的数控弯管过程中轴力和弯矩的求解方法，详细阐述了其实现过程。采用该方法，分析了轴力和弯矩随弯曲角的变化特征以及工艺和材料参数对轴力和弯矩的影响规律：随着弯曲过程的进行，塑性变形区的轴力变化不大，弯矩呈指数关系变化，而弯曲变形区刚性端的轴力几乎线性递增，弯矩类似于阻尼正弦曲线变化；弯曲速度和材料强度系数的增大以及弯曲半径和硬化指数的减小会引起轴力和弯矩的增加。文中提出的方法也可推广应用于板材、其他型材和管材的弯曲。关键词：数控弯管；三维有限元；轴力；弯矩中图分类号：TG386．44文献标识码：A文章编号：1007—2012(2005)06—0078—061引言数控弯管(如图l所示)属于绕弯过程，在变形过程中的任一时刻，变形区的任一截面上均作用有轴力和弯矩。获取数控弯管过程中的轴力和弯矩并跟踪其变化，有助于对成形机理的了解和后续的回弹分析，以及为设备选型和模具设计提供重要依据。管材数控弯曲成形是一个几何、物理和边界条件三重非线性问题。管材弯曲时的力能参数(包括轴力和弯矩)，不仅取决于管材的材料性能、断面形状与尺寸和弯曲半径等基本参数，同时也与弯曲方法、模具结构等有很大的关系。可见，影响管材数控弯曲力能参数的因素多而复杂，了解和掌握的难度大。目前还不可能把这么多因素都准确地用计算公式表示出来，在生产中只能估算。国内外学者对于管材弯曲力能参数的计算，归结起来有两种方法。一是力学分析法，即直接基于力学分析，获得管材弯曲的相关力能参数，如文献*国家杰出青年基金项目(5022518)；国家自然科学基金项目(50175092)；高等学校优秀青年教师科研奖励计划，航空科学基金项目(O4H53O57)；西北工业大学英才培养计划资助项目。詹梅E-mail：zhanmei@nwpu．edu．cn作者简介：詹梅，女，1972年生，四川资阳，西北工业大学副教授，博士，主要从事先进塑性加工技术和计算机仿真方面研究收稿日期：2005—06—30图1数控弯管工作原理Fig．1SketchofoperatingprincipleofNCbendingoftube[1～2]就是采用这种方法，通过对热弯过程进行受力分析，获得了塑性变形区的弯矩表达式及其简化分布；二是理论解析法，即基于塑性变形理论的大量简化假设，求出截面上的轴向应力分布，再积分求轴力和弯矩[3叫]。第一种方法适用于静定问题，即要求模具结构简单，从而需求解的未知参数相对较少的情况。对于数控弯曲，由于其模具结构复杂，包括弯曲模、夹块、压块、防皱块、芯棒以及其与管坯的接触作用，因而导致采用直接力学分析求解力能参数存在困难。采用理论解析方法求解轴力和弯矩，其前提是要求得管弯曲方向的切向应力，由于管弯曲的复杂性，不得不进行大量的简化，从而对结果的精度造成影响。目前尚未见到有关针对管材数控弯曲力能参数研究的报道。归结起来，对于管材数控弯曲力能参数的获得，关键在于高效实用的求解应力的方法。近年来发展迅猛的有限元法，由于可以考虑多因素的影响，获得大量任一时刻的变形场量信息，并且该方法具有普遍性、快捷性和准确性，因此恰好为此提供了良好的契机。因此本文提出基于对管材数控弯曲过程三维有维普资讯http://www.cqvip.com第6期詹梅等：基于有限元模拟的数控弯管过程轴力和弯矩的分析计算79限元模拟的轴力和弯矩的求解方法，即首先通过对管材弯曲过程的有限元模拟，获得相关的应力场分布，进而求得弯曲切向应力分布，再积分求得相应截面的轴力和弯矩。本文详细地介绍了该方法的实现过程，并选取两个典型截面，即代表弯曲变形区刚性端的初始弯曲平面和代表塑性变形区的弯曲平面，研究了作用在其上的轴力和弯矩的变化特征，进而分析了弯曲速率、弯曲半径、材料强度系数和硬化指数对轴力和弯矩的影响。本文所提出的基于管材弯曲过程...
