小圆角矩形管圆成方辊弯成型方法

1.本发明涉及矩形管辊弯成型技术领域，具体涉及一种小圆角矩形管圆成方辊弯成型方法。


背景技术：

2.矩形管与截面相等的圆管对比，拥有强度大、容易装配以及外观美等很多优点，在汽车行业、建筑行业以及桥梁行业有着广泛应用。近年来，小圆角矩形管的需求在逐步增大，实际应用中客户对矩形管角部的要求也越来越严格，通常是越小越好。一般将外圆角与壁厚的比值小于2的圆角称为小圆角。生产矩形管的辊压成形工艺一般有直接成方与圆成方两种工艺。相比直接成方工艺，圆成方工艺具有外形好、圆角均匀，工艺简单、便于调试等优势，通常被用来生产小圆角矩形管。
3.当前，制造行业加工工艺正朝着高技术的方向发展，越来越多的公司在产品研发和制造过程中开始注重仿真技术的应用。abaqus作为一款功能强大的工程模拟有限元软件，从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题，都可以使用abaqus解决。采用abaqus进行仿真模拟可以节约开发成本、加快研发速度和提高产品质量。abaqus可以定义各种材料本构关系及失效准则模型，采用显式动力学的方法，即使用abaqus/explicit求解器模块，对辊压加工成形过程进行模拟，获得令人满意的结果。
4.目前，有从业者提出采用abaqus有限元软件对矩形管圆成方辊压成形过程进行仿真计算，主要考虑直边成型过程的变形。然而，对于小圆角矩形管来说，矩形管圆成方成型的过程中，角部的位置位于辊缝处，通过多道次不同辊型的上下和左右从动辊将圆管料挤压逐渐成形，其成形过程较为复杂，经常会有不可预料的应力应变出现，并且很难控制。再者，实际生产中由于圆角的尺寸比较小，对于成形过程应力应变的监控难以实现，需要寻求一种建模方法准确反映小圆角矩形管的成形过程。。


技术实现要素：

5.本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种考虑圆管管料由圆形截面成形至矩形截面时的变形，解决小圆角成形过程带来的单元扭曲、局部失稳等因素引起的数值计算问题的小圆角矩形管圆成方辊弯成型方法。
6.为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：小圆角矩形管圆成方辊弯成型方法，包括以下步骤：步骤a：根据圆成方辊弯成型的技术参数，确定模型的辊子及圆管管料的几何尺寸，其中辊子形成若干组依次排布的成型辊；步骤b：选择三组成型辊为离散刚体，并为圆管管料添加材料属性；步骤c：将圆成方所需的三组成型辊和圆管管料进行定位并形成装配体，三组成型辊位于同一直线上，且成型辊中部围成成型口，圆管管料对应该成型口；步骤d：根据圆成方辊弯成型过程，为成型辊和圆管管料的各个表面定义接触；
步骤e：进行分析步和边界条件的确定；步骤f：对装配体中的各个部件进行单元类型选取及网格划分；步骤g：求解，得到仿真结果并进行分析。
7.作为本发明的一种优选方案，所述步骤a中的成型辊包括对称设置的辊子立棍和对称设置的辊子水平辊，对称设置的辊子立棍和对称设置的辊子水平辊形成十字结构。
8.作为本发明的一种优选方案，所述步骤c中的成型口位于十字结构的成型辊中部。
9.作为本发明的一种优选方案，所述步骤b中的材料属性的添加包括密度参数、弹性参数和塑性参数，并为成型辊添加转动惯量。
10.作为本发明的一种优选方案，所述三组成型辊等距排布，且三组成型辊角度相一致。
11.作为本发明的一种优选方案，所述步骤d中的接触为法向设置硬接触，并在成型辊和圆管管料的切向方向设置摩擦系数，其中成型辊作为刚体表面定义为主面，管料作为变形体外表面定义为从面。
12.作为本发明的一种优选方案，所述步骤e中分析步选择动态-显式，步长根据成形时间设置，输出变量包括节点位移、应力、应变的设置。
13.作为本发明的一种优选方案，所述步骤e中边界条件包括设置约束条件和设置载荷条件，成型辊的各个辊子立棍和辊子水平辊进行绕轴转动，且辊子立棍和辊子水平辊的其余5个方向自由度受到约束，圆管管料沿进给方向设置进给速度。
14.作为本发明的一种优选方案，所述步骤f中圆管管料的圆角处进行网格密化，成型辊的单元类型为r3d4，管料的单元类型为c3d8r。
15.作为本发明的一种优选方案，所述步骤g中提交求解器运算前，设置多核并行计算以提高计算精度。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、通过在abaqus上进行设置相对应的圆管管料和成型辊，能够对小圆角矩形管的圆成方成形过程进行仿真，准确地模拟矩形管圆角的形变历程，得到位移、应力、应变等响应结果，方便对圆成方工作进行进一步研究；2、通过对圆角变形区域的网格细化，本发明解决了小圆角成形过程中极易出现的应变过大问题，有效杜绝了局部单元因此表现的变形不稳定现象；3、通过局部区域的网格细化与多核并行计算的设置，本发明实现了仿真过程在高效运算的同时保证计算结果准确可靠。
附图说明
17.图1是圆管管料的初始状态示意图；图2是矩形管成品的结构示意图；图3是圆成方辊压成型示意图；图4是圆管管料的圆角处网格细化图；图5是矩形管成品的圆角处网格细化图；图6是圆管管料的截面示意图；图7是经过第一组成型辊后的管料截面示意图；
图8是经过第二组成型辊后的管料截面示意图；图9是经过第三组成型辊后的管料截面示意图；附图标记：圆管管料1，成型辊2，第一辊子立棍2-1，第一辊子水平辊2-2，第二辊子立棍2-3，第二辊子水平辊2-4，第三辊子立棍2-5，第三辊子水平辊2-6，矩形管成品3。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
19.如图1-9所示，小圆角矩形管圆成方辊弯成型方法，包括以下步骤：步骤a：根据圆成方辊弯成型的技术参数，确定模型的辊子及圆管管料1的几何尺寸，其中辊子形成若干组依次排布的成型辊2。
20.成型辊2包括对称设置的辊子立棍和对称设置的辊子水平辊，对称设置的辊子立棍和对称设置的辊子水平辊形成十字结构，对称设置的辊子立棍之间的间距根据圆管管料1的尺寸和实际所需的矩形管成品3尺寸进行设计，同理，对称设置的辊子水平辊之间的间距根据圆管管料1的尺寸和实际所需的矩形管成品3尺寸进行设计，成型辊2的数量根据实际需要进行设置。
21.在abaqus软件的“part”功能中选择可变形实体，绘制圆管管料1的截面草图，设置拉伸特性并设置拉伸长度为1000mm，生成得到圆管管料的部件并命名为part-1。在abaqus软件的“part”功能中选择离散刚体，绘制第一辊子立辊2-1的截面草图并旋转，生成得到辊子的部件并命名为part-2。同样的方式，绘制第一辊子水平辊2-2的截面草图并旋转，生成得到辊子的部件并命名为part-3。同样的方式，绘制第二辊子立辊2-3的截面草图并旋转，生成得到辊子的部件并命名为part-4。同样的方式，绘制第二辊子水平辊2-4的截面草图并旋转，生成得到辊子的部件并命名为part-5。同样的方式，绘制第三辊子立辊2-5的截面草图并旋转，生成得到辊子的部件并命名为part-6。同样的方式，绘制第三辊子水平辊2-6的截面草图并旋转，生成得到辊子的部件并命名为part-7。
22.步骤b：选择三组成型辊2为离散刚体，并为圆管管料1添加材料属性，材料属性的添加包括密度参数、弹性参数和塑性参数，并为成型辊2添加转动惯量，三组成型辊2等距排布，且三组成型辊2角度相一致。
23.在圆管管料1的移动过程中，依次经过三组成型辊2完成圆管管料1的变形，且三组成型辊2对圆管管料1的同一位置进行挤压变形。
24.在abaqus软件的“part”功能中将三组成型辊2由实体生成为壳，并在abaqus软件的“property”功能中定义管料的弹塑性本构模型并命名为material-pipe。在各向同性材料设置中定义管料材料并命名为section-pipe，并将材料section-pipe赋予管料部件part-1。在abaqus软件的“property-special-inertia”功能中为part-2、part-3、part-4、part-5、part-6、part-7添加转动惯量。
25.步骤c：将圆成方所需的三组成型辊2和圆管管料1进行定位并形成装配体，三组成型辊2位于同一直线上，且成型辊2中部围成成型口，圆管管料1对应该成型口，成型口位于十字结构的成型辊2中部，圆管管料1通过该成型口进入经过各个成型辊2。
26.在abaqus软件的“assembly”功能中，将part-1、part-2、part-3、part-4、part-5、part-6、part-7转化为独立实体，通过平移和旋转调整part-2、part-3、part-4、part-5、
part-6、part-7，按照图2中管料与辊子的装配关系设定位置。
27.步骤d：根据圆成方辊弯成型过程，为成型辊2和圆管管料1的各个表面定义接触，接触为法向设置硬接触，并在成型辊2和圆管管料1的切向方向设置摩擦系数，其中成型辊2作为刚体表面定义为主面，管料作为变形体外表面定义为从面。
28.在abaqus软件的“interaction”功能中设置通用接触。在所述通用接触模型中，法向行为选择硬接触（“hard”contact），以限制计算中可能发生的穿模现象；切向行为采用罚函数(penalty)设置为摩擦接触，以模拟摩擦系数，本实施例中，摩擦系数取为0.1。其中成型辊作为刚体表面定义为主面，管料作为变形体外表面定义为从面。
29.步骤e：进行分析步和边界条件的确定，分析步选择动态-显式，步长根据成形时间设置，输出变量包括节点位移、应力、应变的设置，边界条件包括设置约束条件和设置载荷条件，成型辊2的各个辊子立棍和辊子水平辊进行绕轴转动，且辊子立棍和辊子水平辊的其余5个方向自由度受到约束，圆管管料1沿进给方向设置进给速度。
30.在abaqus软件的“step”功能中设置创建动态-显式分析步step-1，根据成形所需时间设计时长。在abaqus软件的“step-create field output”中进行输出变相设置，选取“whole”的位移、应力、应变为输出量。在abaqus软件的“load”功能中设置约束条件，part-1设置轴向方向的初速度，随后沿轴向方向按一定的速度进给，其余五个方向收到约束。同样的方式，part-2、part-3、part-4、part-5、part-6、part-7绕轴转动释放，其余方向收到约束。
31.步骤f：对装配体中的各个部件进行单元类型选取及网格划分，圆管管料1的圆角处进行网格密化，成型辊2的单元类型为r3d4，管料的单元类型为c3d8r。
32.在abaqus软件的“mesh”功能中，对管料和辊子进行全局均匀式铺设种子，划分得到初始网格，如图3所示在圆角处进行网格细化。定义管料部件的单元类型为c3d8r，辊子部件的单元类型为r3d4。
33.步骤g：求解，得到仿真结果并进行分析，在提交求解器运算前，设置多核并行计算以提高计算精度。
34.在abaqus软件的“job”功能中新建job-1，设置多核并行计算，提交求解器运算。待计算完成后，在abaqus软件的“visualization”功能中读取结果文件“job-1.odb”,查看当前仿真计算结果。
35.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
36.尽管本文较多地使用了图中附图标记：圆管管料1，成型辊2，第一辊子立棍2-1，第一辊子水平辊2-2，第二辊子立棍2-3，第二辊子水平辊2-4，第三辊子立棍2-5，第三辊子水平辊2-6，矩形管成品3等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。