CN114117679A - 一种厚板弯曲成形过程中中性层偏移量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厚板弯曲成形过程中中性层偏移量的计算方法，厚板弯曲成形过程复杂多变，包含弹塑性材料的非线性，大挠度的几何非线性等以及变形过程中应力应变的变化情况。目前厚板弯曲成形中并未考虑中性层偏移的因素，其原因在于无法精确给定中性层偏移量，从而导致弯曲成形质量较差。为提高弯曲成形质量，降低生产成本，提高生产率，本发明提出一种厚板在弯曲成形过程中中性层偏移量的计算方法。利用实验测量得到厚向强化线性分布曲线，再根据弹塑性力学理论和中厚板弯曲理论，通过对厚板在弯曲时取微分单元体进行力学分析，讨论一种极限状态，推导出理论中性层偏移的计算公式。

Description

一种厚板弯曲成形过程中中性层偏移量的计算方法

技术领域

本发明属于弯曲成形的技术领域，具体涉及一种厚板在弯曲成形过程中考虑中性层偏移的计算新方法。

背景技术

厚板金属弯曲成形是制备厚壁直缝焊管的重要变形过程，例如UOE、JCOE、RBE等成形方式中厚板金属弯曲成形是制定成形工艺的重点研究部分。但弯曲成形方式在成形过程中的控制比较粗糙，对生产效率、钢管焊接及外观质量都产生了一定的影响。实际生产过程中更多仍然依靠经验进行模具设计和工艺参数调整。而且对焊管生产过程中复杂的变形认识相对较浅，理论分析相对不足，生产上还存在很多问题。同时管坯成形的多道次压弯过程是一个复杂的非线性过程，包含弹塑性材料的非线性、大挠度的几何非线性、边界条件的非线性，而且在成形过程中发生的一些物理现象，如金属的流动、接触面上的摩擦、变形过程中应力应变变化情况等。因此考虑中性层偏移对厚板弯曲成形过程中的影响，推导出理论中性层偏移量的计算公式。从而提高弯曲成形工艺，降低生产成本，提高产品的质量。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于，提供一种厚板弯曲成形过程中中性层偏移量的计算方法，能够降低生产成本，提高厚壁直缝焊管的产品精度。

为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：

一种厚板弯曲成形过程中中性层偏移量的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：利用分层拉伸断裂实验，获得厚向强度线性分布曲线，根据厚板弯曲理论，建立应力-应变数学模型：

（1）

K--硬化系数，

n--硬化指数，

Q--反映厚向强度分布不均匀程度的系数，

z--板层距离中间层的垂直距离，

e--理论中性层偏移量，

t--厚板的厚度，

E--弹性模量；

步骤2：在拉伸区和压缩区分别取微元体进行受力平衡分析，并在极限状态下得到中性层偏移公式：

厚板弯曲的拉伸区的力学平衡关系式如下：

（2）

厚板弯曲的压缩区的力学平衡关系式如下：

（3）

σx--第一主应力，

σy--第二主应力；其中：

β--中间主应力影响系数；

ρ--中性层的曲率半径，

α——微分单元体的长度，

ρ_ya——微分单元体在压缩区的曲率半径，

ρ_la——微分单元体在拉伸区的曲率半径；

当中性层发生塑形变形时，拉伸区和压缩区的应力相等，即：

ρ_la=ρ_ya （4）

根据公式（2）、（3）（4）可推导出理论中性层偏移量的计算公式：

（5）

ρ--中性层的曲率半径，

ρ_min--最小弯曲曲率半径，

ρ_max--最大弯曲曲率半径。

对于给定材料，工人只需测量弯曲半径、板厚即可利用公式（5）轻松计算出中性层偏移量，方便工人实际操作。

本发明的有益效果是：

1. 本发明提出一种确定中性层偏移量的方法，并给出计算公式。通过中性层偏移量的确定，可以协助制定更为准确的弯曲工艺参数。

2.本发明提出的确定中性层偏移量的方法可以提高厚壁直缝焊管的成形精度，降低生产成本。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为弯曲成形的模型的示意图；

图2为厚板弯曲的应力平衡关系图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1

以厚板的JCO成形为例：

如图1-2所示，一种厚板JCO成形过程中中性层偏移量的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：利用分层拉伸断裂实验，获得厚向强度线性分布曲线，根据厚板弯曲理论，建立应力-应变数学模型：

（1）

K--硬化系数，

n--硬化指数，

Q--反映厚向强度分布不均匀程度的系数，

z--板层距离中间层的垂直距离，

e--理论中性层偏移量，

t--厚板的厚度，

E--弹性模量；

步骤2：在拉伸区和压缩区分别取微元体进行受力平衡分析，并在极限状态下得到中性层偏移公式：

厚板弯曲的拉伸区的力学平衡关系式如下：

（2）

厚板弯曲的压缩区的力学平衡关系式如下：

（3）

σx--第一主应力，

σy--第二主应力；其中：

β--中间主应力影响系数；

ρ--中性层的曲率半径，

α——微分单元体的长度，

ρ_ya——微分单元体在压缩区的曲率半径，

ρ_la——微分单元体在拉伸区的曲率半径；

当中性层发生塑形变形时，拉伸区和压缩区的应力相等，即：

ρ_la=ρ_ya （4）

根据公式（2）、（3）（4）可推导出理论中性层偏移量的计算公式：

（5）

ρ--中性层的曲率半径，

ρ_min--最小弯曲曲率半径，

ρ_max--最大弯曲曲率半径。

实施例2

为了验证本发明，选用厚板材料为镍基合金为例。

厚板的基本参数为：厚板的宽度W=1000mm，厚板的长度L=2000mm，厚板的厚度t=60mm，杨氏模量E=205GPa，泊松比为0.3，密度为7.82 g/cm ³。上模曲率半径为150mm，下模曲率半径为150mm，下模跨距为770mm。上模和下模设置为刚体。其压下量设为30mm。

从模拟结果中的应变云图选取厚板中间两个单元体之间的结点，通过测量可以的得到：模型在压下量为30mm时拉伸区的弹性高度y ₁为2.10mm，压缩区的弹性高度y ₂为7.47mm，通过计算可以得到模拟中性层偏移量eˊ=4.79mm。

根据模拟结果可以得到板层距离中间层的垂直距离z为7.47mm，t=60mm，Q设为0.2，ρ=172.53mm，ρ _min =150mm，ρ _max =210mm，将其代入公式（5）中，可以得到理论中性层偏移量e=3.00mm。在模拟中的应变云图中相隔一个单元体选取两个单元体之间的结点，通过测量以及代入公式（5）中可以得到在厚板的厚度为60mm，压下量为30mm下的模拟中性层偏移数据和理论中性层偏移数据。通过计算模拟中性层偏移量与理论偏移量数据之间误差为1.62%。因此对于给定材料，工人只需测量弯曲半径、板厚即可利用本发明所述公式（5）轻松计算出中性层偏移量，方便工人实际操作。本发明提出的确定中性层偏移量的方法可以提高厚壁直缝焊管的成形精度，降低生产成本。

利用origin软件对所得到数据进行曲线拟合，采用多项式拟合，模拟的中性层偏移量的拟合函数为：

（6）

其中，R=0.97288（R为曲线相关系数）。

理论的中性层偏移量的拟合函数为：

（7）

其中，R=0.90515（R为曲线相关系数）。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种厚板弯曲成形过程中中性层偏移量的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用分层拉伸断裂实验，获得厚向强度线性分布曲线，根据厚板弯曲理论，建立应力-应变数学模型：

（1）

K--硬化系数，

n--硬化指数，

Q--反映厚向强度分布不均匀程度的系数，

z--板层距离中间层的垂直距离，

e--理论中性层偏移量，

t--厚板的厚度，

E--弹性模量；

步骤2：在拉伸区和压缩区分别取微元体进行受力平衡分析，并在极限状态下得到中性层偏移公式：

厚板弯曲的拉伸区的力学平衡关系式如下：

（2）

厚板弯曲的压缩区的力学平衡关系式如下：

（3）

σ _x --第一主应力，

σ _y --第二主应力；其中：

β--中间主应力影响系数；

ρ--中性层的曲率半径，

α——微分单元体的长度，

ρ _ya ——微分单元体在压缩区的曲率半径，

ρ _la ——微分单元体在拉伸区的曲率半径；

当中性层发生塑形变形时，拉伸区和压缩区的应力相等，即：

ρ _la= ρ _ya （4）

根据公式（2）、（3）（4）可推导出理论中性层偏移量的计算公式：

（5）

ρ--中性层的曲率半径，

ρ _min --最小弯曲曲率半径，

ρ _max --最大弯曲曲率半径。

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