船舶軋制型材構(gòu)件冷彎成形中皺曲的預(yù)測和控制研究項目摘要

皺曲是角鋼、球扁鋼等軋制型材冷彎加工中決定成形極限的主要缺陷之一，輕則出現(xiàn)廢品，重則損壞模具，影響生產(chǎn)。長期以來，防止型材起皺主要依靠實踐經(jīng)驗，究其原因是無法有效預(yù)測臨界失穩(wěn)點。本項目基于彈塑性理論，應(yīng)用能量法分析臨界皺曲狀態(tài)，從理論上建立臨界點預(yù)報模型；以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立影響皺曲的多參數(shù)耦合模型，揭示軋制型材基本成形性和模擬成形性之間的相關(guān)性；采用非線性有限元方法建立皺曲數(shù)值模擬模型，研究各種參數(shù)對金屬塑性流動的影響規(guī)律。融合上述研究工作，闡明軋制型材構(gòu)件成形過程中皺曲產(chǎn)生和發(fā)展的機理，掌握材料性能、截面形狀和成形工藝等對皺曲的影響規(guī)律，闡明抑皺力的作用原理，建立失穩(wěn)起皺的臨界幾何判據(jù)，實現(xiàn)皺曲準確預(yù)報和有效控制，為完善相關(guān)船舶規(guī)范、優(yōu)化設(shè)計和工藝提供科學(xué)依據(jù)。

皺曲是角鋼、球扁鋼等軋制型材冷彎加工中決定成形極限的主要缺陷之一，輕則出現(xiàn)廢品，重則損壞模具，影響生產(chǎn)。長期以來，防止型材起皺主要依靠實踐經(jīng)驗，究其原因是無法對失穩(wěn)進行有效預(yù)測。本項目采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的方法，對型材冷彎成型過程中影響皺曲發(fā)生的若干關(guān)鍵問題進行了深入的研究，獲得了一些重要結(jié)論。本項目的研究工作和結(jié)論主要如下： （1）研究了船舶型材冷彎成形中的塑性成形區(qū)間與失穩(wěn)起皺等問題 根據(jù)彈塑性理論，項目推導(dǎo)出T型材塑性變形區(qū)的理論解析式，采用塑性有限元方法對T型材冷彎成形過程進行數(shù)值模擬，掌握T型材冷彎成型過程中影響塑性變形區(qū)的主要因素和影響規(guī)律。 采用彈塑性理論，推導(dǎo)了扁鋼及T型材臨界失穩(wěn)半徑計算公式，采用塑性有限元方法對T型材、角鋼、球扁鋼三種型材的冷彎成形過程進行數(shù)值模擬。根據(jù)計算結(jié)果，分析材料截面參數(shù)和彎曲加工工藝參數(shù)對失穩(wěn)的影響，獲得了一些規(guī)律性的認識。 （2）基于試驗，研究了船舶型材冷彎加工中成形線型特征問題 型材成形線型曲率半徑R是線型的主要特征。項目采用正交設(shè)計法設(shè)計試驗方案；采用Loess平滑方法消除試驗數(shù)據(jù)的噪音，作為研究分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；對局部成形線型進行分析，研究成形段的線型特征；探討加工工藝參數(shù)及型材特征對成形線型的影響規(guī)律。 結(jié)論顯示，預(yù)報彎曲成型的線型半徑R，可對冷彎成形過程進行更準確地控制，獲得更為理想的成形線型；同時可在加工前對零件進行評估，判斷其是否具有可加工性。 （3）研究了開孔型材構(gòu)件彎曲過程中的起皺、斷裂問題 開孔型材構(gòu)件在彎曲過程中，避免在開孔窄邊處發(fā)生起皺、斷裂等破壞是生產(chǎn)中期待解決的一個關(guān)鍵問題。 項目采用ANSYS/LS-DYNA軟件對預(yù)開孔角鋼冷彎過程進行數(shù)值模擬，分析角鋼在冷彎過程中的變形特點。 分析船廠加工型材的特點，本文提出了一種在開孔處增加塞塊的彎曲加工工藝方法，進行了試驗驗證。該方法為加工生產(chǎn)提供了一種可行的解決方案。 綜上，本項目的研究工作，闡明了軋制型材構(gòu)件成形過程中皺曲產(chǎn)生和發(fā)展的機理，掌握材料性能、截面形狀和成形工藝等對皺曲的影響規(guī)律，為實現(xiàn)皺曲準確預(yù)報和有效控制、完善相關(guān)船舶規(guī)范、優(yōu)化設(shè)計和工藝提供了科學(xué)的依據(jù)。 2100433B

薄壁截面特性使冷成型鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)力學(xué)行為更加復(fù)雜，開口截面冷彎薄壁型鋼構(gòu)件更容易發(fā)生局部、整體和畸變屈曲。局部和畸變都具有屈曲后強度，在一定條件下會與其他屈曲模式相關(guān)，且相關(guān)屈曲的極限承載力較低。國內(nèi)外學(xué)者對于畸變屈曲方面的研究還沒有形成統(tǒng)一的認識，特別是畸變與整體相關(guān)屈曲的研究未系統(tǒng)開展。本項目對冷彎薄壁型鋼受壓構(gòu)件畸變與整體相關(guān)屈曲性能進行研究，對其失穩(wěn)力學(xué)機理、破壞模式、極限承載力進行研究。建立了畸變與整體相關(guān)屈曲模式的理論分析模型；提出了識別畸變屈曲、整體屈曲、畸變與整體相關(guān)屈曲的判定準則，給出了相應(yīng)的臨界條件；提出了畸變與整體相關(guān)屈曲的設(shè)計理論和簡化計算方法。 （1）通過有限元精細化分析模型對冷彎薄壁C型鋼軸壓構(gòu)件進行了相關(guān)屈曲模式及其發(fā)生的力學(xué)機理、變形特征；研究了截面幾何參數(shù)對畸變與整體相關(guān)屈曲行為的影響；提出了畸變與整體相關(guān)屈曲的理論分析模型。 （2）對不同截面尺寸的68個冷彎薄壁型鋼構(gòu)件（包括腹板開洞情況）進行極限承載力試驗研究。研究了構(gòu)件畸變屈曲后與整體屈曲相互作用的承載力性能；研究了構(gòu)件畸變與整體相關(guān)屈曲的變形模式、截面幾何參數(shù)對畸變與整體相關(guān)屈曲行為的影響，畸變屈曲后與整體屈曲相互作用的極限承載力。 （3）研究畸變與整體相關(guān)屈曲構(gòu)件的設(shè)計理論與設(shè)計方法。對當(dāng)前國際上流行的直接強度法（DSM）畸變與整體相關(guān)屈曲計算公式，通過收集實驗數(shù)據(jù)庫進行了研究，提出了相應(yīng)的設(shè)計理論和計算方法，并給出了判定準則。 2100433B

薄壁截面特性使冷成型鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)力學(xué)行為更加復(fù)雜，開口截面冷彎薄壁型鋼構(gòu)件更容易發(fā)生局部、整體和畸變屈曲。局部和畸變都具有屈曲后強度，在一定條件下會與其他屈曲模式相關(guān)，且相關(guān)屈曲的極限承載力較低。由于畸變屈曲行為的復(fù)雜性，國內(nèi)外學(xué)者對于畸變屈曲方面的研究還沒有形成統(tǒng)一的認識。目前的研究主要集中于畸變屈曲，而對畸變相關(guān)屈曲的研究仍不深入系統(tǒng)，特別是畸變與整體相關(guān)屈曲的研究還未系統(tǒng)開展。本項目將對冷彎薄壁型鋼受壓構(gòu)件畸變與整體相關(guān)屈曲進行系統(tǒng)深入的研究。采用試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對其失穩(wěn)力學(xué)機理、破壞模式、極限承載力進行研究。建立畸變與整體彎曲、扭轉(zhuǎn)、彎扭相關(guān)屈曲模式的理論分析模型，明確其力學(xué)機理和變形特征；提出能識別畸變屈曲、整體屈曲、畸變與整體相關(guān)屈曲的判定準則，給出相應(yīng)的臨界條件；提出畸變與整體相關(guān)屈曲的設(shè)計理論和簡化計算方法。