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摘 要： 在一個輥彎成型項目研究中，運用有限元軟件MARC對先進高強度鋼DP800輥彎成型過程進行仿真，通過生產(chǎn)實踐中的應用驗證了仿真模型的正確性。建立了圓角輥彎模型，將DP800和Q235用于該模型進行分析，結(jié)果表明：隨著成型角度的增大，與Q235相比, DP800的回彈增量及輥彎變形能增量均有增加的趨勢。將仿真與biswas公式計算所得回彈進行比較，發(fā)現(xiàn)BISWAS回彈公式不能直接應用于DP鋼的輥彎回彈計算，而應在公式中采用隨彎曲角增加而增大的屈服應力。 
關(guān)鍵詞：先進高強度鋼 輥彎成型 FEA回彈變形能 BISWAS公式 

1 引言 

先進高強度鋼（AHSS：Advanced High Strength Steel）具有優(yōu)良的材料性能[1,2]。國際鋼鐵協(xié)會的報告對AHSS從概念到性能及應用的各個方面做了詳盡的介紹[3]。由于迎合了歐洲超輕鋼車身先進車輛概念（ULSAB-AVC： The Ultralight steel Auto Body-Advanced Vehicle Concepts ）的安全、節(jié)能、經(jīng)濟的先進理念，AHSS在汽車工業(yè)中得到了日益廣泛的應用[4]。 

在汽車結(jié)構(gòu)件的加工工藝中，輥彎成型（Rollforming）方法生產(chǎn)率高，在某些部件得成型中具有其它工藝不可替代的優(yōu)勢。研究AHSS的輥彎成型工藝，成為先進高強度鋼應用中的一個重要課題。 

2 AHSS及雙相鋼簡介 

AHSS的概念是基于高強度鋼（HSS：high strength steel）提出來的，而鋼材的力學性能主要在其塑性和強度，AHSS的研究也基于HSS朝這兩個方向發(fā)展。一個方向是強度基本不變，提高優(yōu)化其塑性性能；而另一個方向則是塑性基本不變而提高其強度。塑性提高的鋼種有雙相鋼(DP:double phase)，相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP)；強度提高的鋼種有復相鋼(CP)，馬氏體鋼(Mart)[3]。 

本文研究用先進高強度鋼為DP。DP由鐵素體（Ferrite）基體和以孤島形式分布的堅硬的第二相—馬氏體（Martensite）組成。材料強度通常隨馬氏體含量的增加而增加。圖1為DP金相示意圖[3]，圖2為本文研究用DP800金相圖。

DP的力學性能可以從金相圖來解釋，軟相鐵素體通常是連續(xù)的，賦予雙相鋼良好的延展性。當變形集中于低強度相—鐵素體時，硬相馬氏體賦予雙相鋼獨特的高應變硬化速率。高的應變硬化速率和良好的延展性使得雙相鋼的抗拉強度大于普通鋼材（如高強度低合金鋼HSLA： High－strength ,low－alloy）。

圖3給出了同一屈服強度的HSLA與DP準靜態(tài)的應力應變特性曲線對比[3]。與HSLA相比，DP顯示出高的初始應變硬化速率，高的抗拉極限，低的屈強比。特別需要指出的是，DP力學曲線顯示 其不存在屈服點延伸。

圖4表示DP用于ULSAB-AVC的結(jié)構(gòu)件的比例 [4]，進一步說明了研究DP輥彎工藝的重要性。

圖3 HSLA與DP應力應變曲線對比 圖4 用于ULSAB-AVC的鋼種(按重量劃分)

3 項目仿真研究

3.1 項目簡介

該項目來源于轎車加強梁的輥彎成型生產(chǎn)線設(shè)計研發(fā)項目。圖5是該項目產(chǎn)品斷面圖。

表1所示為該項目研究所用DP材料參數(shù)[5]。

3.2 項目仿真分析模型的建立

根據(jù)有限元理論建立假設(shè)條件[6,7]：采用理想化軋機，理想化的安裝及調(diào)試狀態(tài)；假設(shè)軋輥為剛體并不計軋輥與板料間的摩擦；假設(shè)板材各向同性；截取一個長度段的板料代替成型過程的整卷板料進行模擬。按照以上的假設(shè)，根據(jù)運動關(guān)系的力學等效，采用1/4軋輥依次滑過板料進行成型分析。

單元選用：本項目板料厚度1.5mm，相對于板料寬度142mm及所模擬板料長度400mm，尺寸較小，根據(jù)殼體理論簡化為殼。通過對Marc的單元進行分析，考慮輥彎工藝特性，選擇75號殼單元[8]。75號殼單元為雙線性、四節(jié)點殼單元，每個節(jié)點具有6個自由度，考慮橫向剪切效果。

材料模型： 根據(jù)材料的塑性參數(shù)用冪函數(shù)擬合。

工況設(shè)置： 根據(jù)軋輥與板料接觸特點，每道次設(shè)置一個工況。

分析選項設(shè)置： 采用帶應變修正的NR方法和完全應力修正法[9]。

邊界條件設(shè)置：端部縱向固定，在變形初期建立尾部夾持約束。

3.3 項目仿真結(jié)果對比及最終產(chǎn)品

該項目的完成共進行了兩次設(shè)計，兩次仿真分析。第一次設(shè)計的軋輥經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)在第九道次出現(xiàn)比較大的邊波，如圖6所示。分析認為低估了AHSS的回彈,經(jīng)修改軋輥設(shè)計，再次仿真，結(jié)果較好，如圖7所示。

將第二次設(shè)計方案用于實際生產(chǎn)，產(chǎn)品比較理想，見圖8。

4 利用項目仿真模型分析DP輥彎工藝

輥彎工藝設(shè)計根據(jù)現(xiàn)有的理論結(jié)合長期的實踐經(jīng)驗而進行，DP做為一種新型材料，有必要深入研究其輥彎參數(shù)。

4.1分析模型的建立

圓角成型是典型的輥彎成型工藝。因此，將其從仿真模型中分離出來進行分析，對其特性進行研究，得到的結(jié)論對于一般輥彎工藝具有指導意義。選取在成型過程中的一個圓角，根據(jù)孔型施加邊界條件。分析材料在該圓角前七個道次的成型，其成型輥花見圖9。

Q235是輥彎成型常用材料，為了給輥彎設(shè)計提供有效參考，將DP800與Q235用于上述圓角成型輥彎模型進行對比分析。

4.2 輥彎回彈對比分析

對板料在孔型中的角度和回彈后的角度進行比較，可得出輥彎回彈值。由仿真結(jié)果計算得到兩種材料輥彎回彈值，見圖10。比較DP800與Q235的輥彎回彈值，可以得出DP800相對于Q235的回彈增量，見圖11。

4.3 輥彎變形能對比分析

在每個道次的不變形區(qū)，提取板材的總變形能數(shù)據(jù)，將兩種材料仿真結(jié)果的變形能進行對比，分析DP800所需總變形能相對于Q235所需總變形能的增量百分比。比較結(jié)果列于表2。

表2 DP800與Q235變形能比較

5 回彈仿真結(jié)果與BISWAS回彈公式計算結(jié)果的比較

為了使仿真研究更有效的指導實踐，將回彈仿真結(jié)果與輥彎設(shè)計中常用的BISWAS回彈公式的計算結(jié)果進行比較。

5.1 BISWAS回彈計算公式[10]

其中，，ri1為要彎曲半徑（mm），ri2為回彈后半徑（mm），rf為屈服曲率（mm）， E為楊氏模量（MPa），t為板料厚度（mm），S為材料屈服應力（MPa）。

5.2 BISWAS公式計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比

由ri2 和輥彎段弧長計算得到回彈后角度，與仿真分析結(jié)果進行對比，如圖12～13。

圖12 DP800輥彎回彈BISWAS計算值與仿真之差

5.3 對屈服應力S進行修正，應用于BISWAS公式，計算DP輥彎回彈

隨成型角度增大，板料塑性應變增加，輥彎成型初始屈服應力也增加。由圖12可知，BISWAS公式計算DP回彈時有較大偏差，因此，考慮采用隨彎曲角增加而增大的屈服應力（圖14）代入BISWAS公式計算DP回彈，計算結(jié)果如圖15所示。

6 結(jié) 論

1 建立輥彎仿真模型，通過仿真結(jié)果在生產(chǎn)實踐中的應用，驗證了該仿真模型的正確性。

2由仿真模型建立圓角輥彎模型并進行工藝分析，研究結(jié)果表明：與Q235相比，隨著成型角度的增加， DP800的回彈增量及輥彎變形能增量均有顯著增加。每道次成型量為12°左右時，DP800與Q235相比，回彈增量的均值為3°，變形能增量百分比的均值為46％。

3 將輥彎回彈分析結(jié)果與BISWAS回彈公式計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)biswas公式不能簡單地應用于DP輥彎回彈計算，而應考慮屈服應力隨彎曲角度增加而增大的特性，尋求新的計算方法。

參 考 文 獻
1 Kenichi Watanabe; Yoshinobu Omiya; Jody Shaw; Soichirou Saitou . Material charac

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