树脂复合轻质夹层钢板弯曲成形性的数值模拟

0L:10133745ism1001-06x2000060E 第22卷第5期 北京科技大学学报 VoL22 No.5 2000年10月 Journal of Unlversity of Sclence and Technology Beljing 0ct.2000 树脂复合轻质夹层钢板弯曲 成形性的数值模拟 康永林” 王波” 李冠成) 1)北京科技大学材料科学与工程学院。北京1000832)江苏准海工学院，连云港222000 摘要利用ANSYS有限元软件模拟分析了树脂复合轻质板的弯曲成形性能.轻质板是夹层 板，弯曲过程中，外层钢板易产生相对错动量.因此对轻质板内部的应力应变状态进行分析，研 究模具参数和板料的复合结构以及中间层树脂的材料参数对错动量的影响，同时对弯曲后的 回弹和剪切应力的情况进行了分析. 关键词树脂，夹层钢板，弯曲：成形性：数值模拟 分类号TG386.4,TP391.9 文献标识码：A 树脂复合轻质夹层钢板（简称轻质板）是一 种新型复合材料，近年来，在日本等国得到开发 和应用.其特点是高比刚度，质量轻，消音性好 且成本较低.在现代汽车及建筑上得到应用，它 是一种较理想的结构用新型复合材料門.在轻质 板的加工成形应用方面，弯曲成形是其主要成 形方式，也是解决其成形应用的关键问题之一， 轻质钢板发生弯曲变形时除了具有回弹 外，还存在由于错动量的原因，变形后发生回弹 不完全而导致的“鸥翼”现象，轻质板不同于树 脂复合减振钢板，轻质板中间树脂相对于钢板 图1轻质板霄曲后试样外形图 较厚，而且中间树脂的变形量也非常大.针对 Flg.1 Outline of sample after bending for sandwich plate 轻质板这些成形问题，我们主要研究弯曲时两 层钢板的错动量c、反弯后的折曲角日和树脂内 部应力应变的分布和变化规律， 1轻质板弯曲错动量模拟分析 弯曲实验测量的是两层钢板的错动量，多 层壳单元在厚度方向只记录1个节点，无法满 足要求m.因此采用PLANE82 HYPER74/PL NE82单元组合，即钢板用PLANE82单元，中间 树脂用HYPER74单元，接触单元采用面面接 触，即TARGE169/CONTA172单元，模具采用刚 性体.图1是轻质板弯曲变形模拟结果. 图2轻质板试样在凸横膏角处放大图 Fig.2 Amplificatory of sandwich sample on gibbous die 199901-12收猜康水林男，45岁，教授，博士

DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．05．015

452· 北京科技大学学报 2000年第5期 凹模接触处刻线夹角都出现最低值，趋于零，即 内外层钢板变形较为一致，而凸凹模之间刻线 夹角较大，这是因为在凸凹处受模具摩擦力约 束的影响，而在凸凹模之间受模具由于约束变 形不均匀，导致内外层钢板变形不协调，因而产 生较大的波动.在20mm以外是试样的自由端， 约束消失，变形不均匀大大消除，所以刻线夹角 变化小而均匀.但由于树脂回弹的影响，产生反 弯现象，所以又出现新的波动，直到自由端部变 形才趋近一致. 田3轻质板试样在凸凹横之间的放大图 2轻质板弯曲成形“鸥翼”角分析 Fig 3 Amplificatory of sandwich sample between gibbous and coacave die 树脂回弹是折曲角产生的主要原因.而弯 曲成形时产生了树脂的剪切应力变形以及这种 剪切应力变形在端部内部消除，使树脂的剪切 变形在内外表层钢板长度方向存在线长差，这 种线长差由于在内部被消除，导致了端部向相 反方向弯曲是折曲角产生的直接的动力，图6 和图7是轻质板折曲角随弯曲角和载荷步的变 化规律. 6 ANGLEX 40 ANGLES 图4轻质板试样端部放大图 Fig.4 Amplifieatory of sandwich sample on end 轻质板分析试样尺寸(mm)为0.9/3.0/0.9，弯 曲半径为5mm.模拟后得到错动量及刻线夹角 0 40 100140180220 的分布图如图5所示， 搜荷步 图6W950909-300试样折曲角随艘荷步的变化 8 Flg.6 The change of flex angle with load step for wq-5- 09-09-300 错动量 2 七 ANGLEX 刻线夹角 4 1 2 0 LANGLES 0 0 0 2040 0 菱 80 20 距中心线距离mm 图5轻质板Wg-509-09-300试样辑动量及刺战央角分布 507090110130150170190 Flg.5 Distributions of relative slipping-off change and re- ticle angle for wq-5-09-09-300 弯曲角() 图7Wg-509-09-300试样折曲角随弯曲角的变化 从图中可以看出，错动量从开始逐渐增加， Flg.7 The change of flex angle with bend angle for wq- 在15.7mm处达到最大值3.593mm,而后又逐渐 50909300 减少，达到一定的值后保持不变，刻线夹角在凸

Vol.22 No.5 康永林等：树脂复合轻质夹层钢板弯曲成形性的数值模拟 ·453 由于中间树脂较厚，树脂的压应力导致树 在X方向上应力应变先是逐渐增大，在最 脂厚度的变化，根据弯曲内外侧测得的折曲角 大错动量处(15.7mm左右)达到最大值，然后逐 也不同，由图6和图7可知，折曲角随弯曲角和 渐减小趋于平稳.在树脂层的不同位置X向应 载荷步的变化基本上成直线变化(ANGLEX一 力应变的大小也不同，在凸模处弯曲内侧受凸 根据V形弯曲内侧钢板测得：ANGLES一根据 模摩擦力（摩擦力方向与X方向相同）的影响， V形弯曲外侧钢板测得)，由于在凹模接触处 弯曲内侧的树脂应力应变值大于弯曲外侧树脂 (弯曲外侧)受模具压力的影响，在压入模具一 的应力应变值.在最大错动量处达到最大值，并 定深度时，受凹模影响折曲角略有下降，而弯曲 且树脂层由弯曲内侧到弯曲外侧峰值出现的位 内侧受到凹模的影响非常小 置逐渐向后推移.在小于20mm附近（弯曲达到 一定的程度凹模圆角处己与试样分离，凹模内 3轻质板弯曲时树脂应力应变分析 侧与试样接触)由于受凹模摩擦力的影响，弯曲 从前面轻质钢板的错动量和折曲角分析中 外侧树脂的应力应变值大于弯曲内侧树脂的应 可以看出，轻质钢板由于树脂较厚，它的变化对 力应变值.在30-40mm左右以后，由于靠近自 分析的问题很重要.因此详细分析一下轻质钢 由端，产生反弯和回弹作用的影响，导致应力应 板中间树脂的应力应变变化规律.图8中NZZ 变在端部消除，所以应力应变趋近于O,并且弯 表示树脂中部，NZ1表示树脂中部偏弯曲内侧， 曲内、外侧的应力应变无明显差别， NZ2表示树脂中部偏弯曲外侧.从图8和图9 在Y方向上（图略），基本上是由压应力应变 中可以明显看出，在X向应力应变为负，属于压 变化到拉应力应变，达到最大值后由逐渐减小， 缩应力和负应变：而在Y方向上开始受压应力 趋于平稳.但是Y方向上的应力应变分布比X 和压应变，而后变成拉应力和拉应变， 方向的应力应变分布复杂.在中心线到5mm(弯 曲半径)处弯曲内侧直接同模具接触，受Y方向 距中心线距离mm 的压应力影响，弯曲内侧树脂的压应力大于弯 0 20 40 60 80 曲外侧树脂的压应力，由于试样受凸模在Y方 0 向的压力分布不同，偏离中心线逐渐减小，所以 -0.10 应力应变逐渐减小并趋于一致.在10mm左右 -NZITOX -0.20 一NZZTOX 处应力应变由压到拉的改变有可能导致此处的 -0.30 NZ2TOX 两层钢板开裂.在20mm左右（此处凹模已与试 样分离)由于脱离凹模的接触，加上树脂回弹反 -0.40 弯的影响使得弯曲外侧应力应变大于弯曲内侧 -0.50 的应力应变值. 图8轻质板树脂内部X向应变分布 由图10和图11可以看出，剪切应力应变的 Fig.8 Distribution of X-stain in resin of sandwich plate 变化规律较简单，整体上在凸凹模之间由于摩 擦约束等作用，应力应变逐渐增加，到约束消失 距中心线距离/mm 距中心距离mm 0 20 0 60 80 20 40 60 80 -4 -NZISX -0.4 8 -NZZSX XZ2SX -NZIEPTOXY -12 -0.8 -NZZEPTOXY NZ2EPTOXY -16 -1.2 -18 -1.6 图9轻质板树脂内部X向应力分布 图10轻质板树脂内部剪切应变分布 Fig.9 Distribution of X-stress in resin of sandwich plate Fig.10 Distribution of shear-strain in resin of sandwich plate

一 康永林等 树脂 复合 轻 质夹层 钢 板弯 曲成 形性 的数值模拟 由于 中间树脂较 厚 ， 树 脂 的压 应 力导致树 脂 厚 度 的变化 ， 根据 弯 曲 内外 侧 测 得 的折 曲角 也 不 同 由 图 和 图 可 知 ， 折 曲角 随 弯 曲角和 载 荷步 的变化基 本上 成直线 变化 一 根据 形 弯 曲 内侧 钢 板测 得 一根据 形 弯 曲外侧钢 板测 得 由于 在 凹 模接 触 处 弯 曲外 侧 受模具 压 力 的影 响 ， 在压 入模 具 一 定深 度 时 ， 受 凹 模影 响折 曲角 略有下 降 ， 而 弯 曲 内侧 受 到 凹 模 的影 响非 常 小 轻质板弯 曲时树脂应 力应变分析 从 前面 轻质钢 板 的错动量和 折 曲角 分析 中 可 以看 出 ， 轻质钢 板 由于 树脂较厚 ， 它 的变 化对 分 析 的 问题很重 要 因 此详 细 分 析 一 下 轻 质钢 板 中间树脂 的应 力应变变化规 律 图 中 表示树脂 中部 ， 表示 树脂 中部偏 弯 曲 内侧 ， 表 示树脂 中部 偏 弯 曲外侧 从 图 和 图 中可 以 明显 看 出 ， 在 向应力应 变 为 负 ， 属 于 压 缩应 力 和 负应变 而 在 方 向上 开 始受压 应 力 和 压应变 ， 而 后 变成 拉应 力 和 拉应变 距 中心线距离 一 嗯 一 一 － 一 一 一 图 轻质板树脂内部 向应变分布 · 心 在 方 向上 应力 应变先 是逐渐增大 ， 在最 大 错 动量处 。 们。 左右 达到最大值 ， 然 后 逐 渐减 小趋于 平 稳 在 树脂层 的 不 同位 置 向应 力应 变 的大 小 也 不 同 ， 在 凸模 处 弯 曲 内侧 受 凸 模 摩擦力 摩擦力方 向与 方 向相 同 的 影 响 ， 弯 曲内侧 的树脂应 力应变值大于 弯 曲外 侧树脂 的应力应变值 在最 大错动 量处达到最大值 ， 并 且树脂层 由弯 曲内侧 到 弯 曲外侧峰值 出现 的位 置 逐渐 向后 推移 在 小于 附近 弯 曲达 到 一 定 的程度 凹 模 圆 角处 己 与试样 分离 ， 凹 模 内 侧 与试样接触 由于 受 凹 模摩擦力 的影 响 ， 弯 曲 外侧树脂 的应 力 应 变值大于弯 曲 内侧树脂 的应 力 应变值 在 礴 左 右 以后 ， 由于 靠近 自 由端 ， 产 生 反 弯和 回弹作用 的影 响 ， 导 致应力应 变在端部 消 除 ， 所 以应 力应 变趋近于 ， 并且弯 曲 内 、 外 侧 的应 力应变 无 明显 差 别 在 方 向上 图略 ， 基本上 是 由压应 力应变 变化到拉应力应变 ， 达到最 大值后 由逐渐减小 ， 趋于平稳 但 是 方 向上 的应力 应 变分布 比 方 向的应 力应变分布复杂 在 中心 线到 弯 曲半径 处弯 曲内侧直接 同模具 接触 ， 受 方 向 的压应 力影 响 ， 弯 曲 内侧树 脂 的压应 力大 于弯 曲外 侧 树脂 的压应 力 由于试样 受 凸模在 方 向的压力 分布不 同 ， 偏 离 中心线逐渐减小 ， 所 以 应 力应变逐渐 减 小并趋 于 一 致 在 左 右 处应力应变 由压到拉 的改变有可 能导致此处 的 两 层 钢 板 开 裂 在 左右 此处 凹 模 已 与试 样 分 离 由于 脱离 凹 模 的接触 ， 加上树脂 回弹反 弯 的影 响使得弯 曲外侧应力应变大于弯 曲内侧 的应 力应变值 由图 和 图 可 以看 出 ， 剪切 应力 应变 的 变化规律较简 单 整体上 在 凸 凹 模之 间 由于摩 擦约束等作用 ， 应力应变逐渐增加 ， 到约 束 消 失 距 中心线距离 距中心距离加 － 一 芝 一 一 － － 一 一 ，‘︸ 一 芝心 图 轻质板树脂内部 向应 力分布 论 初 图 轻质板树脂内部剪切应变分布 论 ·

·454 北京科技大学学报 2000年第5期 距中心距离mm 0 20 40 60 80 -NZISXY -NZZSXY ·NZ2SXY 图11轻质板制鰧内部剪切应力分布 Fig.11 Distribution of shear-stress in reain of aandwich plate 图13轻质板剪切应变（节点值） 后，应力应变又逐渐减小，最后由于回弹反弯作 Flg.13 Shear-straln of sandwlch plate(node) 用应力应变趋于平稳.在10mm以前，由于凸模 的影响，弯曲内侧的应力应变大于弯曲外侧的 应力应变.在10mm以后，由于凹模的影响，弯 曲外侧的应力应变大于弯曲内侧的应力应变， 在300mm以后，由于树脂回弹反弯作用的影 响，应力应变在端部消除，所以应力应变趋近于 平稳，并且弯曲内、外侧的应力应变无明显差 别. 由上面的分析可见模具摩擦力的作用不仅 影响板长方向的应力应变，进而导致错动量的 分布不同，而且影响板厚方向的应力应变分布， 这种板厚方向应力应变的分布、变化和板长方 图14轻质版等效应变（节点值） 向应力应变的分布、变化可能导致树脂复合板 Fig.14 Eglvalent straln of sandwich plate(node) 在弯曲中心与自由端的中间位置左右产生开 裂.所以在树脂复合板应用中，充分考虑合理的 4 结束语 模具及其摩擦的影响，以防产生废品， 应用ANSYS有限元软件，模拟分析了树脂 前面分析了轻质板树脂内部应力应变的变 复合轻质夹层钢板的弯曲成形过程中错动量的 化规律，这是导致板材变形、错动量折曲角的直 分布、“鸥翼角”的成因与变化规律，并对应力、 接原因.图12~l4是通过ANSYS软件后处理提 应变和位移沿板截面的分布进行了分析，这些 取各种变形结果图， 结果对轻质夹层钢板的研究开发及实际成形加 工技术分析提供了参考.虽然这一工作在国内 还是初次进行的，但也表明采用数值模拟方法 通过合理处理成形条件可以获得树脂复合钢板 成形过程中的大量力学信息用以指导理论和实 际， 致谢： 感谢美团ANSYS公司北京办事处对本课题组在软 件上的支持和帮助。 0 参考文献 图12轻质板X方向位移量（节点值） 】康水林.现代汽车板的质量控制与成形性。北京：冶 Fig.12 X-Displacement of sandwich plate(node)

Vol22 No.5 康永林等：树脂复合轻质夹层钢板弯曲成形性的数值模拟 ·455· 金工业出版社，1999 5伊藤耿一，远藤弘，等.制振钢板)工7树脂)饣九 2小川秀夫.曲y加工FEM之ミ工L一之ョ之之天于 断变特性”同定一树脂复合型制振钢板”成形性 4.塑性上加工，1996,37(421)：183 1.塑性七加工，1993,34(386)：259 3吉田总仁.积层复合板”弹塑性变形”力学.塑性 6曹江涛.树脂复合减振钢板成形性能及方法的研究： 七加工，1991,32(360)：20 [学位论文].北京：北京科技大学，1998 4桥本浩二，江屿瑞男，潼田道夫，等.树脂复合锅板 7王波被，树脂复合钢板成形实验及计算机模拟：[学位 功材料设计~”有限要素法之ミ工儿一之▣之”应 论文].北京：北京科技大学，2000 用.铁钢，1989,75：1673 FEM Simulation on Bending Formability of Resin Composite Lightweight Steel Sheets KANG Yonglin, WANG Bo,LI Guancheng? 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Huaihai Institute Lianyungang 222000,China ABSTRACT The ANSYS simulation software has been used to analyze the bending formability ofresin com- posite lightweight steel sheet.Because the lightweight steel sheet is composite,the outside steel sheet produces relative slipping-off change during the bending.So the inner stress-strain situation,the effect of material para- meters and tool parameters,composite structure and intermediate-layer resin of lightweight sheet on slipping- off change have been analyzed.At the same time,the spring-back and searing stress situation after bending have been discussed also. KEY WORDS resin;laminate steel sheet;bending;formability;numerical simulation

匕 一 康永林等 树脂 复合轻 质夹层钢 板弯 曲成形 性 的数值模拟 金 工 业 出版社 ， 小 川秀 夫 曲 才 加 工 夕 之 二 一 夕 日 夕 夕 久 于 八 塑 性 七 加 工 ， ， 吉 田 总 仁 积层 复合板 。 弹 塑性变形 。 力 学 塑 性 己 加 工 ， ， 桥本浩二 ， 江屿瑞 男 ， 撞 田 道夫 ， 等 树脂 复合钢 板 。 材料 设计 、 。 有 限要 素法 夕 定 二 ‘ 一 夕 ， 夕 。 应 用 铁 七 钢 ， ， 伊藤耿 一 ， 远藤弘 ， 等 制振钢板 。 ， ， 树脂 。 牛 凡 断变特性 。 同定－ 树脂 复合 型制振钢 板 。 成形性 塑 性 己 加 工 ， ， 曹 江涛 树脂 复合减振钢 板成形性 能及 方法 的研究 学位论文 北 京 北 京科技大学 ， 王波 树脂 复合钢 板成形 实验及计算机模拟 学位 论 文 北京 北 京科技大学 ， 犬讨万 喇 ， 环月 ， 心 ， ， ， ， ， 一 一 坦 ， ， 奴甘 一 。 让 ， 七 场朋