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矩形高强钢球壳板成形机理及性能研究

发布时间:2022-03-16 17:07:32来源:乾润钢球

摘 要:通过矩形板力学分析模型的研究,对高强钢球壳板塑性成形过程中板料受力和变形进行分析。进行应力分析与应变分析、温度和应变速率对高强钢材料成形性能的影响研究以及应力—应变关系的全量理论解释与基本方程建立,主要讨论板壳成形过程中的结构性问题,探讨板料塑性变形、板内膜力对应力状态和变形状态的作用。板料成形过程符合金属等向强化流动理论,并遵循球—锥连接变形模式。

关键词:塑性变形;膜力;变形模式;挠度;应变速率

球壳板是球形储罐的一部分,是矩形板料在一对球形曲模中逐点冲压而成的。板料成形常常是一个小应变、大变形的问题,因而需要跟踪板料几何形状变化的历史来分析。多年以来,对板壳成形过程的研究一直受到广泛的重视,因为板壳在工程结构中的应用非常广泛,尤其是各种回转体构件,本文所述高强钢球形壳板即为其一,工件实际尺寸为:矩形钢板料厚度h=34mm,长度7800mm,宽度2500mm,成形后为半径R球 =7850mm的球面。通过对矩形板料双向弯曲受力和变形进行分析,通过实际工件成形实验分析,为具体评估材料的可弯曲性、计算成形所需的力、设计模具、预报弯曲或冲压后的回弹以提高产品的尺寸精度、确定成形后工件内的残余应力、防止在成形过程中产生裂纹和缺陷以及预报和控制翘曲的产生提供理论分析依据,大幅度提高产品质量和生产效率,并满足容器制造业提高标准后的技术需求。

1 应力分析与应变分析

1.1应力分布矩形板料在一对球形曲模上逐点冲压形成球壳过程中,由于板料面积大,而曲模面积小,曲模形状又为圆形,因此,每冲压一个点,就相当于一个直径与曲模直径相同的圆形钢板弯曲,其弯曲的基本方程与圆形钢板弯曲的基本方程相同(此时,忽略压点以外的钢板对压点部分的影响)。1.2平衡方程1.3几何方程-应变位移关系在球壳冲压成形过程中,在大挠度时仍具有很好的精度。 1.4本构方程对板材大挠度、大转动、小应变且为非循环加载的情况,与密席斯屈服条件相关联的等向强化流动理论可以较好地描述金属材料的变形特性。

2 高强钢材料变形模式及成形性能的影响因素

2.1变形模式矩形钢板在球形模具中冲压时压点内板的变形模式,冲模与板的接触区随着冲压的进展是从中心向外逐渐扩展的,本文所讨论的板压点半径与板厚度比a/h较大,板的中部同冲模端部之间的分离是不存在的或可忽略的。由此我们提出球-锥连接的变形模型。如图所示,变形后的板中部为一块球面,其半径与冲模表面相匹配,也就是说,这一部分圆板完全由冲模的表面形状所决定;同时假定,变形后的板的外部(中部以外的环形区)将为一个截头圆锥面,它同中部的球面光滑地连接在一起。 2.2温度和应变速率对高强钢材料成形性能的影响首先,看温度的影响。与一般情况相同,随着温度的升高,高强钢材料的屈服极限降低,强化趋势减弱,这是因为钢材在高温下发生回复和再结晶,从而使变形过程中产生的强化效应消除。高强钢存在一个转变温度,这个温度值为450℃~500℃,;在此温度以上,材料表现出较大塑性;在此温度以下,材料表现出较大脆性性质。其次,我们看应变速率对高强钢材料成形性能的影响。应变速率对材料性能影响比较复杂,一般随着应变速率的增高,会引起材料强化。但是进一步增高应变速率,在塑性变形过程中产生的热量又会使强化效应有所下降。因此,在塑性变形加工过程中,应保持一定的应变速率。

3 应力—应变关系的全量理论解释与基本方程

矩形高强钢板弹塑性变形的全量理论是广义胡克定律在弹塑性范围中的推广,由此可建立弹塑性问题的基本方程。建立基本方程:1、 平衡方程2、 几何方程(应变—位移关系)3、 物理方程(应力—应变关系)这里提出的是一般性的弹塑性问题,由于包含了非线性的物理方程,实际求解是很困难的,因此,通常在求解具体问题时作一定的简化,例如采用不计弹性变形的刚塑性材料模型,不考虑强化效应,采用简单的屈雷斯加屈服条件或密席斯屈服条件等等。

4 结束语

本文讨论的矩形钢板冲压成形过程中板料的受力和变形分析,目的就是为了在板料成形过程中据此有针对性地采取各种工艺措施,提高可成形性。目前,关于板料成形的工艺问题大多只能依靠经验或实验来解决。事实上,对其中相当一部分有可能遵循本文的分析方法和思路作深入细致的力学分析,这将有助于工艺方案的选择和工艺参数的优化。而且,在板料成形和结构弯曲大变形中,也可据此进行有效的预报回弹和翘曲分析,提高产品的尺寸精度,确保产品质量。本文所述高强钢板料为CF62系列钢材,其可塑性虽不如容器钢好,但其焊接抗裂纹性能非常好。目前,在许多大型容器设计中采用高强钢材质,以增强其整体强度、减少钢材厚度和使用量、降低生产成本。