谈谈对汽车辊弯型钢成型进行仿真的必要性

赵生莲

摘 要： 本文从冷弯型钢的应用现状，辊弯成型的特点等方面，阐述了对汽车辊弯型钢成型进行仿真的必要性。

关键词： 冷弯型钢 辊弯成型 仿真

1.引言

绝大部分金属材料都必须经过材料成型加工才具有实际使用价值，材料成形加工科学与技术既是制造业的重要组成部分，又是材料科学与工程的四要素之一。因此，材料成型加工理论和技术的研究对国民经济发展及国防力量增强均有重要作用。

未来的制造企业将由人、管理及技术三要素组成，而以人为本，以技术创新为依托，将是未来制造业的发展方向。随着社会发展与进步，制造业的发展将走向大批量、高质量、低成本、快速成型、柔性生产的集约化制造系统。新一代制造工艺及装备、建模与仿真和快速成型工艺系统与产品的开发将成为21世纪三项关键先进制造技术，轻量化、精确化、高效化将是新一代材料成形加工技术的重要研究领域，材料成形制造将向更轻、更薄、更精、更强、更韧、成本低、周期短、质量高的方向发展。

材料成形加工过程的计算机建模与仿真是先进制造技术的重要组成部分，已在铸造及塑性成形加工等领域得到广泛应用。现代制造产品及加工工艺开发系统以设计及成形加工过程的建模与仿真为核心内容，在产品零部件设计过程中，对产品成形制造过程的工艺技术进行模拟仿真，以最新技术和最低成本预测产品制造过程中可能出现的工艺技术问题。

随着科学技术的发展及资源的日趋短缺，人们对产品的要求不仅仅停留在实现某些特定功能和达到一定安全性能上，而是希望在满足这两方面的前提下尽量节约资源、降低损耗，达到更高的生产效率和原材料利用率。

2.冷弯型钢的应用现状

冷弯型钢是一种用途极广的经济断面钢材，具有重量轻、成本低、工艺性能好等优点，拥有广阔的应用领域，已成为大批量生产最常用的板带金属加工之一。冷弯型钢作为一种经济的轻型薄壁钢材，具有重量轻、强度高、工厂化制作程度高、投资少、施工周期短、抗震性能好、环境污染少和可回收利用等诸多优点[1]，被广泛应用于汽车、航空、建筑等行业。

建筑业是冷弯型钢的第一大用户[2，3，4]，钢结构住宅在欧洲、北美、日本等地早已规模化、产业化，钢结构住宅的用钢量占到建筑用钢总量的30%以上，建筑面积占总量的40%。瑞典是当今世界最大的钢结构生产国与出口国，欧洲各国都到瑞典定制住宅轻钢预制件。美国最早采用钢框架结构建住宅，1996年已拥有20万幢钢框架小型住宅，约占住宅建筑总数的20%。日本的钢结构建筑数量最多，其冷弯型钢的一半以上用于建筑业，如冶金、汽车制造业的厂房。在澳大利亚，2000年钢框架住宅占全部住宅数量的50%。

近年来，随着我国经济建设的快速发展和人们对冷弯型钢的认识及相关建筑规范的完善，冷弯型钢在我国房屋结构特别是建筑工程钢结构中的用量越来越多。上海同济大学已经出现全冷弯型钢钢结构的住宅建筑样板房，在昆明也已经出现冷弯型钢结构的别墅小区。2001年我国冷弯型钢产量约为150万吨，占当年钢材产量的1%左右。而在国外工业发达国家，冷弯型钢已经占其钢产量的3%～5%，说明我国冷弯型钢的发展很有潜力。目前国外建筑用冷弯型钢约占其冷弯型钢产量的25%～30%，按此推算，加上彩涂板和上下水管，我国建筑用冷弯型钢应该在80万吨左右，这充分显示了我国建筑用冷弯型钢是大有可为的。

冷弯型钢的问世及应用，开拓了主要借助优化截面形状而不单纯依赖增加材料用量及改善材料性能提高材料利用率的新途径，这对节约能源和资源具有十分重要的意义。全国人大通过的我国第十一个五年规划，特别指出我国今后经济发展的重点是强调技术创新，建设节约型社会。因此，加快冷弯成型技术研究，开发更多新型冷弯型钢产品，对推进“十一五规划”的实现具有重要的现时意义。

3.辊式冷弯成型的特点

辊式冷弯成型是金属薄板带在一系列成型辊作用下，通过连续变形而被加工成具有复杂断面的型材。在冷弯成型过程中，由于金属板带受到多点且不等压力的反复、连续弯曲作用，变形过程受诸多因素影响，变形复杂，理论解析十分困难，几乎不可能用一个统一的力学模型描述。因此，长期以来，冷弯孔型和工具设计主要依赖设计者的经验与反复试制。目前冷弯型钢的成型辊的设计仍以经验设计为主，然后依赖试错法获取工艺规律，缺乏完善的成形理论。

4.对辊弯型钢成型进行仿真的必要性

设计者在轧辊设计阶段并不能完全确定金属变形是否合理，轧辊系统孔型设计是否正确，只有在线试生产才会发现问题，但此时已经有相当一部分材料被浪费了。所以，冷弯型钢企业生产成本的很大一部分耗费在成型辊的调整和产品的试生产阶段。采用冷弯成型过程的计算机模拟与仿真技术，能在一定程度上对设计和生产中的问题进行预测，并提出相应的处理方法，这样可以比较合理地进行轧辊设计，有效减少生产调试时间，提高生产效率，减少原材料的耗费。综上所述，近几年来，冷弯成型过程金属塑性变形的理论研究及计算机模拟和仿真技术研究已经引起了很多国家研究者的关注，并取得了一定的成果。

随着金属塑性成型理论及计算机模拟与仿真技术的进步，市场上出现了一些具有实用价值的数值计算与结构分析通用商业软件。另外，近几年计算机技术得到了飞速发展，CPU的速度加快，海量内存等都使得整个计算机的数据处理能力不断提高。现在大多数结构分析与数值处理软件都有PC版，这就为冷弯成型仿真技术的进一步推广奠定了基础，提供了可能性和可行性。

参考文献：

[1]朱少文.冷弯型钢在建筑工程中的应用[J].工程建设与设计，2004，12：15-16.

[2]孙卫民.大量应用于建筑业的冷弯型钢[J].工程建设与设计，2004，7：19.

[3]刘洋，谢伟平，蔡玉春.冷弯型钢发展与应用综述[J].钢结构，2004，6（19）：36-39.

[4]王先进，涂厚道.冷弯型钢生产及应用[J].北京：冶金工业出版社，1994.

[5]胡松林.板带连续辊式冷弯成形的喂入过程分析[J].钢管，1998，8（4）：25-27.

[6]周瑛.辊式成型过程的弹塑性大变形样条有限元模拟[D].东北重型机械学院博士学位论文，1996：36-49.