金属材料弯曲成型的计算机模拟分析

陈 璇

（江西恒大声学技术工程有限公司， 江西 南昌 330000）

1 金属材料弯曲成型的计算机模拟分析方法设计

1） 引入本构方程，在金属材料弯曲成型的计算机模拟分析中，应力与应变的关系是影响模拟结果的重要因素，建立金属材料的弹塑性本构关系，首先要确定金属材料成型前的应力特征；其次是金属材料成型后塑性流动情况，金属材料成型过程中，必须准确求出应力状态与应变增量的关系式，为了使计算数值模拟更有效，适当减少计算的工作量作为必须考虑的问题之一。高温状态金属材料成型的本构方程可以表示为：

式中，ε 表示金属材料应变速率;T 表示成型的温度；S表示金属材料内部组织参数。

2） 建立有限元几何模型。确定了金属材料的本构关系后，通过建立有限元几何模型将金属材料的截面图载入到前处理器中，首先，对于厚度小于5mm 的金属材料，在一定温度下弯曲成型时，由于模具的上部采用弧形凸起结构，毛坯采用厚度均匀的弧形材料，因此在计算机模拟中，金属材料弯曲可以作为轴对称问题的一部分去解决。接着采用极坐标进行描述，金属材料弯曲部分就可以根据实际产品的尺寸通过轴对称件旋转0 角而获得，在成型过程中所用的模具视为刚体，不考虑变形因素。

3） 确定弯曲成型温度，在金属材料弯曲成型工艺中，温度对弯曲成型的性能影响非常大。本文通过计算机对成型性能加以控制，依托金属材料的本构关系，给配料以及模具进行高温处理，很多研究者都将模具作为刚性体，不考虑金属材料成型过程模具的形变，适当控制金属材料的变形程度。

4） 实现金属材料弯曲成型，金属材料弯曲成型过程中，采用被普遍认可的非线性有限元软件模拟了金属材料的成型过程。引入的本构方程可以求出金属材料的应力状态与应变增量的关系，再根据建立的有限元几何模型确定弯曲成型的温度，有限元模拟过程流程图如图1 所示。

图1 有限元模拟过程流程图

基于本构方程的引入建立有限元几何模型；依托金属材料弯曲成型温度的确定，实现金属材料弯曲成型。完成提出的金属材料弯曲成型的计算机模拟分析。

2 对比实验

为了验证本文金属材料弯曲成型的计算机模拟分析方法能够有效模拟金属材料弯曲成型，基于金属材料弯曲成型的计算机模拟分析方法，以及基本模拟分析方法，制作合金延伸率对比实验。

1） 实验材料。本实验采用商业用的合金，其化学成分见表1，平均晶粒直径大约在8μm，厚度为2.2mm，单向延伸率最大可超过300%。

表1 合金的化学成分（wt%）

2） 实验方法。本文研究的合金温度选择100℃～600℃之间，应变速率在0.15s-1～0.006s-1 之间，采用基于金属材料弯曲成型的计算机模拟分析方法，以及基本模拟分析方法对合金拉伸，拉伸过程通过计算机进行监控，合金夹头的运动速度要随时根据合金的拉伸长度调节，来保证合金的拉伸应变速率恒定，关系式如下：式中，v表示合金夹头的运动速度，v表示合金的长度。在实验温度为100℃～600℃下，对合金进行应变速率恒定拉伸，应变速率对应的拉伸速度见表2。

表2 应变速率对应的拉伸速度

图2 延伸率与温度变化曲线

3） 数据处理与结果分析。实验采集到的数据利用Origin5.8 软件进行处理分析，得到延伸率与温度变化曲线，如图2。

根据实验结果可知，采用基于金属材料弯曲成型的计算机模拟分析方法，合金的延伸率最高可达93%，最低也可以达到65%，可以实现合金材料的弯曲成型，提高金属材料的质量；同时与基本模拟分析方法相比，在保证拉伸速度一致的条件下，使用两种方法的成型效果相差不大，都能实现弯曲成型，但是基于金属材料弯曲成型的计算机模拟分析方法效果较好，能有效保证金属材料的弯曲变形质量。

3 结语

本文提出了金属材料弯曲成型的计算机模拟分析，在引入本构方程的基础上建立有限元几何模型，通过弯曲成型温度的确定实现金属材料弯曲成型，从而实现本文的模拟分析研究。