开题报告—冷弯成型过程的FEA仿真及成型参数优化.doc

一、 拟选定学位论文的题目名称冷弯成世过程的FEA仿真及成型参数优化二、 选题的科学意义和应用前景冷弯型钢是众多钢材品种中的一种，是指在常温状态下，采用某种机械方法将热轧或冷 轧板带加工成所需的横截面形状和尺寸的型材⑷按其加工成型方式分为:弯折成型、拉拔 成型、冲压成型和辘式冷弯成型等其中车昆式冷弯成型是金属带材在常温下经过一系列轧 馄馄弯，逐步变形达到设计要求的形状和尺寸馄式冷弯成型的型钢具冇生产效率高，产 品质量好，易于实现自动化、连续性生产，可生产开口、闭口各种断面型材的特点本论 文中冷弯成型采用的就是辗式冷弯成型工艺经过辘弯成型的深加工产品，适用于各种异型复杂断面产品，型材表面光洁，断面尺 度精度高，具有良好的断面特性与热轧型钢相比，在相同截面面积的情况下，回转半径 可增大50-60%,截而惯性矩可增大0.5-3.0倍，因而能较合理地利用材料强度而其由于 强度高、工厂化制作程度高、投资少、施工周期短、抗震性能好、环境污染少以及可冋收 利用等诸多优点被广泛应用于汽车、航空、建筑等行业冷弯型钢的问世及应用，开拓了 借助优化截面形状来提高材料利用率的新途径，而不单纯依赖增加材料用量及改善材料性 能，这对于节约能源和资源具有十分重耍的意义，特别是对发展中国家而言，这种高效经 济冷弯型钢的开发和推广尤为重要。

冷弯型钢的应用始于19世纪五十年代的美国和英国，主要应用于建筑行业在过去冷 弯薄壁型钢多用于次要受力构件，只有少量作为构件在中、小跨度门式刚架（无吊车）、货架 中使用而今在许多国家和地区采用冷弯薄壁型钢作为承重骨架的结构被越來越多的应用 于单层、多层住宅，别墅建筑中形成了冷弯薄壁型结构体系目而冷弯型钢在西欧、美国、 英国等发达国家的家电、电器、建筑、计算机及汽车等行业得到大量的应用在美国轻钢结构体系的分析、设计理论和方法及制造工艺上己经非常完善，开发了多 种专利产品，其专用设计软件可在短吋间内完成设计、绘图、工程量统计及工程报价，在 制作上也实现了高度的标准化及工厂化冷弯型钢结构构件已经走向专业化、产业化的生 产模式我国冷弯型钢生产，起始于五十到六十年代，在鞍山、上海、重庆等个别地区，服务 于农机业为主到八十年代，是第一次发展高潮，集中于华东、华北、东北，服务于汽车、 客车、建筑门窗、交通运输、货架、电器等行业；我国正进入冷弯型钢发展的第二次高潮, 钢种从单一的普通碳钢向高强、耐候、耐火等钢种发展，主要产品冇：公路护栏、钢结构、 汽车、集装箱、钢模板和脚手架、铁道车辆、船舶、桥梁、输电铁塔、钢板桩、悬挂输送 机导轨，电缆桥架、电器柜、农业机械、谷物仓储、管道支架、电梯导轨、货架、吊顶龙 骨、蔬菜大棚、家具及防火设备等等⑵。

我国冷弯型钢经历了数I•年的发展，虽然取得了一些成绩，但与国外水平及经济发展 的要求比较，还存在以下一些主要问题：1） 品种与数量少，与场的需求还有差距，在产品结构调整中，冷弯型钢在钢材总量中 所占比例还应逐步捉高，现在冷弯型钢仅山钢材总量的0.6%左右，而先进工业国家的冷弯 型钢产量一般占钢材总量的1.5%—4%,差距较大2） 机组设备水平较低，配套不够合理完善，不能适应多詁种、高质量冷弯型钢产品的 生产要求3） 1986年颁布的7个冷弯型钢国家标准.至今已实施多年，根据目而生产的品种范围、 生产条件及用户耍求，原冇标准已不能完全满足需求，限制了一些产品的推广应用和质量 的提咼4） 深度加工的产品少，不能适应和方便用户的使用，而在国外已经零件化、部件化木课题止是在这种背景下提出的，主要是对现有的冷弯成型理论知识掌握的前提下， 进行计算机辅助设计，完成辘花及轧鶴的设计以助于后面的三维建模，进而运用相关软件 进行FEA仿真，减少边波、翘曲等缺陷的产生，并对相关工艺参数进行优化以得到更优的 成型方案，并对回弹的影响因素进行分析本课题的研究对冷弯成型产品的开发、孔型系 统的设计和生产过程的控制都有很好的指导作用，对提高冷弯成型技术将具有一定的参考 价值和科学意义。

三、背景科研项目情况简介本课题來源于扬州市科技攻关项目“高精度复杂数控型材轧制生产线”，是南京理工 大学与扬州市某公司的共同承担项□ O“高精度复杂数控型材轧制生产线”将以该公司前期工作为基础，在吸收以前机组的 结构优点和核心技术的基础上，通过对液压口动冲孔技术，计算机辅助设计辗压成型 技术和新型轧辘热处理技术，冷切削飞锯技术，数据生产管理软件设计等关键技术的 攻关，研发出满足相关行业的需要、产品技术水平达到国际同类产品先进水平、尺寸精度 高达土0.2mm,所冲的孔或槽精确度达土0.05mm,正品率高达98%,生产速度达到40m/min 的高精度复杂数控型材轧制生产线对于木课题的研究，公司和学校已经根据研究需要对研究内容、技术难点进行规划与 分解，并讨论具体的解决方案和应对措施而木论文“冷弯成型过程的FEA仿真及工艺参 数优化”以公司的前期机组生产经验为基础，利用计算机辅助设计进行工艺图设计，神经 网络遗传算法相结合对相关工艺参数进行优化，对提高产品质量及生产效率具有重要意义. 为完成高精度复杂数控型材轧制生产线这一重要科技项目的相关研究提供技术支持四、学位论文主要研究内容通过木课题來源项目的分析，结合合作企业的实际情况，木学位论文主要包括以下儿 个方面的研究内容：1 •冷弯成型过程的有限元仿真分析对相关参数进行设定，根据轧银专业设计软件COPRA完成工艺变成图及轧辘图，在此 基础上建立有限元模型。

对成型过程进行FEA仿真，分析成型过程中各道次的横向、纵向 应力应变，等效应力应变等变化情况，对成型规律做出总结，并得出对成型质量影响较敏 感的参数2. 基于神经网络和遗传算法的相关成型参数的优化以往对冷弯成型的优化都是基于仿真的基础上，用试探法对冷弯成型各成型参数做出 修改，消除缺陷完成生产，但这套成型参数并不一定是最优的，本文从神经网络和遗传算 法的原理出发，利用遗传算法和神经网络和结合的策略对冷弯成型过程和关参数进行优化 建立出设计参数与优化目标映射关系的神经网络模型，然后利用遗传算法对该神经网络模 型进行全局寻优，最终得到的最优成型参数3 •成型过程回弹分析回弹是一种不可避免的物理现象，是设计中要考虑的一个关键因素，型材的最终形状 取决于成型后的回弹量建立优化后的自限元模型，对冋弹过程进行仿真模拟，分析不同 的成型参数，如：不同材料、板材厚度、道次间距等等，对回弹的的影响进行分析比较， 总结规律，并在此基础上提出解决方案五、预期解决的主要问题问题1：成型过程的冇限元仿真冷弯成型的过程表现为板带在轴线方向的弹性拉伸以及横向方向的弹塑性弯曲变形， 属于复杂的板带深加工技术，其复杂性表现在几何上的大变形、材料上的超須性、接触边 界非线性和动态加工过程。

ABAQUS是一套功能强人的工程模拟的冇限元软件，其解决问题 的范国从和对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，很适用于冷弯成型过程的仿真分 析通过solidworks三维软件建立简化的三维模型，然后将三维模型导入ABAQUS有限元 分析软件，对约束条件、载荷、初始条件、接触问题、摩擦等等条件根据实际情况进行设 定，使成型过程尽可能与实际情况一致问题2：优化目标的设定成型过程的优化十分复杂，涉及到设备的布置，成型的参数，甚至成型的速度关于 冷弯成型设计优化理论的一般都比较认可的一个准则是：边部拉伸最小所谓边部拉伸最小即边部拉伸应力应变分布最均匀的时候，同时最大值也较小应变 分布不均匀，是引起诸多质量问题的源头，可能会导致如边波、扭曲、纵弯等很多缺陷， 分布均匀的应变不易引起缺陷的产生应变的分布均匀，板料各处的应变应力值尽量相差 不要太大，从统计学的角度，是应力应变的方并要尽量小根据以上所述，木文将冷弯成型过程优化目标设定为最终成形横截面上纵向应变的方 差最小问题3：优化原理及步骤首先在最终截面选取儿个特殊位置的参考点，通过设定不同的参数进行有限元分析获 得多纽•数据，应用止交试验方法对神经网络的训练样木进行试验安排，利用神经网络极强 的非线性模拟能力，仿真出每个道次的弯曲角和轧辘直径与最终成型面纵向应变方差人小 之间的映射关系，建立出设计参数与优化目标映射关系的神经网络模型，然后利用遗传算 法对该神经网络模型进行全局寻优，最终得到的最优成型参数。

问题4：回弹精度的控制板料的动态成型工序中，高度非线性变形过程导致在板料中产生大量的弹性应变能， 在与轧银脱离后储存的成型压力得以释放，这个能量释放是弹性回弹的驱动力，使板料向 着原有几何构形变形因此，在板料成型过程中最后部分形状不仅仅取决于孔型系统的轮 廓形状，也取决于板料在塑性变形时储存在该部分的弹性能总量，故准确地计算板料卸载 后的回弹量的大小及分布对于控制产品尺寸精度和新产品的孔型设计非常重要但在有限 元软件中进行冋弹模拟得到回弹量的大小与现实实验中冋弹数据进行比较会有一定的并 距，在模拟过程中耍使这个差异尽可能的小，提高模拟回弹模拟精度对材料模型进一步 研究，选择能够真是反映弯曲冋弹过程材料流动规律的本构方程和用服准则；对单元模型 进一步研究，选择能够很好反映弯曲回弹效应的单元模型；对求解算法进一步研究，选择 能够精确求解弯曲回弹问题的算法；对接触摩擦算法进一步研究，建立能够真实反映成型 过程接触摩擦情况的边界条件六、开题条件1、 学术条件长期以來，课题组与扬州市某公司保持着密切的科研合作关系，在焊管机结构优化技 术、加工工艺技术以及焊管机故障诊断技术等方面的研究比较深入，对型材机组的原理、 结构、工艺非常了解，具有比较明显的优势。

利用本校图书馆和电子资源，查阅了冷弯成 型机组的成型原理和设计方法，产生边浪、袋形波等缺陷的原因，以及改进成型工艺的措 施等相关方面的资料，对本课题的研究内容有了一定的了解，初步确定了课题研究的可行 性2、 设备条件南京理工大学机械工程学院拥有国内外各种管理软件、CAD、CAM、CAE软件、先进的 工业控制软件、各种测试软件等扬州市某公司技术力量雄厚、生产工艺先进及检测设备 齐全，制造设计各种型号的高频焊管、不锈钢精密焊管机组、不锈钢复合焊管机组等机组 并设计制造各种规格型号的焊管模具一轧楹、界型扌昆，从而使产品形成系列化，是江苏省 二级计量合格单位公司长期坚持“科技创新是第一生产力”，多年来坚持产学研合作， 在冷弯型钢加工装备行业取得了丰富的技术成果，主要包括高精度特种钢焊管生产线、复 合焊管系列生产线、高频直缝焊管系列生产线、型钢轧制生产线等，精度高、加工范围广、 智能化程度高，实现了整条生产线的智1能化控制，保证了各种冷弯型钢加工质量的稳定性 与可靠性，技术水平均居于国内领先水平它为本课题的研究提供了物质上的保证3. 经费概算及其落实情况经费由扬州市某公司提供，目前已落实到位七、文献综述1・国内外冷弯型钢的发展概况1.1国外冷弯型钢的发展状况自1838年俄国采用压力成型生产冷弯型钢以来，世界冷弯型钢生产已经有100多年的历 史。

国外冷弯型钢的生产大致分为三个阶段⑷：第一阶段是探索研制阶(1838-1909)在这一阶段，仅有几个国家生产出冷弯型钢，但 不仅产量低，而且产品的品种与质量都很差，仅能够满足当时建筑部门与车辆厂本部的需 求第二阶段是制定并逐步推广冷弯成型工艺阶段(1910-1959)在这期间，美国首先制定 了觀式冷弯成型工艺，并建立第一套专业化觀式冷弯型钢机组，使得冷弯型钢生产发展进 入一个新阶段但是由于当时的冷轧、热轧带材生产落后，影响了冷弯型钢的使用与发展第三阶段是冷弯型钢生产迅速发展的阶段(I960-至今)在这一阶段，世界钢材品种有 了重大进步，在钢材的总产量中，带钢与板材的比重和质量显。