用户作品赏析 | LS-DYNA 管材冷弯成形
写在前面
『Ansys LS-DYNA用户案例竞赛』活动全程收获来自多个行业CAE从业人员的积极参与，总计收到近90篇投稿作品，所有作品都已在2021 Ansys Innovation大会同期的“用户优秀作品展示” 中供观众赏阅。会议期间LS-DYNA专题分会场的LiveShow演播室更设有对用户案例进行详细解读的环节，同时，多位作品作者也受邀成为本届大会主题报告的演讲嘉宾。本期开始Ansys中国微信公众号将连载发布所有获奖作品，详尽展现用户如何从Ansys工程仿真解决方案中获益，诚邀各位近距离观赏他们的应用实践真知，希望通过这些杰出的工程仿真实践指导更多用户。
作品赏析（7） | LS-DYNA 管材冷弯成形
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项目的工程意义和代表性
冷弯成型是一种传统工艺，广泛用于制造成本效益高的焊管，其中金属工件是经过多组轧辊逐步成形。根据初始横截面和最终型材的几何形状以及要施加的应变增量，给出不同类型的辊子，每组辊子都具有特定的功能。电阻焊（ERW）钢管已广泛应用于各行各业，特别是在天然气和石油运输中。ERW焊管主要采用辊压成型工艺，通常包括开卷、调平、辊轧成型、焊接、定径、矫直等多种工艺。然而，在工业生产中，冷辊轧成形主要采用试错法。工件随着各辊组的转动而逐渐连续变形，形成一个圆形的十字形管。由于材料非线性、几何非线性和边界非线性，板料辊轧成形过程非常复杂。然而，花卷设计和花型设计主要依靠工人的经验，理论指导和参考较少。随着计算机技术的发展，有限元分析作为早期设计和优化阶段必不可少的工具，在辊弯成形工业中得到了越来越多的应用。
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仿真目的和基本设置
在管材冷弯成形过程中，如果不能很好地平衡各参数，这种方法可能会产生沿工件横截面上的几何和机械性能的非均匀分布，以及管子在后续过程（即弯曲）中的不稳定行为。所以确定一些衡量工件均匀性和加工质量的指标是很重要的，研究主要工艺参数对这些指标的影响是主要目的。
基本设置
垂直辊轴：9组，水平辊轴：8组
板材长宽高：300 X 20.8 X 1 mm
厚度方向积分点数量：7
摩擦系数：0.2
网格尺寸：0.5-1 mm
辊轴组的速度，每个辊轴组会增速0.5%以确保板材不会出现屈曲
驱动方式：只有垂直方向放置的下辊轴作为驱动利用摩擦带动板材前进成形
板材变形体，辊轴刚体
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工件的简图
图1 简化后的模型和变形演化花形图案
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管材横截面沿厚度分为内中外三层，取对称结构的一半进行分析
图2 横截面信息示意图
Ansys LS-DYNA的分析效果
图3 辊轴反应力
图4 变形体横截面在各辊轴组下的有效应变分布
图5 变形管材上表面单元的有效应变历史曲线，演化规律
图6 变形管材一半单元的厚度历史曲线，演化规律
图7 管材横截面上环向应变变形过程的演化
图9 管材最终的横截面应变和厚度的分布以及通过第一和最后一组辊轴时的变形
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