船舶轧制型材构件冷弯成形中皱曲的预测和控制研究

皱曲是角钢、球扁钢等轧制型材冷弯加工中决定成形极限的主要缺陷之一，轻则出现废品，重则损坏模具，影响生产。长期以来，防止型材起皱主要依靠实践经验，究其原因是无法对失稳进行有效预测。本项目采用理论分析、数值模拟和试验相结合的方法，对型材冷弯成型过程中影响皱曲发生的若干关键问题进行了深入的研究，获得了一些重要结论。本项目的研究工作和结论主要如下： （1）研究了船舶型材冷弯成形中的塑性成形区间与失稳起皱等问题 根据弹塑性理论，项目推导出T型材塑性变形区的理论解析式，采用塑性有限元方法对T型材冷弯成形过程进行数值模拟，掌握T型材冷弯成型过程中影响塑性变形区的主要因素和影响规律。 采用弹塑性理论，推导了扁钢及T型材临界失稳半径计算公式，采用塑性有限元方法对T型材、角钢、球扁钢三种型材的冷弯成形过程进行数值模拟。根据计算结果，分析材料截面参数和弯曲加工工艺参数对失稳的影响，获得了一些规律性的认识。 （2）基于试验，研究了船舶型材冷弯加工中成形线型特征问题 型材成形线型曲率半径R是线型的主要特征。项目采用正交设计法设计试验方案；采用Loess平滑方法消除试验数据的噪音，作为研究分析的基础数据；对局部成形线型进行分析，研究成形段的线型特征；探讨加工工艺参数及型材特征对成形线型的影响规律。 结论显示，预报弯曲成型的线型半径R，可对冷弯成形过程进行更准确地控制，获得更为理想的成形线型；同时可在加工前对零件进行评估，判断其是否具有可加工性。 （3）研究了开孔型材构件弯曲过程中的起皱、断裂问题 开孔型材构件在弯曲过程中，避免在开孔窄边处发生起皱、断裂等破坏是生产中期待解决的一个关键问题。 项目采用ANSYS/LS-DYNA软件对预开孔角钢冷弯过程进行数值模拟，分析角钢在冷弯过程中的变形特点。 分析船厂加工型材的特点，本文提出了一种在开孔处增加塞块的弯曲加工工艺方法，进行了试验验证。该方法为加工生产提供了一种可行的解决方案。 综上，本项目的研究工作，阐明了轧制型材构件成形过程中皱曲产生和发展的机理，掌握材料性能、截面形状和成形工艺等对皱曲的影响规律，为实现皱曲准确预报和有效控制、完善相关船舶规范、优化设计和工艺提供了科学的依据。 2100433B

皱曲是角钢、球扁钢等轧制型材冷弯加工中决定成形极限的主要缺陷之一，轻则出现废品，重则损坏模具，影响生产。长期以来，防止型材起皱主要依靠实践经验，究其原因是无法有效预测临界失稳点。本项目基于弹塑性理论，应用能量法分析临界皱曲状态，从理论上建立临界点预报模型；以试验数据为基础，采用非线性神经网络方法建立影响皱曲的多参数耦合模型，揭示轧制型材基本成形性和模拟成形性之间的相关性；采用非线性有限元方法建立皱曲数值模拟模型，研究各种参数对金属塑性流动的影响规律。融合上述研究工作，阐明轧制型材构件成形过程中皱曲产生和发展的机理，掌握材料性能、截面形状和成形工艺等对皱曲的影响规律，阐明抑皱力的作用原理，建立失稳起皱的临界几何判据，实现皱曲准确预报和有效控制，为完善相关船舶规范、优化设计和工艺提供科学依据。

薄壁截面特性使冷成型钢结构的失稳力学行为更加复杂，开口截面冷弯薄壁型钢构件更容易发生局部、整体和畸变屈曲。局部和畸变都具有屈曲后强度，在一定条件下会与其他屈曲模式相关，且相关屈曲的极限承载力较低。国内外学者对于畸变屈曲方面的研究还没有形成统一的认识，特别是畸变与整体相关屈曲的研究未系统开展。本项目对冷弯薄壁型钢受压构件畸变与整体相关屈曲性能进行研究，对其失稳力学机理、破坏模式、极限承载力进行研究。建立了畸变与整体相关屈曲模式的理论分析模型；提出了识别畸变屈曲、整体屈曲、畸变与整体相关屈曲的判定准则，给出了相应的临界条件；提出了畸变与整体相关屈曲的设计理论和简化计算方法。 （1）通过有限元精细化分析模型对冷弯薄壁C型钢轴压构件进行了相关屈曲模式及其发生的力学机理、变形特征；研究了截面几何参数对畸变与整体相关屈曲行为的影响；提出了畸变与整体相关屈曲的理论分析模型。 （2）对不同截面尺寸的68个冷弯薄壁型钢构件（包括腹板开洞情况）进行极限承载力试验研究。研究了构件畸变屈曲后与整体屈曲相互作用的承载力性能；研究了构件畸变与整体相关屈曲的变形模式、截面几何参数对畸变与整体相关屈曲行为的影响，畸变屈曲后与整体屈曲相互作用的极限承载力。 （3）研究畸变与整体相关屈曲构件的设计理论与设计方法。对当前国际上流行的直接强度法（DSM）畸变与整体相关屈曲计算公式，通过收集实验数据库进行了研究，提出了相应的设计理论和计算方法，并给出了判定准则。 2100433B

薄壁截面特性使冷成型钢结构的失稳力学行为更加复杂，开口截面冷弯薄壁型钢构件更容易发生局部、整体和畸变屈曲。局部和畸变都具有屈曲后强度，在一定条件下会与其他屈曲模式相关，且相关屈曲的极限承载力较低。由于畸变屈曲行为的复杂性，国内外学者对于畸变屈曲方面的研究还没有形成统一的认识。目前的研究主要集中于畸变屈曲，而对畸变相关屈曲的研究仍不深入系统，特别是畸变与整体相关屈曲的研究还未系统开展。本项目将对冷弯薄壁型钢受压构件畸变与整体相关屈曲进行系统深入的研究。采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，对其失稳力学机理、破坏模式、极限承载力进行研究。建立畸变与整体弯曲、扭转、弯扭相关屈曲模式的理论分析模型，明确其力学机理和变形特征；提出能识别畸变屈曲、整体屈曲、畸变与整体相关屈曲的判定准则，给出相应的临界条件；提出畸变与整体相关屈曲的设计理论和简化计算方法。