Modelagem e computação do processo de dobra de três rolos de chapas de aço

Abstrato

  Os processos de dobragem de chapas metálicas são algumas das operações industriais mais utilizadas. O desenvolvimento e a otimização desses processos são demorados e caros. Portanto, simulações de elementos finitos podem auxiliarProjeto e garantia de qualidade de produtos de chapa metálica. No presente estudo, um pacote comercial de elementos finitos foi usado para analisar a dobra de três rolos de uma chapa de aço. Um modelo bidimensional de elementos finitos deste processo foiconstruído sob o ambiente ABAQUS / Explícito, com base na solução de várias técnicas-chave, como tratamento de condição de contorno de contato, definição de propriedade do material, técnica de mesclagem e assim por diante. Mapas com os raios de curvatura desejadosestabelecida variando a distância entre os dois rolos inferiores e a posição do superior. Os mapas desenvolvidos tornaram o processo de laminação mais fácil e demorado. Um experimento industrial usando resultados numéricos otimizadosfoi realizado para validar o modelo numérico. O estresse residual e as distribuições equivalentes de deformações plásticas também foram estudados. O fenômeno numérico da mola foi comparado com os resultados analíticos.

  1. Introdução

  Seções cilíndricas ou ponteiras são usadas em muitas aplicações de engenharia, como vasos de pressão, carcaças de trocadores de calor e câmaras de caldeiras. Eles também formam o principal esqueleto de plataformas de petróleo e gás. Máquinas de rolamento com ambos os três equatro rolos são indispensáveis ​​para a produção de ponteiras com várias curvaturas [1-3]. Até o momento, a pesquisa sobre o processo de dobra cilíndrica a frio foi feita usando apenas modelos analíticos e empíricos. Yang e Shima [4] têmdiscutimos a distribuição da curvatura e o momento fletor calculado de acordo com o deslocamento e a rotação dos rolos simulando a deformação de uma peça de trabalho com uma seção transversal em forma de U em uma dobra de três rolosprocesso. Huaetal. [3] propuseram uma formulação para determinar a força de flexão nos rolos, o torque de acionamento e a potência na curva contínua de quatro rolos de uma placa fina. Gandhi e Raval [5] desenvolveram análises emodelos empíricos para estimar explicitamente a posição do rolo superior em função do raio final de curvatura para a dobra cilíndrica de três rolos das placas.

  No presente trabalho, os parâmetros do processo de dobra a três roletes foram estudados usando análise de elementos finitos explícitos dinâmicos bidimensionais (FE). Como mostrado esquematicamente na Fig. 1,

Fig. 1. Configuração de uma máquina de dobra piramidal de três rolos.

Fig. 2. Dimensões iniciais da peça de trabalho para modelagem (em mm).

a chapa de metal era alimentada por dois rolos laterais do ponto A, curvada a uma curvatura arbitrária ajustando a posição do rolo superior, e então saía no ponto B. Depois, a peça de trabalho era soldada para produzir uma ponteira. oO processo de laminação sempre começou com a operação crucial de prender as duas extremidades da peça de trabalho (Fig. 2). Esta operação eliminou manchas planas ao rolar uma forma cilíndrica completa e garantiu melhor fechamento da costura.

  O sucesso do processo de dobra de três roletes depende muito da experiência e habilidade do operador. O trabalhoA curvatura da peça é geralmente produzida através do método multi-pass, também denominado “tentativa e erro” para otimizar a capacidade de dobragem dos dobradores de rolos. No entanto, o método multi-pass sugere altos custos devido ao desperdício e perda de materialdo tempo de produção. A repetibilidade, precisão e produtividade do processo requerem o uso de um método de produção de passagem única [5].

  No entanto, o último método tem sido sempre um desafio porque um operador deve ter conhecimento dos diferentes parâmetros da máquina para obter anilhas com o diâmetro desejado. Os parâmetros incluem a posição do rolo superior (U),distância entre os rolos inferiores (a) e espessura da chapa metálica (e).

  2. modelagem FE

  O processo de laminação é complicado a partir de uma perspectiva de modelagem FE. Suas características comuns com outros processos de formação incluem grande plasticidade de tensão, grandes deslocamentos e fenômenos de contato. No entanto, este processo parece ser maiscomplicado do que outros processos de formação. Por exemplo, a peça de trabalho é puxada para dentro da folga do rolo por fricção devido aos movimentos dos rolos superior e inferior.

  Para modelar o processo de laminação usando o código FEF Abaqus e para garantir a precisão e a eficiência da computação, muitas técnicas-chave foram levadas em conta, como modelagem de geometria, montagem, tratamento de condições de contorno de contato,definição de propriedades do material, malha, e assim por diante [6]. Essas técnicas são detalhadas na próxima seção.

  2.1 Problema de modelagem

  Ambos os métodos de solução implícita e explícita foram tentados para executar simulações de sucesso. O método implícito é favorável em modelos em que grandes incrementos de tempo podem ser usados. Várias tentativas usando o método implícito foram feitas, masas simulações foram interrompidas após alguns graus de rotação. Dada a não linearidade do problema e as condições severas de contato, não foi possível usar grandes incrementos de tempo. Consequentemente, o método de solução explícita parecia maisadequado porque foram necessários incrementos de tempo muito pequenos no problema. Esta escolha do procedimento explícito dinâmico foi confirmada por Han e Hua [7] usando um modelo do processo de forjamento rotativo a frio de uma peça de anel. oO procedimento explícito de análise dinâmica baseou-se na implementação de uma regra de integração explícita utilizando matrizes de massa de elementos diagonais. As equações de movimento para o corpo foram integradas usando a diferença central explícitaRegra de Integração [8], como mostrado a seguir:

Fig. 3. Ensaios de tração uniaxial de S275JR.

onde uN é um grau de liberdade e o subscrito i se refere ao número de incremento em uma etapa dinâmica explícita.

  As diferentes etapas são detalhadas nas seções a seguir.

2.2 Problema de modelagem

Todo o modelo de processo de dobra de três rolos foi feito de uma peça de trabalho e rolos. A chapa de aço foi definida como um corpo deformável, e os rolos, que não eram deformáveis, foram definidos como corpos rígidos discretos. Cada um dessescorpos rígidos foram atribuídos a um ponto de referência (RP) para representar seu movimento rígido em todos os graus de liberdade.

  2.3 Propriedades do material

  Os rolos eram feitos de aço carbono C46 forjado e presumiam-se corpos rígidos. Uma chapa de aço foi designada como um corpo deformável. As propriedades do material do aço S275JR foram definidas usando o módulo E de Young, densidade ρ eRazão de Poisson ν. Para determinar o comportamento plástico do aço, uma curva tensão-deformação convencional foi obtida a partir de um ensaio de tração uniaxial (NF A 03-151), como apresentado na Fig. 3. Comportamento de elasticidade isotrópico foi assumido, comMódulo de Young de 210 GPa e coeficiente de Poisson de 0,3. O endurecimento por deformação foi descrito usando vários pontos de tensão de tração versus tensão plástica sobre a força de rendimento (290 MPa) e abaixo da resistência à tração (489 MPa). A dinamicamétodo explícito foi usado no cálculo, e o peso da folha foi levado em consideração. A densidade do aço utilizada foi de 7800 kg · m-3. O escalonamento em massa afeta grandemente os resultados computacionais; quanto maior a escala de massa, menor éo tempo de computação. No entanto, o dimensionamento em massa muito alto pode levar a uma solução instável. No presente trabalho, o parâmetro de escala de massa otimizada foi encontrado em 3000 vezes.