船用钢板激光弯曲成形中板材几何效应数值模拟

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1、2003年MSC.Software中国用户论文集船用钢板激光弯曲成形中板材几何效应的数值模拟吕波张立文裴继斌钟琦王存山张国梁大连理工大学材料系-1-12003年MSC.Software中国用户论文集船用钢板激光弯曲成形中板材几何效应的数值模拟NumericalSimulationofGeometricalEffectsonProcessofLaserBendingofShipbuildingSheetMetal111121吕波张立文裴继斌钟琦王存山张国梁1.大连理工大学材料系2.三束材料改性国家联合重点实验室摘要:使用有限元分析软

2、件MSC.Marc对船舶钢板的激光弯曲成形过程进行数值模拟，建立了板材激光弯曲的三维弹塑性非线性有限元热力耦合数值模型，计算了船用钢板激光弯曲成形过程的温度场和变形场。模拟结果与试验结果符合较好。在此基础上，对船舶钢板的激光弯曲成形中板材的几何效应进行了数值模拟研究，得出在特定条件下各技术参数与激光弯曲变形量之间的定量关系，为实际生产中制定和优化钢板激光弯曲成形的主要参数提供理论依据。关键词：船用钢板激光弯曲成形几何效应数值模拟非线性有限元Abstract:Numericalsimulationoflaserbendingofsh

3、ipbuildingsheetmetalwascarriedoutattheadvantageoffiniteelementanalyticalsoftwareMSC.Marcanda3-Delasto-plasticthermo-mechanicalfiniteelementmodelwasdeveloped.Thetemperaturefieldandthedisplacementfieldoflaser-bendingformingofshipbuildingsheetmetalwerecalculatedusingthem

4、odel.Thesimulationresultswereingoodagreementwithexperimentalresults.Afterthat,geometricaleffectofsheetwassimulatednumericallyandthedefiniterelationshipbetweendisplacementofplateandtechnicalparametersonthecertainconditionsduringthelaserformingprocesswasachieved.Theobta

5、inedresultscouldprovidetheoreticbasisforengineeringapplicationofthistechnologyinthefuture.Keyword:Shipbuildingsheetmetal,Laserbending,Laserforming,Geometricaleffect,Numericalsimulation,NonlinearFEM1引言激光弯曲成形方法是一种新型金属板材柔性成形技术。这一成形方法将激光加工技术应用到热应力成形技术中，以相干性好、方向性好、易于精确控制的高

6、能激光束作为热源，利用激光束快速扫描金属板材表面时形成的不均匀温度场所导致的热应力来实现板材的塑-2-22003年MSC.Software中国用户论文集[1-4]性变形。由于激光弯曲成形是一个复杂的三维弹塑性热力耦合过程，其最终变形量是多种因素综合作用的结果，而且由于温度对材料特性的影响以及激光加热瞬间板材温度的迅速变化等特点，使得采用传统的计算方法和实验手段来研究激光成形过程的规律变得十分困难。采用数值模拟技术可以在计算中可以考虑各种随温度变化的物性参数，不必花费大量人力、物力对实物解剖，而且得到更全面的信息，国内外学者已经对一

7、些材料的激光弯[5-9]曲成形的数值模拟开展了许多研究。目前船用钢板的弯曲成形基本上采用水火弯板技术，若能用激光这种易于控制的热源代替水火，成形精度将更容易控制。对船用钢板激光弯曲成形进行数值模拟研究，可以减轻人力物力，优化参数，进而指导生产。板料的几何尺寸主要包括板料的长度l（垂直于弯曲线方向的尺寸）、宽度d（沿弯曲线方向的尺寸）和厚度t。由于小长度板料的弯曲问题在实际操作中并不常见，而当长度尺寸大于10-20倍板厚时，它对弯曲变形的影响不再明显，因此，板料的宽度和厚度对弯曲变形的影响较大，而在这两者中又以板料的厚度影响最为显著

8、。对于一定大小的激光光斑，当板厚超过某一极限值时，无法进行激光成形。本文在验证了激光弯曲成形数值模拟结果准确性的基础上，应用有限元数值模拟的计算结果，结合一定的实验数据，确定船用中厚钢板激光弯曲成形过程中的包括激光束的能量，板材的几何尺寸以及材料的