摘 要

目前，国内外大多数船厂仍依靠水火弯板和人工操纵压力机来加工双曲率船体外板，该工艺流程生产效率低下并且难以实现机械化和自动化。以方形压头可调活络模具板材曲面成形方法为基础的船体外板三维曲面数控弯板机能高效快速地完成对双曲率船体外板的加工。

本文结合有限元法和实验法开展了船体双曲率外板的冷冲压成形的研究。以厚度为4mm,8mm和12mm的Q235钢板为研究对象，冲压成三种曲率不同的双曲率马鞍型板。利用非线性有限元软件ABAQUS/Explicit和ABAQUS/Standard分别进行成形和回弹分析，并用实验结果进行验证。根据实验和有限元分析，揭示了成形曲率和板厚对回弹量的影响，得出了在厚度相同的情况下，鞍形板的整体回弹随成形曲率的增大而增大；成形曲率相同的情况下，回弹随厚度的增大而减小的结论。

关键词：船体外板；可调活络模具；金属冷压成形；回弹；数值模拟

Abstract

At present, most shipyards at home and abroad still rely on traditional line-heating and manually manipulate the process to press the double curvature of the ship hull plate. The low production efficiency and difficulties to achieve mechanization and automation are drawbacks of traditional process. The CNC(Computer Numerical Control) ship plate machine based on reconfigurable loose mould forming mechanism with square press heads, can be used to achieve effectively the hull plate of 3D surface by cold forming, which would make the automation and numerical control of ship plate forming a reality.

In this paper, the finite element method and experimental method are used to study the cold forming of the double curvature ship hull plate. The Q235 steel specimen with thickness of 4 mm, 8 mm and 12 mm is used to study the forming of three different kinds of saddle plates with different curvature. The nonlinear finite element software ABAQUS/Explicit and ABAQUS/Standard are used to analyze the forming and springback respectively, which are validated by the experimental results. According to the experimental and finite element analysis, the influences of forming curvature and thickness on the springback are investigared. It is concluded that the overall springback of the saddle plate increases with the increase of the curvature of the forming curve when the thickness is the same. In the case of the same curvature, the springback decreases with increasing thicknesses.

Key Words：ship hull plate; reconfigurable loose mould; metal cold forming; springback; numerical simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 2

1.3 本论文的主要工作 3

第2章 板材冷压弯曲成形回弹计算及数值模拟理论 5

2.1 板材回弹产生的原因 5

2.2 板料冷压弯曲成形后的回弹计算 6

第3章 船体外板冷压成形方法的数值模拟技术 9

3.1 SKWB-800型数控弯板样机结构特点和成形方式 9

3.2 数值模拟的关键技术 9

3.2.1 数值模型概况 9

3.2.2 方形压头的等效处理 11

3.2.3 板材材料本构模型 11

3.2.4 单元类型选择和网格划分 12

3.2.5 约束处理 13

3.2.6 接触与摩擦处理 13

3.2.7 载荷和位移条件 13

3.2.8 回弹计算流程 14

3.2.9 批量化建模技术 14

第4章 板材冷压成形的回弹数值分析与实验验证 15

4.1 实验流程 15

4.2 实验目的 17

4.3 曲率与高斯曲率的定义 17

4.4 实验过程 18

4.5 马鞍面成形件的回弹规律 19

4.6 成形曲率对回弹的影响规律 21

4.6.1 回弹的实验和模拟结果 21

4.6.2 结果分析 24

4.7 厚度对回弹的影响规律 25

4.7.1 回弹模拟结果 26

4.7.2 板厚对回弹的影响规律 28

4.8 马鞍面成形件回弹模拟结论 29

第5章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

参考文献 31

附录 33

致谢 34

绪论

研究背景及意义

在船舶行业，各类船型和海洋结构物为满足水动力性能和强度要求，外壳型线非常复杂，需要大量加工具有三维曲面的船体外板，如帆形板和鞍形板。目前国内外大多数船厂加工复杂曲面板普遍采用水火弯板的工艺，该工艺是沿预定的加热线对板材进行局部线状加热，并用水进行跟踪冷却，使板产生局部塑性变形，从而将板弯成所要求的曲面形状。然而，在该工艺中，由于火焰在移动过程中产生的热弹塑性变形十分复杂，板的成形质量过分依赖于加工人员的经验。并且，高温会使钢板内部的晶格排列发生改变，从而导致材料的机械性能发生变化，这难以满足具有特殊要求的船舶的建造需求。同时，船舶行业对自动化和机械化的要求日益增长，因此，三维曲面冷弯成形的自动化机械设备的研发成为了当前船舶行业的研究热点。

在冷弯成型的工艺中，传统固定模具的成型方法大规模地应用于生产汽车等产量大，形状单一的消费品。然而海洋结构物形状复杂各异，传统的固定模并不适用于建造船舶等海洋结构物。新型的柔性多点成形技术很大程度上解决了船舶工业中三维曲面外板的加工难题。利用可调模具，该技术可以压制任意板厚和形状的多维曲面外板。此外，冷弯加工的成形机制较为简单，易于控制成品形状和实现工艺流程的自动化，从而提高成品质量和生产效率。目前，基于多点成形的冷弯成型技术取代水火弯板，已经投入到了数家造船厂的生产实际中^[1]。