摘 要：通過矩形板力學(xué)分析模型的研究，對高強(qiáng)鋼球殼板塑性成形過程中板料受力和變形進(jìn)行分析。進(jìn)行應(yīng)力分析與應(yīng)變分析、溫度和應(yīng)變速率對高強(qiáng)鋼材料成形性能的影響研究以及應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的全量理論解釋與基本方程建立，主要討論板殼成形過程中的結(jié)構(gòu)性問題，探討板料塑性變形、板內(nèi)膜力對應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)的作用。板料成形過程符合金屬等向強(qiáng)化流動理論，并遵循球—錐連接變形模式。

關(guān)鍵詞：塑性變形；膜力；變形模式；撓度；應(yīng)變速率

球殼板是球形儲罐的一部分，是矩形板料在一對球形曲模中逐點(diǎn)沖壓而成的。板料成形常常是一個小應(yīng)變、大變形的問題，因而需要跟蹤板料幾何形狀變化的歷史來分析。多年以來，對板殼成形過程的研究一直受到廣泛的重視，因?yàn)榘鍤ぴ诠こ探Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用非常廣泛，尤其是各種回轉(zhuǎn)體構(gòu)件，本文所述高強(qiáng)鋼球形殼板即為其一，工件實(shí)際尺寸為：矩形鋼板料厚度h=34mm，長度7800mm，寬度2500mm，成形后為半徑R球 =7850mm的球面。通過對矩形板料雙向彎曲受力和變形進(jìn)行分析，通過實(shí)際工件成形實(shí)驗(yàn)分析，為具體評估材料的可彎曲性、計(jì)算成形所需的力、設(shè)計(jì)模具、預(yù)報(bào)彎曲或沖壓后的回彈以提高產(chǎn)品的尺寸精度、確定成形后工件內(nèi)的殘余應(yīng)力、防止在成形過程中產(chǎn)生裂紋和缺陷以及預(yù)報(bào)和控制翹曲的產(chǎn)生提供理論分析依據(jù)，大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，并滿足容器制造業(yè)提高標(biāo)準(zhǔn)后的技術(shù)需求。

1 應(yīng)力分析與應(yīng)變分析

1.1應(yīng)力分布矩形板料在一對球形曲模上逐點(diǎn)沖壓形成球殼過程中，由于板料面積大，而曲模面積小，曲模形狀又為圓形，因此，每沖壓一個點(diǎn)，就相當(dāng)于一個直徑與曲模直徑相同的圓形鋼板彎曲，其彎曲的基本方程與圓形鋼板彎曲的基本方程相同（此時，忽略壓點(diǎn)以外的鋼板對壓點(diǎn)部分的影響）。1.2平衡方程1.3幾何方程-應(yīng)變位移關(guān)系在球殼沖壓成形過程中，在大撓度時仍具有很好的精度。 1.4本構(gòu)方程對板材大撓度、大轉(zhuǎn)動、小應(yīng)變且為非循環(huán)加載的情況，與密席斯屈服條件相關(guān)聯(lián)的等向強(qiáng)化流動理論可以較好地描述金屬材料的變形特性。

2 高強(qiáng)鋼材料變形模式及成形性能的影響因素

2.1變形模式矩形鋼板在球形模具中沖壓時壓點(diǎn)內(nèi)板的變形模式，沖模與板的接觸區(qū)隨著沖壓的進(jìn)展是從中心向外逐漸擴(kuò)展的，本文所討論的板壓點(diǎn)半徑與板厚度比a/h較大，板的中部同沖模端部之間的分離是不存在的或可忽略的。由此我們提出球-錐連接的變形模型。如圖所示，變形后的板中部為一塊球面，其半徑與沖模表面相匹配，也就是說，這一部分圓板完全由沖模的表面形狀所決定；同時假定，變形后的板的外部（中部以外的環(huán)形區(qū)）將為一個截頭圓錐面，它同中部的球面光滑地連接在一起。 2.2溫度和應(yīng)變速率對高強(qiáng)鋼材料成形性能的影響首先，看溫度的影響。與一般情況相同，隨著溫度的升高，高強(qiáng)鋼材料的屈服極限降低，強(qiáng)化趨勢減弱，這是因?yàn)殇摬脑诟邷叵掳l(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，從而使變形過程中產(chǎn)生的強(qiáng)化效應(yīng)消除。高強(qiáng)鋼存在一個轉(zhuǎn)變溫度，這個溫度值為450℃～500℃，；在此溫度以上，材料表現(xiàn)出較大塑性；在此溫度以下，材料表現(xiàn)出較大脆性性質(zhì)。其次，我們看應(yīng)變速率對高強(qiáng)鋼材料成形性能的影響。應(yīng)變速率對材料性能影響比較復(fù)雜，一般隨著應(yīng)變速率的增高，會引起材料強(qiáng)化。但是進(jìn)一步增高應(yīng)變速率，在塑性變形過程中產(chǎn)生的熱量又會使強(qiáng)化效應(yīng)有所下降。因此，在塑性變形加工過程中，應(yīng)保持一定的應(yīng)變速率。

3 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的全量理論解釋與基本方程

矩形高強(qiáng)鋼板彈塑性變形的全量理論是廣義胡克定律在彈塑性范圍中的推廣，由此可建立彈塑性問題的基本方程。建立基本方程：1、 平衡方程2、 幾何方程（應(yīng)變—位移關(guān)系）3、 物理方程（應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系）這里提出的是一般性的彈塑性問題，由于包含了非線性的物理方程，實(shí)際求解是很困難的，因此，通常在求解具體問題時作一定的簡化，例如采用不計(jì)彈性變形的剛塑性材料模型，不考慮強(qiáng)化效應(yīng)，采用簡單的屈雷斯加屈服條件或密席斯屈服條件等等。

4 結(jié)束語

本文討論的矩形鋼板沖壓成形過程中板料的受力和變形分析，目的就是為了在板料成形過程中據(jù)此有針對性地采取各種工藝措施，提高可成形性。目前，關(guān)于板料成形的工藝問題大多只能依靠經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)來解決。事實(shí)上，對其中相當(dāng)一部分有可能遵循本文的分析方法和思路作深入細(xì)致的力學(xué)分析，這將有助于工藝方案的選擇和工藝參數(shù)的優(yōu)化。而且，在板料成形和結(jié)構(gòu)彎曲大變形中，也可據(jù)此進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)回彈和翹曲分析，提高產(chǎn)品的尺寸精度，確保產(chǎn)品質(zhì)量。本文所述高強(qiáng)鋼板料為CF62系列鋼材，其可塑性雖不如容器鋼好，但其焊接抗裂紋性能非常好。目前，在許多大型容器設(shè)計(jì)中采用高強(qiáng)鋼材質(zhì)，以增強(qiáng)其整體強(qiáng)度、減少鋼材厚度和使用量、降低生產(chǎn)成本。