不锈钢微通道管辊弯成形设计和有限元仿真研究

2022-08-04魏小平邹天下李大永

现代交通与冶金材料 2022年4期

魏小平，邹天下，李大永

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海， 200240）

引言

微通道管是一种带有密排微孔的口琴状扁管。采用微通道管制备的换热器在节能减排方面具有显著的优势［1］。Tuckerman 等［2］在1981 年最早提出微通道的概念，之后微通道换热逐渐被人们熟知。由于微通道扁管具有微尺度强化传热效应［3-4］，与传统圆管翅片式换热器相比具有换热效率高、结构紧凑、质量轻、制冷剂充注量少、成本低、易于回收等明显优势［5-6］。微通道换热器的研发及应用是解决空调节能减排问题的一个有效途径。目前微通道换热器主要应用于空调行业，但是因为其在散热、结构和成本等方面的显著优势，逐渐作为电池组的液冷板应用于电动汽车行业。

国内外学者对微通道管的成形工艺进行了深入研究。Tang 等［7］通过力学试验、微观组织表征和有限元分析，对铝制微通道管，特别是内腹板的焊缝焊接区域进行了研究。Zou 等［8］对铝合金微通道管的辊弯成形过程进行了数值模拟。周宁［9］利用有限元显式算法对铝合金微通道管的辊弯成形进行了研究，分别利用宽幅板成形法中的全波成形法和顺序成形法设计了花形与辊形，发现全波成形法可以降低辊弯成形的弯角减薄量，并提高其承压性能。Lu等［10］采用大塑性变形双挤压法制备了高塑性微通道管。经过两次挤压后，晶粒尺寸大大减小至原尺寸的1/7，基体织构强度略有提高。

目前微通道管的成形工艺以铝合金热挤压为主。在采用高强钢作为电池组的箱体时，从连接工艺、回收利用等角度看，使用钢制液冷板成为一种较好的选择。因为钢的熔点远高于铝，无法采用制备铝微通道管普遍采用的热挤压工艺，本文尝试采用SUS304 不锈钢板作为材料，通过多道次辊弯成形的方法来制备微通道管。

1 不锈钢微通道管辊弯花形设计

本文所研究的微通道管为封闭状复杂截面，如图1 所示。其截面共有22 个辊弯成形角，针对此截面共设计了22 个辊弯成形道次。基于商用软件PROFIL 对所设计的微通道管进行辊弯花形设计，按照“Oehler”方法计算管材截面展开后的板料宽度。花形设计采用“倒推”方式，将辊弯角按照角度变形量均分的方法逐渐展开成平板。

根据微通道管截面的特点，将其辊弯截面划分为三个成形阶段，如图2 所示。第一阶段成形“几字形”波纹；第二阶段将“几字形”波纹向内翻折180°与中部板料上表面贴合，形成一半闭合的通道孔；第三阶段将半封闭通道进一步向内侧翻折180°，成形两侧半圆弧角，使半封闭通道与中部板料上表面贴合形成完全封闭的并联多孔通道。

第一阶段将平板辊弯成4 个“几字形”波纹、中间对称结构，单侧共有8 个弯角（角1～8），如图3 所示。为了保证每个道次直径尺寸相近，辊弯成形高度尽量保持较低水平，花形设计将每道次板料形状设定为水平，如图4 所示。第一阶段分5 个道次（1#～5#）顺序依次成形两个“几字形”波纹结构。

第二阶段将“几字形”波纹板向中间翻折成半封闭通道，单侧共有2 个弯角（角9 和角10），角9 为小内径弯角，如图5 所示。为了使“几字形”波纹板成形后紧贴中部板料上壁，角9 和角10 必须满足90°成形角，然而由于辊弯成形无法压到弯角内部，需要在中部板料做背弓处理，尽可能多的压到角9 和角10内部弯角处。第二阶段将分9 个道次（6#～14#）进行辊弯成形，如图6 所示。

第三阶段将通道进一步向中部翻折180°使管形封闭，该阶段主要成形两侧的半圆弧弯角11，如图7所示。该阶段采用角度均分的方法做花形设计，即每个成形道次弯曲22.5°，15#～22#道次花形如图8所示。

2 辊弯成形有限元模型的建立

本文采用板料为SUS304 不锈钢，板料厚度为0.22 mm，具体力学性能参数如表1 所示。所建立的微通道管辊弯成形有限元模型如图9 所示，22 对成形轧辊依次排布，成形底部中心位置设定在同一水平面上。钢板和轧辊均为对称结构，设定对称边界条件。实际生产过程中板料是贯穿整个生产线，但每部分板料都要至少经过两个道次轧辊的约束，仿真过程中板料长度过长会导致计算效率低，因此将板料长度设定为120 mm，能够同时通过两个成形道次。在成形过程中，轧辊变形量基本可忽略不计，主要是板料发生形变，所以将轧辊设置为解析刚体，板料为可变性体。实际成形中是轧辊转动，板料在摩擦力的作用下向前运动，微通道管辊弯成形道次较多，截面变形较复杂，为了提高计算效率，采用固定板料，轧辊反向平动的方式。

表1 SUS304 钢的材料力学性能

在辊弯成形过程中，钢板在宽度方向上各部分的变形量有所不同，板料中部区域几乎不变形，该部分按照常规尺寸进行网格划分，对于11 个弯角位置，需要进行网格细化。这样既可以提高仿真的准确性，又可以节省计算时间。第一阶段成形的“几字形”波纹部位的板料宽度方向划分的网格尺寸为0.04 mm。小内径辊弯角部分因为变形最大，宽度方向划分为0.02 mm。单管液冷板两侧圆弧角部分因为变形较小，宽度方向网格尺寸为0.14 mm。板料的长度方向网格尺寸为1 mm，板料厚度方向划分为5 层单元。单元类型采用三维八节点缩减积分实体单元（C3D8R），板料的网格尺寸如图10 所示。

由于管形、轧辊和辊弯工艺的对称性，本文对辊弯过程1/2 模型进行建模，在钢板的对称面添加对称约束。设置轧辊为解析刚体，板料固定，轧辊沿着成形反方向运动，成形速度大小为500 mm/s。板料的前端面施加成形方向移动固定约束。

辊弯成形过程中每道次钢板经过轧辊时接触体为上、下轧辊和板料，接触算法采用面-面接触，因为轧辊为解析刚体，所以将上、下轧辊表面设置为主面，与轧辊相接触的板料上下表面为从面。板料在第二阶段和第三阶段成形时“几字形”波纹将与板料贴合，因此需要建立板料自接触。轧辊与板料接触对的摩擦类型用罚函数来定义，摩擦系数设置为0.1，板带自接触摩擦系数为0.2。

有限元模型设定的具体参数如表2 所示。成形道次间距为100 mm，板料长度为120 mm，板料厚度为0.22 mm，对称一半板料宽度为26.5 mm，成形速度为500 mm/s。

表2 几何模型与成形参数

3 仿真结果分析

3.1 等效应力分析

最终成形的微通道管截面形状如图11 所示。其中角1～8 为“几字形”波纹弯角，角9 为小内径弯角，角11 为两侧圆弧弯角。选取不锈钢微通道管辊弯成形的第5，10，20 和22 道次，分别提取各道次板料截面的Mises 等效应力进行分析，如图12 所示。

从图12 可以看出微通道管辊弯成形板料的应力分布较为复杂。等效应力在“几字形”波纹弯角处、右侧圆弧弯角和小内径弯角处较大，其中小内径弯角处的等效应力最大，这部分应力均大于材料屈服极限，说明已经发生塑性变形。液冷板上下平板位置的等效应力较小，主要以弹性变形为主。

3.2 塑性应变分析

从仿真结果提取第5，10，20 和22 道次的截面塑性应变云图，如图13 所示。

从图13 中可以看出“几字形”波纹弯角、小内径弯角和两侧圆弧弯角这些应力较大的区域发生的塑性变形较大，其中小内径弯角的塑性变形最大。不锈钢微通道管最终截面的上下板料发生的塑性变形微乎其微，说明塑性应变的分布与上面提到的应力分布相一致。

最终不锈钢微通道管的对称截面有8 个“几字形”弯角，分别提取8 个“几字形”弯角外侧变形较大单元节点的塑性应变，如图14 所示。

从图14 中可以看出8 个弯角离板料中央越远的弯角塑性应变越小，弯角1 的塑性应变最大，弯角8的塑性应变最小。弯角1 和弯角2 在第一道次就成形出来，所以塑性应变最早发生较大的变化。因为前5 道次梯形孔采用顺序成形法，弯角7 和弯角8 都在第四道次成形出来，所以塑性应变在约400 mm处发生较大变化。从图中可以看出，8 个弯角在前5道次成形“几字形”波纹中发生较大塑性变形后，在之后的道次虽然也有塑性变形，但变形量非常小。最终仿真成形结果如图15 所示，从图中可看出最后“几字形”孔与底板的间隙较小，经测量5 个贴合间隙均小于0.1 mm，能够满足后续钎焊工艺要求。