本研究由Buddhika Abeyrathna、Sadegh Ghanei、Bernard Rolfe、Richard Taube及Matthias Weiss等人完成，主要作者来自澳大利亚迪肯大学前沿材料研究所（Institute for Frontier Materials, Deakin University），合作单位包括迪肯大学工程学院（School of Engineering, Deakin University）及福特汽车澳大利亚有限公司（Ford Motor Company of Australia Ltd）。该论文于2021年10月14日在线发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》期刊第118卷上，属于先进制造技术领域的原创性研究。

在学术背景方面，汽车工业为降低白车身重量并减少温室气体排放，越来越多地采用先进高强钢（AHSS）和超高强钢（UHSS）。传统冷冲压在成形高强度钢时存在困难，热冲压成本较高且工艺复杂，而辊弯成形（roll forming）作为一种低成本工艺，已广泛用于汽车结构件的制造。常规辊弯成形过程中材料主要发生弯曲变形，适合成形延展性有限的材料，但该工艺局限于恒定截面长构件的制造。柔性辊弯成形（flexible roll forming, FRF）允许成形辊在空间中平移和旋转，从而成形截面宽度和深度沿构件长度变化的零件，可减少换模并降低成本。然而FRF中常见的形状缺陷包括腹板翘曲（web warping）、法兰起皱（flange wrinkling）、回弹（springback）和端部外张（end flare），这些缺陷随材料强度提高而加剧，制约了高强钢柔性辊弯成形的工业应用。本研究旨在利用新型FRF原型设备结合有限元分析（finite element analysis, FEA），理解高强钢汽车构件柔性辊弯成形中的起皱、回弹和端部外张行为，并提出基于过弯（overbending）和回弯（bending back）的补偿策略。

研究所用材料为DP600、DP1000双相钢和MS900马氏体钢，厚度均为2 mm。首先对三种板材进行了沿轧制方向的拉伸试验，获得真实应力-应变曲线并拟合Hollomon幂律方程，得到强度系数和应变硬化指数。研究构件为某汽车零件的对称半部分，其截面宽度沿长度方向变化，左右法兰临界区域的预切坯料半径分别为243.3 mm和318.9 mm，通过解析公式计算了理论纵向应变，左法兰主要承受拉伸变形，右法兰主要承受压缩变形。实验采用一台FRF原型设备，预切坯料被夹紧在上下模具之间，液压系统施加夹紧力，伺服电机驱动滑架带动模具和坯料往复通过一组成形辊，成形辊根据零件轮廓进行平移和旋转，分多道次逐渐成形法兰角度。针对左法兰和右法兰分别采用两种成形序列（forming sequence, FS）进行对比：FS1左法兰以20°、20°、10°的三道次成形至50°，右法兰以四个20°等角度增量的四道次成形至80°，顶帽（top hat）则统一以18°、8°、8°、8°、8°的五道次成形；FS2左法兰以20°、30°的两道次成形，右法兰以20°、30°、30°的三道次成形，顶帽仍为五道次。FS1代表较多道次和较小角度增量的平缓成形方式，FS2则代表较少道次和较大角度增量的剧烈成形方式。成形后使用HandySCAN 3D扫描成形件外表面，通过Geomagic Qualify软件在法兰边缘内侧2 mm处截取截面，以理想形状为基准计算平均绝对误差（mean absolute error, MAE）以定量评估右法兰边缘起皱程度。为测量法兰纵向应变，在坯料表面刻蚀2 mm×2 mm网格，在左法兰50°成形后仍夹持在模具中的状态下，使用AutoGrid紧凑型应变测量系统（digital image correlation, DIC）沿法兰边缘内侧2 mm的路径测量真实主应变，每种材料测试两个试样。回弹的评估针对成形角α、β、θ三个角度，在距零件前端s1截面和中心s2截面分别测量成形后角度，回弹角定义为理想角度与实际角度之差，端部外张角定义为s1截面与s2截面的回弹角之差。随后基于测得的回弹角以试错法确定过弯角度，在最后一次成形道次中加入过弯工序，并在顶帽成形中增加一步回弯工序，然后用相同方法测量最终回弹和端部外张。有限元模拟采用商业软件COPRA FEA RF进行隐式求解，坯料和夹具固定，成形辊相对坯料移动。成形辊和夹具设为刚体，坯料采用六面体全积分七号单元离散，弯曲区域网格细化且在厚度方向设置两层单元，接触假设无摩擦。模型利用对称性仅建立半模型，并施加x方向、y方向和z方向的位移约束，材料塑性行为由真实应力-应变曲线结合各向同性硬化和von Mises屈服准则定义。模拟结果同样通过Geomagic Qualify评价成形形状，且在左法兰边缘底部表面取节点路径评估纵向塑性应变，在右法兰临界区域取节点分析纵向应力演变。

实验和数值模拟结果分为起皱、材料变形、回弹与端部外张以及补偿四个方面。在起皱方面，FEA对FS1和FS2两种成形序列下右法兰最终弯曲80°后的边缘变形均给出了与实验良好吻合的预测，但FEA对FS2的起皱幅值预测较准，对FS1则略有低估，偏差可能与实验中成形辊与上模之间间隙大于板厚导致的工具挠度有关。实验中起皱在第二道次出现，FS1对应成形角40°，FS2对应成形角50°。最终弯曲至80°时，FS2的起皱严重程度高于FS1，且FS2下起皱随材料强度升高明显加剧，而FS1下材料强度仅引起轻微差异。在法兰材料变形方面，左法兰50°成形时纵向残余应变沿弧长分布在约135 mm弧长处达到最大值，三种材料及两种成形序列之间的峰值应变没有显著差异，实验结果的离散性主要来自AutoGrid在低应变区的测量精度限制。FEA预测的峰值应变略高于实验值，但总体趋势表明材料性能和成形序列对永久纵向应变水平影响不大。依据解析公式得出的理论纵向应变为0.12，但实测和FEA均显示实际永久拉伸应变低于理论值的50%。在回弹与端部外张方面，FS1条件下DP1000的回弹最大，DP600最小，这与材料屈服强度和流动应力水平一致；顶帽成形后的回弹最严重，原因在于成形过程中法兰缺乏支撑导致弯曲角θ未能完全成形。端部外张分析显示，左法兰前端s1截面的回弹小于中心s2截面，材料向外张开，而右法兰趋势相反，材料向内收缩。在补偿方面，根据测得的最大回弹角确定了各材料的过弯角度，DP600在α、β、θ三个角度的过弯角分别为3°、3°、9°，DP1000为7°、7°、16°，MS900为5°、5°、15°。过弯和回弯工序将法兰和顶帽的回弹显著减小至±1°以内，同时左、右法兰的端部外张也基本得到消除。

在讨论部分，研究者进一步分析了材料强度和成形序列对起皱倾向的影响。以右法兰边缘临界区域的节点应力演变为例，FEA模拟显示当成形辊通过该节点时，法兰边缘先后经历凹向上、凸向下和反向凸起的变形路径，因此产生先压缩、再拉伸、再压缩的纵向应力波动。通过对比纵向压缩应力与按板壳屈曲理论计算的临界起皱应力，发现DP600在第一道次20°时压缩应力为595 MPa，DP1000为1009 MPa，MS900为1078 MPa，压缩应力与临界屈曲应力的比值分别为0.50、0.85和0.91，说明MS900最先接近临界状态，之后依次为DP1000和DP600，与实验中起皱严重程度随材料强度提高而增加的趋势一致。然而，在第二道次中DP1000和MS900于FS2条件下超过临界应力，在FS1条件下未超过临界应力却仍然出现起皱，且DP600的实际压缩应力始终低于理论临界值。研究者因此认为实际临界起皱应力低于经典板壳屈曲理论的预测，原因可能与法兰边缘进入成形辊时存在预弯曲引起的弯矩效应以及辊弯成形中法兰并非平直板状态有关。这种弯矩效应降低了临界纵向压缩应力，使起皱更易发生。关于端部外张的成因，左法兰拉伸区的实际伸长仅为理论所需值的约50%，导致法兰边缘长度不足约6.2 mm，使前端直线区域被向后拉动并向外偏移，形成外张；右法兰压缩区因起皱导致的缩短随材料强度增加而加重，使法兰向内收拢的程度也随之增大。这两个机制解释了左法兰所有材料端部外张程度相近，而右法兰高强钢端部外张更显著的现象。

本研究的结论是：柔性辊弯成形能够制造高强度汽车构件，首次实验验证了DP1000和MS900钢的FRF成形；高强钢FRF的主要限制之一为法兰过量起皱，起皱程度随材料强度增加而增大，但可通过增加成形道次、减小单道次弯曲增量来有效降低；提高材料强度会增加法兰压缩应力并更早达到临界起皱应力，进而加重起皱；所有材料在理论临界应力以下就发生起皱，表明实际起皱极限应力受弯矩效应降低；左、右法兰端部外张的成因分别为拉伸不足和起皱缩短；采用过弯与回弯相结合的补偿方法可以将回弹和端部外张缺陷基本控制在±1°以内，但顶帽成形缺乏法兰支撑的问题需通过改进辊系设计改善。在科学和工程价值方面，本文揭示了FRF中起皱、回弹和端部外张的形成机理与材料强度和成形序列之间的关系，提出了基于临界起皱应力修正的解释框架，并为高强钢柔性辊弯成形的工艺设计提供了实验依据和有效补偿策略，对汽车轻量化构件的柔性制造具有较直接的工程参考意义。研究亮点在于首次在FRF原型机上实验成形DP1000和MS900汽车零件，系统比较了两种成形序列的作用，并将DIC测量、3D扫描和FEA方法相结合，提出了过弯加回弯的工艺补偿方案。