1、板料成形數(shù)值模擬技術(shù)及其應(yīng)用,一 板料成形數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀 二 板料成形數(shù)值模擬的科研和工程實例,引言,板料成形是一種復(fù)雜的非線性力學(xué)過程，它包含： 幾何非線性問題 材料非線性問題 接觸非線性問題 用傳統(tǒng)的解析方法很難求解，且誤差較大，而近年來發(fā)展了用有限元法對板料成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的新技術(shù)。,一 板料成形數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀,1 板料成形接觸處理問題 2 摩擦處理 3 單元模型 4 拉延筋模型 5 材料模型 6 缺陷的研究 5 展望,1 塑性有限元理論 有限元方法通用性強(qiáng)： 可以預(yù)測復(fù)雜板料成形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布，成形過程所需要的載荷； 可以模擬成形過程中發(fā)生的起皺與破裂以及成形

2、后的回彈等； 可以比較準(zhǔn)確地分析各種工藝參數(shù)對成形過程的影響。,1.1 用于板料成形過程數(shù)值模擬的塑性有限元法可以分為： 彈塑性有限元法：在板料成形數(shù)值模擬中應(yīng)用最廣 剛塑性有限元法：可被用于板料脹形、深沖等成形過程，但在板料成形中的應(yīng)用是有限的 粘塑性有限元法：主要用于熱加工,1.2 根據(jù)對時間積分方法的不同，板料成形有限元算法可以分為： 靜力隱式、靜力顯式：是非條件穩(wěn)定的，在解決低速接觸問題中更有優(yōu)勢，而在解決復(fù)雜的二維模型時將會遇到較多難題 動力顯式：克服了隱式算法的缺點，不足之處在于解決像板料成形這樣的條件穩(wěn)定問題時必須盡量消除慣性力的影響,回彈是一個準(zhǔn)靜態(tài)問題，在板料成形中常常先用顯

3、式算法模擬成形階段，而后用隱式算法模擬回彈。 近年來出現(xiàn)了基于形變的理論和技術(shù)，不容忽視,2 板料成形接觸處理問題 2.1 要解決接觸問題首先必須對模具進(jìn)行描述，模具的一般表示方法有： 解析函數(shù)法：只能用來表示類似于圓筒件等簡單的模型 參數(shù)曲面法：能較準(zhǔn)確的表達(dá)模具曲面，但算法復(fù)雜效率低 網(wǎng)格法：一定程度上克服了以上兩者的缺點，為大多數(shù)研究者采用的方法,2.2 求解接觸問題常用的算法有： 拉格朗日乘子法：模擬出的結(jié)果更為準(zhǔn)確，但是計算效率較差，而且對于變形大的單元容易造成收斂困難 罰函數(shù)法：罰函數(shù)控制方程的階數(shù)和帶寬都小于拉格朗日乘子法，但是其因子的取值對計算結(jié)果的精度影響很大,3 摩擦處理

4、3.1 影響摩擦的一些參數(shù) 接觸壓力、滑動速度 鋼板和模具的材料特性、表面粗糙度 潤滑劑和同向變形 以及模具的幾何特性參數(shù),3.2 傳統(tǒng)的用于有限元模擬的摩擦力模型有兩種: 一是Amonton準(zhǔn)則，也就是庫侖準(zhǔn)則 ，q是正應(yīng)力; 另一個是固定摩擦(constant friction) ,k是剪應(yīng)力。 近年來有關(guān)數(shù)值模擬之摩擦模型的研究有所發(fā)展，但還有待進(jìn)一步深入。,4 拉延筋模型 至今為止，在板料成形中精確模擬拉延筋的影響還比較困難，通常的做法是將拉延筋復(fù)雜的幾何形狀抽象為一條能承受一定力的附著在模具表面的一條拉延筋線。,通常用兩種方法來處理拉延筋的作用: 將拉延筋對板料的作用簡化為一塑性流動

5、問題 用二維有限元根據(jù)拉延筋的大小和形狀模擬出拉延筋的承載能力;,5 展望 進(jìn)一步優(yōu)化時間積分方案能夠?qū)追N時間積分方案綜合起來運用，各取所長 繼續(xù)對摩擦行為進(jìn)行研究，建立更合適的接觸算法 優(yōu)化各種本構(gòu)關(guān)系，能夠?qū)⒊尚螛O限圖和有限元分析更好地結(jié)合起來。 將有限元模擬系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動控制等結(jié)合起來形成大的分析系統(tǒng)。,二 板料成形數(shù)值模擬的科研和工程實例,1 矩形盒成形過程中合理壓邊力的確定 2 汽車引擎蓋成形過程數(shù)值模擬 3 通過數(shù)值模擬研究彈性模量與 回彈的關(guān)系,1 矩形盒成形過程中合理壓邊力的確定,1.1 前處理： 利用UG或Pro/E繪制模具和毛坯曲面，轉(zhuǎn)化為IGES格式文件。然后將凸

6、模、凹模、壓邊圈及毛坯的IGES格式文件讀入DYNAFORM的前處理中,用UG建立的坯料CAD模型,1.2 網(wǎng)格化： 采用網(wǎng)格自適應(yīng)劃分，其中毛坯的網(wǎng)格最關(guān)鍵,1.3 定義工具及材料： 在本實驗中板料選用彈塑性材料模型，為厚向各向異性，選用材料庫中的材料模型36，Belytschko-Tsay殼單元。 材質(zhì)為st14鋼，板厚為1mm n0.2084， r=2.05，K446.02MPa，彈性模量E227.75GPa，泊松比0.28 沖頭、凹模和壓邊圈均視為剛性體 摩擦條件中，將接觸處的摩擦統(tǒng)一設(shè)置為：0.08。,1.4 模擬的后處理,整體壓邊圈恒定壓邊力（15KN），成形高度35mm：,整體壓

7、邊圈的變壓邊力：成形高度38mm,板料在凸模圓角處的減薄率增大了18.7，已經(jīng)進(jìn)入破裂危險區(qū)。,轉(zhuǎn)角部分最大塑性應(yīng)變已經(jīng)減小到0.661387,1.5 變壓邊力條件下試驗成形的試樣,變壓邊力曲線圖,成形試樣圖,1.6 結(jié)論,通過以上的數(shù)值模擬和試驗驗證，得出結(jié)論： 在變壓邊力的作用下能夠得到比恒定壓邊力下更好的成形效果 優(yōu)化后的變壓邊力與倒V型變壓邊力成形效果基本相同，都能得到成形極限較高的矩形盒。,2汽車引擎蓋成形過程數(shù)值模擬,2.1 前處理 在UG環(huán)境建立該零件的CAD模型，并將其轉(zhuǎn)化為IGES格式文件，從而在DYNAFORM前處理中導(dǎo)入。,前處理環(huán)境下導(dǎo)入的CAD模型,2.2 對模型進(jìn)行

8、網(wǎng)格化處理,網(wǎng)格化處理后的模擬圖,2.3 后處理分析,汽車引擎蓋厚度變化云圖,汽車引擎蓋成形極限云圖,法蘭起皺區(qū),安全區(qū),2.4 實踐生產(chǎn)得到的試樣,2.5 模擬與試樣的對比情況分析,通過在Dynaform環(huán)境下的數(shù)值模擬和實踐生產(chǎn)的試樣的對比，可知： 模擬得出在法蘭部分產(chǎn)生起皺，這與實際成形情況完全符合 模擬最后得到無破裂區(qū)，這也完全符合實際成形情況,3 通過數(shù)值模擬研究彈性模量與回彈的關(guān)系,3.1 前處理 建立建立板料彎曲成形的CAD模型，并導(dǎo)入到Dynaform前處理環(huán)境下，并進(jìn)行網(wǎng)格化處理。,網(wǎng)格化處理后的模型,坯料,凸模,凹模,設(shè)置坯料的材料參數(shù)，特別是計算材料成形的彈性模量E1,E1,3.2 定義回彈處理模型,通過有限元顯式算法，由成形階段得到成形結(jié)果，并將計算結(jié)果（dynain文件）導(dǎo)入到前處理環(huán)境下 設(shè)置回彈模型并采用有限元隱式算法進(jìn)行回彈計算，最后得到回彈后得材料模型,前處理的計算結(jié)果（dynain文件模型）,E2,進(jìn)行回彈計算所設(shè)置的材料模型參數(shù),3.3 回彈結(jié)果分析,在零件上取一條截面線以更清楚地表現(xiàn)回彈效果，如下圖所示。 在前處理中導(dǎo)入由不同E2