（机械制造及其自动化专业论文）u形件弯曲回弹的数值模拟及预测与优化控制.pdf

赵叶锋：u 形件弯曲回弹的数值模拟及预测与优化控制 摘要 弯曲是成形工序中最为普遍的成形方法之一，应用相当广泛，在冲压成形中 占有很大比例，在汽车冲压件中就有许多零件主要是通过弯曲成形得到的，如纵 梁、横梁、内外板等。板料弯曲成形后由于弹性回复和残余应力的作用不可避免 地会产生回弹现象，回弹量的大小直接影响着零件的成形质量，以及后续的装配。 经过十多年的研究和发展，目前回弹的预测、测量、控制及补偿的研究都还只是 处于初级水平。因此，研究如何在设计模具前准确掌握回弹的规律及大小、如何 确定模具的结构、如何选取成形过程中的冲压参数等问题对实际生产过程中减小 和控制板料冲压成形中的回弹具有重要的指导意义。本文将数值模拟技术、正交 试验方法、人工神经网络和最优化技术综合应用于u 形件弯曲回弹的预测、优化 和控制中，为实际生产中解决回弹问题、提高零件成形质量、缩短新产品开发周 期提出了新思路。 本文的研究工作主要有以下几个方面： 对板料冲压成形过程和回弹数值模拟中的关键技术进行了研究，如：有限元 算法、单元类型和网格划分技术、单元公式的选择、接触处理和摩擦模型、材料 模型和回弹模拟方法。此外，还对回弹数值模拟的建模步骤和方法进行了介绍。 对弯曲变形过程和回弹迸行了细致地讨论和研究。通过u 形件弯曲回弹的数 值模拟试验，研究了冲压成形参数( 如：摩擦系数、压边力、扳料厚度、模具间 隙等) 对回弹的影响，并且通过正交试验方法研究了板料厚度、模具间隙、压边 力及其两两交互作用对u 形件弯曲回弹的影响规律和显著性，根据研究结果对影 响u 形件弯曲回弹的主要因素进行了优化。 在u 形件弯曲回弹数值模拟试验的基础上，利用b p 神经网络建立了u 形件 弯曲回弹和板料厚度的预测模型，并根据神经网络算法拟合了模具间隙、压边力 与回弹、板料厚度之间的非线性关系。 综合运用数值模拟试验、人工神经网络技术和最优化设计，对u 形件弯曲刚 i i扬翔大学硬圭学使论文 撵豹我亿爨控铡方法进行了初步搽谤帮磴究。奁u 形转弯篷疆弹磷究静基磁土， 通过u 膨件车身碰撞簸零件的生产试验对碰撞盒零件的冲压嘲弹进行了优化。 对u 形件弯曲回弹问题的研究不仅可以解决类u 形件( 如车身碰撞盒零件) 弯霾曩回弹戆润题，悉纛可鞋为冀它复杂零传等 懿汽车覆盏律中静浅拉滚传) 懿 回弹问题提供分析和解决的方法。 关键调；u 形箨，鼙撵，数镶模按，榜经阚络，後铯，控裁 赵叶锋：u 形件弯曲回弹的数值模拟及预测与优化控制 i i i a b s t r a c t b e n d i n g ，w h i c hp o s s e s s e sag r e a tp r o p o r t i o ni ns h e e tm e t a lf o r m i n g ，i so n eo ft h e m o s tp r e v a l e n tf o r m i n gm e t h o d s a m o n gs t a m p i n gp a r t so fa u t o m o b i l e sa1 0 to f p a r t s a r e m a i n l yp r o d u c e db yb e n d i n g ，f o ri n s t a n c e ，c a r l i n e s ，c r o s sr a l l sa n di n n e r o u t e rp l a t e s e t c s p r i n g b a c ki st h ei n e v i t a b l ep h e n o m e n o nc a u s e db ye l a s t i cr e c o v e r ya n dr e s i d u a l s t r e s sa f t e rs h e e tm e t a lb e n d i n gf o r m i n g ，a n di ti n f l u e n c e st h ef o r m i n g q u a l i t ya n dl a t t e r a s s e m b l yo f p a r t t h r o u g hm o r e t h a nt e n y e a r s r e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n t ，t h ec u r r e n t r e s e a r c h e so n s p r i n g b a c kp r e d i c t i o n ，m e a s u r e ，c o n t r o l a n dc o m p e n s a t i o na r eo na p r i m a r yl e v e l s oi ti ss i g n i f i c a n tt oi n v e s t i g a t eh o w t of i n ds p r i n g b a c kl a w sa n dv a l u e s o u ta c c u r a t e l y , a n dh o wt od e t e r m i n et h es t r u c t u r eo fd i e sa n ds e l e c tt h es t u m p i n g f o r m i n gp a r a m e t e r sa n ds oo nb e f o r ed e s i g n i n gm o u l d s 。w h i c hc a l lr e d u c ea n dc o n t r o l s p r i n g b a c ki ns h e e tm e t a ls t a m p i n gp r o c e s s e s t h ec o m b i n a t i o no f n u m e r i c a is i m u l a t i o n ， o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o d ，a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) a n do p t i m u m t e c h n o l o g yi sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h es p r i n g b a e kp r e d i c t i o n ，o p t i m i z a t i o na n dc o n t r o l o f u - s h a p e dp a r tb e n d i n gi nt h i sp a p e r , w h i c hc a np r o v i d ean e w m e t h o dt os o l v et h e s p r i n g b a c kp r o b l e m ，t oi m p r o v et h es h a p eq u a l i t yo ft h ep a r t sa n dt os h o r t e nt h e d e v e l o p m e n tp e r i o d i np r a c t i c a l p r o d u c t i o n t h em a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： k e yt e c h n i q u e so fs h e e tm e t a lf o r m i n ga n ds p r i n g b a c ks i m u l a t i o na r ee x p o u n d e d s u c ha sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，e l e m e n tt y p ea n dm e s h g e n e r a t i o nm e t h o d ，s e l e c t i o no f e l e m e n tf o r m u l a , c o n t a c ta l g o r i t h ma n df r i c t i o nm o d e l ，m a t e d a lm o d e l ，s p d n g b a c k s i m u l a t i o nm e t h o d f u r t h e r m o r e ，t l l e m o d e l i n ga p p r o a c ho fs p r i n g b a c kn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sp r e s e n t e d t h ed e f o r m a t i o np r o c e s sa n ds p r i n g b a c ko f b e n d i n ga r ed i s c u s s e d as e r i e so f s p r i n g b a c kn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fu - s h a p e dp a r ta r ec a r r i e do u t ，t h e f a c t o r si n f l u e n c i n gs h e e ts p r i n g b a c ka r ea n a l y z e di nt i l i s p a p e r , w h i c hi n c l u d ef h c t i o n c o e f f i c i e n t ，b i n d e rf o r c e ，s h e e tt h i c k n e s sa n dd i eg a pe t c a n dt h e n ，t h ei n f l u e n c ea n d n o t a b i l i t yo f b l a n kt h i c k n e s s ，d i eg a p ，b i n d e rf o r c ea n dt h e i rt w o f a c t o ri n t e r a c t i o no n b e n d i n gs p r i n g b a c ko fu - s h a p e dp a r ta r es t u d i e db yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n m e t h o d a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i sr e s u l t so f t h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d ， t h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gb e n d i n gs p r i n g b a c k o f u - s h a p e dp a r ta r eo p t i m i z e d b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t so fu s h a p e dp a r tb e n d i n g ，t h e p r e d i c t i o nm o d e lo fb e n d i n gs p r i n g b a c ka n db l a n kt h i c k n e s so fu s h a p e d p a r t i s e s t a b l i s h e db y u s i n gb p n e u r a ln e t w o r k t e c h n o l o g y , t h en o n l i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nd i e g a p ，b i n d e rf o r c ea n ds p r i n g b a c k ，b l a n kt h i c k n e s si sf i t t e d a p p l i e ds y n t h e t i c a l l yn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，a n na n d o p t i m u m t e c h n o l o g y , t h es p r i n g b a c ko p t i m i z a t i o na n dc o n w o lm e t h o do fu s h a p e d p a r t i s v 扬州大学硕士学位论文 e x p l o r e de l e m e n t a r i l y b a s e do nt h es t u d yo fb e n d i n gs p r i n g b a c ko fu s h a p e dp a r t ， s p r i n g b a c ko p t i m i z a t i o no fu s h a p e dc r a s h b o xo fv e h i c l eb o a yp a n e l si np r o d u c t e x p e r i m e n t s i sr e s e a r c h e d n es t u d yo nb e n d i n gs p r i n g b a c ko fu - s h a p e dp a r tc a d _ n o t o n l y s o l v et h e s p f i n g b a c kp r o b l e ml i k eu s h a p e dp a r t s ，b u ta l s op r o v i d ea n a l y z i n ga n ds o l v i n g m e t h o d st os p r i n g b a c k o f c o m p l i c a t e dp a r t ss u c h a sa u t o m o t i v e p a n e l s k e yw o r d s ：u - s h a p e dp a r t , s p r i n g b a c k ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n n ，o p t i m i z a t i o n ， c o n t r o l 熬盱锋：u 澎幸 弯煞霞辫懿数毽模掇及颟溺与优纯控懿 第一章绪论 1 1 本课题研究的背最 援辩转暴藏澎是一静嚣鬻耋要兹裁逡按零，峦予其荚有耱秘嚣麓率亵、产赫 精度稳定、大规模生产成本低、生产效率高等优点，程汽车、航空、电器等工般 中得到了广泛的应用。板料的冲压成形农汽车制造中她为重要，据统计，汽车上 蠢6 0 7 0 瓣零箨是疆洚怨工艺生产滋寐静【越，汽率狰压 孛菇形矮囊静好嚣不织 影响到整车的装配和汽车的外观，而且对汽车楔具的设计宿8 造、铕造成本和新举 趔的开发周期都会产生非常大的影响。粥此有入说，汽车技术的觉争就是板料冲 疆成形按零鹣竞争强。 在薄板冲臌成形工艺中，包含多种艇杂的物理现簸。如接触碰撞现象、摩擦 縻损现象、大位移、大转动、大变形现敷、弹塑性交形现象，成形过程涉及了几 鹰菲线霞、物溪 线往霹逡器菲线经等闷鬈，霆琵缀溪穰确建立或形过程静诗繁 摸型。这种复杂性使得对冲压成形过程的设计和控制楚得非常困难，因此往往会 产生许多成形缺陷，而且雉以纠正。起皱、破裂和圜弹就是薄板冲难成形中的三 耱主要残形缺陷，箕孛圈嚣矮滩控翻，闲菇涉爱蜀霹黧弹量静准确溪瓣，嚣量不 同材料和不同形状的冲压件的回弹规律麓别很大。 在板料冲压成形中，成澎后的回弹黧影酶着冲压转的最终形状，当回弹量越 过亢许范蘑，赣簸为纛黪缺陷，遥弹滔麓豹存在会雾鹇i 串压箨酶形状尺寸精度移 表筒质量，以及后续的装配簿工序。随潜轿车装配质擞要求的目娥提高，综合装 黼误差必须被严格控制在较小的范基内。毽内许多汽车公司开展了瓣谓的“2 m m ” 蟊陛( 综台装辩误差控耩在2 m m 戬蠹) ，这无疑缮热了怼渖压俸成形精度静要求。 近年来，出于安全性、经济性和环保的考虑，车澍轻量化逐渐成为汽车( 特 剐楚轿车) 工业发展的趋势之一，赢强嶷薄钢板与镪合佥薄扳在汽车车身制造中 褥到了大量应餍| 3 4 j 。盘予汽车翻造中大爨采用轻量纯、高强度毒才糕，使车重大大 下降，从而降低了燃油的消耗和废气的排放，污染也相应下降。有资料表明：使 扬州大学硕士学位论文 用高强度钢板，车身零件板厚由原来的1 0 1 2 m m 减薄到0 7 0 8 m m ，车身重量 减轻了1 5 2 0 ，可节约汽油1 8 1 5 蟛“。1 9 9 9 年法兰克福车展上，奥迪公 司展示了一辆全铝框架的轿车奥迪a 2 ，a 2 的铝车身比传统钢制车身轻了4 3 ，有效地降低了汽车的油耗f 7 1 。然而，高强度钢板和铝合金的材料性能和普通低 碳钢有很大差异，导致这两类材料在汽车冲压件成形中产生了更大的回弹量，使 回弹问题更加突出。 如今，回弹不仅是工业生产中的一个实际问题，也是学术界长期以来一直关 注的热点问题和迫切需要解决的挑战性问题之一。有限元数值模拟技术的引入， 为推动回弹问题的解决提供了有利的工具。为了促进板料冲压成形的研究和应用， 国际上发起了定期召开板料成形三维数值模拟国际会议n u m i s h e e t ( i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f 3 一ds h e e t f o r m i n g p r o c e s s ) ，迄今已召开了 五届。表l l 是各届会议上有关轿车冲压件回弹的相关研究。由此可以看出，在汽 车冲压件生产中回弹问题的重要性。 表1 - 1 轿车冲压件回弹的相关研究 | 时间会议名称研究对象 研究内容 i 1 9 9 3n u m i s h e e t ，9 3u 形件 回弹预测 1 9 9 6n u 虹s h e e t 9 6 s 形粱回弹预测 1 9 9 9n u m i s h e e t 9 9 a u d i 轿车前门外板多步成形与回弹 2 0 0 2n u m i s h e e t 0 2u 形件 接触与回弹 1 2 课题的提出及意义 u 形件是一种典型的冲压件，其回弹问题在冲压件回弹中具有很强的代表性， 并且当采用高强度薄板或铝合金薄板成形时，回弹变形榴对较大。在汽车冲压件 中有许多类u 形件，主要包括：左右前纵梁、外横梁、前地板左右横梁、右后纵 梁、左，右中立柱外板、左右中立柱内板等。由于这类冲压件的外形尺寸通常较大， 又称为大弯曲件。这一类零件具有以下共同特征：材料厚度比较薄；成形后的长 宽比大；长度方向为开口件；表面质量要求较高。由于其主要变形方式是弯曲变 形，虽然也受其它变形方式的影响，但成形过程中出现的质量问题主要是由弯曲 变形及回弹变形较大引起的，其主要原因是直壁部分切向应力分布的不均匀。 赵盱锋：u 澎僚弯螽回弹戆鼗蕊模懿及鞭灏每往拖控嗣 因此，本文以铝合金薄板的u 形件弯曲回弹作为研究对象。本文研究的u 形 譬弯崮变形爨带有拉 孛且瓣翅静拉弯戏影，在弯鞠过毽中壹壁部分经历了复杂瓣 驽曲和拉伸变形。弯盐时，叛料内区受压，外区受披，在这基础上加以切向拉力， 其结果是：对原来受拉的外隧而言，无疑是继续加裁；对于原来受压的内区而畜， 囊受压转交梵受控，鄹要经避一个蠲载移反蠢燕载熬过程。因此，楚令u 形馋豹 弯曲过程眈自e 臼弯曲复杂褥多。本文将通过数值模拙试验研究板料冲压成形中冲 压成形参数等对u 形件弯曲回弹的影响，并采用神缎网络技术和娥优化技术对u 形传豹弯蘧嚣辩进孬硬铡秘饶纯挖毒l ，弗将其瘟建舞u 影擎赛磁撩鑫零搏懿嚣撵 问题中。研究简单u 形件的弯曲回弹阔牒对提高汽率冲压件成形的制造精度、减 少模具设计制造的成本、缩短新产品的开发周期等具有重要的工穰实际意义。 3 国蠹羚阉弹獗究臻默综述 半个多世纪以来，国内外学者对回弹问题进行了深入的研究嗣探讨，并取褥 了丰硕的成果。其研究方肉大致可分为三个方面：一是理论研究，主要是根据翅 枣攀缝论对典鼙鹣成形工艺袋零传建立经过遗当麓纯酶力学模鍪，鬻解辑方法或数 慎方法获得解答，以研究和揭示成形过程中回弹现象的本质；二魁有限元数值模 拟；三是实验研究及回弹的工程控铡。避十年寒，冒内煞学者对掉魅成形中回弹 闻避静骚究秘所取得的藏栗可班鳍缡为黻下凡个方露： 1 解析法 鳗弹研究姻早期工作主凝揭限于基予解橱法对简单零锌纯弯越域拉弯戒形鹃 隧弹遴幸亍分析，通过理论研究建立了一魏攒述帮预测零律回弹的数学模壅。h i l l ( 1 9 5 0 ) 提出了平面应变下弹塑性弯曲的基本理论，推导了纯弯曲条件下不考虑 蒯辩硬化的完念解，著指豳中性层在弯瑾| i 过程中会发黛移动。l e ud a w k w e i n 撮 漱了一种考虑缀瓣厚商凳僚系数r 、硬化臻数n 静薄板缝弯蓝力学模麓，孀于评价 阐弹、弯曲性和最大弯矩。e 1 d o m i a t y , a a 等【9 】提出了u 形截面粱的拉弯过程的 数学模型，该模型可以通过粱横裁面几何影状、材料特性等参数预溅板料的应力、 应变、回弹和残余应力。秦恚国等 强 聿旨出了现有醋弹理论静近似德，分析了回弹 中威力应变关系，提出了用材料力学中的单位力法求网弹的新理论。李欧卿和粱 4扬州大学硕士学位论文 庆伟等人i l l j 利用成形过程中弯曲区域的平面应变和恒定厚度假设，根据v o n m i s e 屈服准则，建立了弹塑性材料线性硬化条件下板金弯曲成形的回弹计算模型，导 出了纯弯曲条件下板金件的最小弯曲半径计算公式。 从板料的外部受力状态和加载方式来看，弯曲过程可分为纯弯曲、拉伸弯曲、 循环弯曲等几种典型情况。拉伸弯曲是弯曲成形中较为复杂的情况，余同希 1 2 1 对 轴力较小( 小于弹性极限) 的拉伸弯曲及其回弹问题进行了研究。e i d o m i a t y , a a 等【”】对轴力在较大范围( 达到颈缩点) 的拉伸弯曲及其回弹进行了研究，揭示了 拉伸变形对回弹的抑制作用。p o u r b o g h r a t 等 1 4 1 针对拉伸弯曲问题讨论了板在弯曲 一拉伸一展平过程中截面应力变化情况及卸载的回弹情况。k u w a b a r a 等【1 别对更复 杂加载方式下的弯曲回弹问题进行了研究，比较了弯陷一拉伸、弯曲拉伸( s b ) 同时进行、s b 一再拉伸、s b 一卸载一再拉伸，四种加载方式下固弹的变化情况， 理论计算和试验结果均表明s b 一再拉伸方式下的回弹量最小。 从上述学者的研究来看，解析法比较适合求解二维简单冲压件的成形回弹问 题，已建立许多力学模型，取得了大量研究成果，并在工业乔得到了应用 1 6 - 2 5 。 但是解析法对复杂三维冲压件的成形和回弹问题仍然无法处理。 2 实验法 人们曾大量采用实验方法，试图以经验公式弥补解析法的不足。回弹实验研 究的主要目的有两个：一是为了校验解析法或数值计算时各种假设后所得到结果 的准确性；二是可以直接获得实际结构在真实条件下回弹前后的有用数据，进而 整理成为经验公式或图表，为设计和生产提供参考。通过系统的实验研究，现在 已经基本了解了各种因素影响回弹的一般趋势口6 】。在实际使用中，实验得到的 经验公式不仅受实验条件的影响，还与实验数据的处理方法、经验公式的应用条 件等许多因素有关，且经验公式只适用于与实际情况相接近的生产过程，通过实 验法来研究回弹代价也相当昂贵。 3 有限元数值模拟方法 随着计算机和有限元方法的发展，有限元数值模拟技术得到了飞速的发展。 目前有限元程序已经能够比较精确地预测薄板成形中主要与成形过程应变有关的 赵盱锋：u 形捧弯蓥霞粪黪数镶搂掇及蘸浏与往纯控裁 超皱和破裂现貔，但是对于与成形时应力场有关的回弹，预测精魔仍不能令人满 意。为此，圈斑外学者剩攘数值模拟技术从各个方露对申涯戏形中的邂弹进行了 大鬟研究。檬掇显式、隐式宥限元程序瀚特点，m j f i n n 等f 蚓采震动一静态联合 算法模拟了轿牟前翼子板成形时的回弹过程，为求解大型复杂薄板成形回弹问题 提供了一静篱镬有效豹方浚。n a r k e e r a nn a f a s i m h 寰珏罄f 3 1 】运弼显式秽爨式算法褪缕 合的方法提高了回弹预测的精度。张立力等f 3 2 】采用两种算法静混会研究了数值模 拟参数和工兹参数对板材成形回弹的影响。孟会林等口3 l n j 霜a n s y s l s d y n a 非线 生 动力毒限元稳黟豹显式一鹣裴连续求辫磅麓，模拟了援辩残形过程鸯鳝鼗嚣援黼 阐弹变形的全过程。 z t z h a n g 簿【圳指出除了材料特性、模具几何形状、摩擦条俘乏外。影响回弹 诗冀戆痤力与残余疰力缝暴靛重要嚣豢褰：全量理论秘增量理论；弯熬、复弯熊、 再弯曲；材料硬化模型；阐弹计算方法。h u a n gy o u 蝣f 3 5 l 耐用脊徽元模拟方法， 研究了冲压工糍参数，如摩擦系数、凹横髑角半径、模其闻隙等对u 形件卸载后嫩 终彩、捩懿影豌，模数结果表夔：这登诤藤王艺参数对滩蘧舞最终形状魏影穗豢大， 减小摩擦系数、增大凹模圆角和模具间隙嘲弹现象加蒯。骗l k 盼猕a t 锋1 3 6 】利用胄限 元分析研究了不同铝材料、不同厚度对垮曲和回弹骜的影响。李鬻潜 3 7 1 等人研究 5 v 影霆交弯麴麓雾模羧孛材凝疆纯模式瓣嚣撵貘熬壤魔熬影羲。枣实上影璃嚣辩 计算精度的因索还有很多，如压边力、挝延筋、接触麟擦模型等镣，这些因素也 飓阐弹数值模拟研究的重点瞄2 j 8 删。 尽管毒 究襞翻开发了很多有袋元算法寒模攘薮辩残澎及荬嚣撵避程，毽嚣撵 预测的精度仍肖待于迸一步提高f 4 5 啦】。d o n g w o o np a r k 簿c 4 5 1 提出了种新的能够 精确描述复杂弯曲变形的壳单元，以此慕提高回弹仿冀驹糖度和效率。e y o s h i d a 蕊转q 麓7 撬蹇麓弹嚣颈溺耪浚，撵窭了一个大盛变、缀嚣麓载戆本擒模鳌。蔡中 义铎【47 】给出了鸯瞳材成形加裁过程、卸载过程数值模拟的静力隐式有限元方法，并 采用隐式算法遴行应力积分及接触压力计算，回弹计冀的结果也具肖较高的精度。 忿昴，每3 年一次嚣叛籽箴影鼗筐穰羧潼酥会议( n u m i s h e e t ) 都恕酉弹俸 为煎要议题来研究，女i n u m i s h e e t 9 3 绘出了u 形件拉深回弹分析考题，n u m i s h 6扬州大学硕士学位论文 e e t 9 6 把s 形导轨作为了回弹研究的对象，n u m i s h e e t 9 9 贝1 j 把更为复杂的a u d i 轿车车门作为多工步成形回弹分析的考题。还有许多学者对不同考题、从不同角 度进行了成形和回弹的研究 5 3 - 6 1 】。 从上述研究也可以看出，数值模拟技术在板料冲压成形中的广泛应用，大大 推动了回弹问题的研究和发展，为回弹问题的解决提供了有益的帮助。 4 回弹的预测和优化控制 回弹变形的准确预测是有效控制回弹的前提，为此，许多学者对板料冲压成 形中回弹的预测做了大量深入的研究 5 3 , 5 8 , 6 2 4 。】。f p o u r b o g h r a t 等【6 羽提出一种基于膜 单元、能够对二维弯曲回弹进行快速预测的模型。m s a m t m l 6 3 据出了平面应交下 有效预测u 形件弯盐回弹和直壁翘曲的方法，同时还研究了模具形状和压边力对回 弹的影响。汪晨等【5 8 琊a m a r c 3 0 平台建立了计算板料回弹钓系镜，预测的回弹结 果与实验结果比较一致。刁法玺等【6 6 l 通过v 形件弯曲过程的模拟，验证了开发的动 力显式算法有限元分析程序d e s s f o r m 3 d 能够实现对回弹准确的预测。 近些年，人工神经网络作为一种重要的智能技术正走向成熟，已经能够与其 它技术相结合以解决扳料成形智能化中的参数识别、非线性映射、参数设计及实 时控制等一些关键性问题。张彬等 6 7 】将人工智能技术和控形数字仿真技术有机结 合，建立了拉形回弹预测的人工神经网络模型。陆国民等嘲】对车身上u 形碰撞盒的 冲压成形进行了数值模拟和分析，并基于b p 神经网络对回弹的预测方法进行了研 究。m i n a m d a r 等 6 9 1 利用神经网络对v 形件弯曲中的回弹和冲压行程进行了预测。 黄智等 7 0 】提出利用自适应模糊神经网络( a n f i s ) 对非线性问题的良好逼近能力， 采用基于有限元方法获得训练样本，经训练后得到具有回弹预测能力的a n f i s 模 型，并通过实验验证了该方法的有效性。 此外，许多专家和学者从不同角度、以不同方法对板料成形中回弹闯题的优 化控制进行了探讨和研究。l c z h a n g 等 。7 2 】研究了用刚性凸模和弹性凹模成形的方 法，证明可以实现无回弹冲压成形。y h m o o n 等【7 3 】通过实验证明：利用热凹模和 冷凸模成形较常温下的弯曲成形减少7 2 0 的回弹量。i - n a n c h o u t 7 4 1 等采用有限元 方法和优化分析相结合的方法找到了减小回弹的最优成形参数。刘罡等基于数 赵时锋：u 形律弯篷酲弹瓣数毽模按及预测与饶耗控甏 值模拟和正交试验对仪表极支架提出了种变压边力优化设计方法，以抑制冲压 磐强弹变形、捷嵩液影耱痿。棼惠钦等f 7 翻将_ 芷交试验设诗方洼鄹蠢羧元软件秘缝 合，对u 形件成形过程中的变压边力形式进行了优化设计。h a r i b a r a s u d h a l l p a l a n i s w a m y 锌 7 7 1 利用数值模拟技术和优化方法实现了通过板料尺寸优化来减小 麓释戆技术。 5 u 形件弯曲回弹的研究 u 形件作为一种简单的、典型的弯曲件，在弯曲网弹的研究中威用颇为广泛 7 8 8 2 。潦簿附遴建谑宾诗雾瓣方法系统嫩磅竞了弯鏊藤率半径、黪擦系数囊压边 力等因素对冲服件回弹的影响。夏华等人f 7 9 l 从引起弯曲回弹的有关因素入手，撼 融了控制回弹的措施和相成的模具结构及其参数。m s a m u e l 6 引叙述了一种平面成 交下拉秘、弯囊錾变影鼓鞭溅溪辫露壹壁卷戆戆方法，莠磅究了模其足嚣澎获霜疆 遗力对回弹的影响。w l x u 等f 8 1 以n u m i s h e e t 9 3 中的u 形件为研究对象，研究 了阻尼系数、网格尺寸、冲压速度等因綮对回弹精度和计算效率的影响。 。4 本文磷究酶主要离器 本文研究的主要内容包括以下几个方面： 系统阐述援料冲压成形过程和飘弹数值模拟的笑键技术，介绍回弹数值模 援建模静步骤秘方法； 对弯曲的变形过程羊玎回弹进行系统地分析；利用数值模拟技术研究u 形 件弯越成形中不同冲压成形参数辩回弹的影响；通过正交试验设计方法考 察板耩厚度、模暴阀除、压透力及箕两两交甄作用辩回弹的影响程度，找 出最优的试验条件； 穆人工襻经网络技术秘数值模拟技术摆结合，建立u 形传鸾造嚣弹和投 料厚度预测的神缀嘲络模型，并羧合模其闻黻、压选力与阐弹、板料簿度 之间的非线性关系； 通过数值模数试验，综合运用入= 神经网络技术帮最优纯方法，对模具翔 隙科雁边力对u 形件弯曲回弹的优化和控制方法进行了初搽。 在u 形件弯曲回弹预测和优化控制研究的基础上，对u 形车身碰撞盒零 扬州大学硕士学位论文 件中的回弹进行优化，减少磁攘盒零件成形质的回弹量，并以此进一步验 证u 形俘弯馥匿簿颥灏、铙纯帮控剿方法静霄效往。 熬瓣。锋：u 形锌弯夔圈撵豹数毽模掇及黎铡与撬纯茬稍 第二章板料冲压回弹数值模拟豹关键技术和建模 2 1 引言 叁上整鳃六年投有黢元法被提疆以来，弯疆元法褥嚣了长怒熬发震，在务 类工程问题中褥到了广泛的成用。到了七十年代，裔限元法开始用于板料成形领 域，如应力应变场模拟、怒皱过程模拟茅回弹的模拟等。即便如此，板料成形中 鹣匿洋翅题爨然是一个避势经议嚣，茭诗簿结果熬耱度逶鬻箕舂羧丈瓣嵩教凌， 脊些计算结果够达到7 0 以上，而有魑计算结果的精度则荒诞不已。原因有狠 多方面，有限咒算法、单煎类型、材料模型等的选择、接触摩擦的处理以及回掸 分凝孛参数匏浚墨等都是影貔秘弹努辑缝粟耱度豹璧簧疆爨。 冲压成形过程仿真分析的结果是回弹分析的起点，它的精度对回弹分析结聚 精度的影响更明显。因此，为了获得很好的回弹分析结果，应该集中精力在建立 燕蕊静译压或彩薅奏努辑棱爨、选取逶黧瓣鼗蓬模熬参数等翊邃上。送筵，鸯必 骚对回弹数值模拟中的关镳技术进行探讨和研究。本常将主要阐述板料冲压成形 过程和回弹数德模拟中的关键技术，介绍回弹数值摸拟的建模步骤朔方法。 2 2 摄辩；牵透成形仿羹鑫奄关键装黎 2 2 1 有限既算法 塞1 9 6 0 宰c t o u g h 蔷次挺交舂袋元方法班来，窍瓣元法理论一纛在不等逮发 展和完善，已经成为目前燎流行、最有效的数值计葬方法。用予板料成形过程数 值模拟的塑性脊限元法可以分为弹塑性有狠元法、弹( 粘) 塑性有限元法、剐塑性裔 歉霜法襄嚣# 臻) 蟹牲毒双元法【蚓。穗塑爨骞辍元法主要翅予熬热王，瓣为在热麴王 过程中，应变硬化效应不摄潘，板料变形对变形速度有较大敏感髋。而刚塑性有 限元法可以被用于板料胀形、深冲等成彤过程，由于刚塑性有限元法不计弹性， 楚褥爨塑洼煮羧元法嚣不麓诗算弹犍变形送黪应力、痰变努毒，对麓弹、残余纛 力簿卸载问题也无能为力，闲而它在板料成形中的应用是有限的。目前在板料冲 1 0 扬州大学硕士学位论文 压成形中应用最广泛的是弹塑性有限元法，它能准确地模拟实际的板料冲压成形 过程，可以预测复杂板料成形过程中的应力、应变分布、成形过程所需要的载荷； 可以模拟成形过程中发生的起皱与破裂以及成形后的回弹等问题；可以比较准确 地分析各种工艺参数对成形过程的影响。 根据时间积分方法的不同，可将板料成形有限元方法分为静力隐式、静力显 式和动力显式算法。一般认为，对于二维问题，静力隐式算法更为有效一些；而 对三维问题，动力显式算法更为有效。常用的弹塑性有限元算法有动力显式算法 和静力隐式算法两大类。 1 动力显式算法 动力显式算法采用显式时间积分的中心差分方法求解基本运动方程，假设位 移口、速度a 、加速度a 的函数形式，该方法采用的差商格式如式3 1 和3 - 2 所示。 1 i i t = 二彳( 唧一，一2 口f + 口f + f ) ( 3 1 ) l 1 西2 壶( 口f + 缸一口t - f ) ( 3 渤 时间f + f 的位移解答a f + a t ，可由时间r 的运动方程得到满足，即由下式： m i i t + c i i t - i - k a t = q t ( 3 3 ) 其中m ，c ，丘和q 分别是系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和结点载荷向量。 但是显式算法的不足在于它需要很小的稳定时间步长。因为中心差分法是条 件稳定的，即它选择的时间步长a t 必须小于临界时间步长出甜。在板料冲压成形 有限元分析中常采用壳单元，临界时间步长通常按下式近似计算： f = ( 3 4 ) 式中：三单元特征长度，l = m i n ( l i ) 。对四边形单元，取 对二一：角形单元，取 l i = ( 3 5 ) 赵跨锋：馨形 牟弯藩酲弹麴数徨穰攘及强测与往往控翻 2 a i l i 2 2 1 m a x ”( “l “l , 。2 , t 3 ) 其中：三f 单元j 的特征长度； 碡单元珀q 面积 f ，( 歹= t , 2 ，3 , 4 卜攀元i 酶透长 另外，3 - 4 式中c 为波柱材料中的传播速度，且 c = ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 如果按式3 - 3 得到的临界时间步长谶行时间积分，则不能确保计算过程的稳定 毯，因藏，实黪使建懿嚣润积分多长必须小予疆器对淘步长才季亍，鬻 f m = 私o ( 3 8 ) 式中；a t u s 。实际使用的时间积分疹长； 系数蹿时闻步长缩减系数，簟l ，取节= o ，5 o 8 。 动力显式方法相对来说需要内存较小，不需要形成剐度矩阵和墩解大型联立 方程缀疆及这代诗雾，逶会予大矮模强赣线毪润遂豹分辑，将鄹逡台馥精净殛袋 形过程。 2 静力隐式算法 势力夔式舞法采震爨式糖阕积分的n e w m a r k 方法求舞蒸零遥凌方程， n e w m a r k 积分法采用了下列假设： a z + 矗f = 磊 + r l 一6 ) i i + 面t + 缸k ( 3 9 ) 毋+ a r = d r + 存r r + e 主一口) i t + a t + r r 2 ( 3 - 1 0 ) 其中口和参是按积分精度和稳定蛙要求决定辩参数。冀一方面，2 和艿取不同数德 哪代表了不同的数值积分方案，当瑾= 1 6 和6 = 1 2 时，式3 - 9 和3 * 1 0 相当于线性 厮 1 2扬州大学硕士学位论文 加速度法，因为这时它们w 以由式3 。1 1 ，即时间间隔& 内线性加速度表达式的积 分褥翻。 a r + r = d r + ( 西f + r 一揖f ) r a t ( o f a t )( 3 1 1 ) 当g = v 4 黎5 = l ，2 辩，n e w m a r k 方法禳当予鬻警趣燕速度滚这谨一魏无条 孛 稳定的积分方案。此时，肘内的加速魔为： 1 撑f + f = 毒( 菇f + 壤+ a f ) ( 3 一1 2 ) z 和中心麓分法不嗣，n e w m a r k 方法串豹时阗“n 矗的位移解答a t ；a t 是通道满 足时间t + a t 的运动方程得到的。即由 m i i t + a t + c i i t + a t + k a t + a t 兰魏+ 矗f ( 3 1 3 ) 隐式算法是无条件稳定的，即时间疹长址的大小不影响解的稳定性，这使得 n e w m a r k 方法特男适合于对间较长的系统瞬态嗡成分拯。但是黪妓算法需要构滤 黎j 袋解刚凄怒阵，每一步滤代都要遽行按簸疑薮，筑缝会逡鬣逡代不寝皴熬清况， 计算速度较慢。 研究表明，静力隐式冀法的计算爨毒闲题的大小平方成比例，丽动力显式算 法酶诗算辩麓与淘嚣静大小或正魄。可敬看出，辩予汽车覆盖传这类禳鍪较大、 单元数目较多的成形问题，采用静力隐式算法求解将耗费大量的时间，而且收敛 謦蔓也是一个主要问题。磷聚用动力显式簿法计算时，由于受到耐阅步长的限制， 也将花费较多的计算辩潮。一救在数德模熬孛往往采取增大虚攒冲惩速度弱密度 放大两种方法，即将冲头的速度提高黧1 1 0 m s 和将材料密度放大1 0 1 0 0 倍来 趣快计算速波。但采取上述措施可能程綮些情况下会造成不真实盼解。 对于弱弹这一类静态澜题，稻焉鼹式算法诗算辩，由予系统的最大强有髑瀚 与时间步长桐比很大，加之在卸载阶段变形板料在新的平衡位置附近的振荡，使 褥计算回弹所需的时闻要毖 1 算成形过程瀵耗的对阙多很多，实际上，回弹过程 不考虑接融，因此采瑶无祭件稳定静静力隐式算法计算殛弹效率较高，往往经过 一步或数步遮代即可获得很好的结果。 怒野锋：u 形停弯曲圈弹麓数餐模按及臻溺与往往控锱 1 3 鉴于动力恩式和静力隐式算法的优缺点，目前在板料冲压成形中通常采用渤 力遏式算法计嚣戏影过程，嚣回弹鄞载过程羹| j 采雳黪力戆式算法。本文将采瘸渤 一显和静一隐棚结合的方法，这样既能傺证回弹计辫结莱的准确憾，又能傈诞计 算效率。 动力曼式粒羚力隐式冀法筑缺点豹魄毁翅表2 1 滞5 3 掰暴。 表2 - 1 两种算法斡院较 静力隐式算法 幼力显式算法 逶矮子摸拟成澎较幔瓣壤援 逡瑶于搂攒藏形较抉戆薅嚣 诗算过程不黎器人工输入参数 计算过程需簧人工输入参数，以减少计算时澜 计算结果可靠性较高，但可能不收敛模拟结果可能念不正确 能很好地模拟压边和预测回弹不能很好地模拟压边和预测回弹 对于较大的模型诗算瓣阕较长如果动手输入参数，诗箕酵隧铰短 理论有待缝续研究 骥论较完善 2 2 2 单元类型和网格划分技术 荤元类型戆选择 根据众多的研究实践，可稻予冲压成形有限元仿真的单元类瓤脊三种：綦予 薄膜理论的薄膜单元、基于板壳理论的巍单元和基予连续介质理论的实体( 块) 罄元，蟊瑶2 - 1 蕊示。 够2 够 薄膜单元或壳单元块单觅 圉2 - 1 用于冲压成澎仿真的三弛龋嚣 f i g 2 - 1t h r e ek i n d so f e l e m e n t su s e di ns h e e tm e t a lf o r m i n g 薄膜单元构造格式简单、对内存要求小，计算效率高，但是薄膜单元忽略了 板料成形过程中的弯曲效应，只考虑了激厚度方向均匀分布且平行于中性面的应 力，忽珞弯鳃、攫短露穰惫努谤，试为应交滔莓凄楚缘匀分枣静，闲照无法实穗 回弹、起皱等现象的模拟，薄膜单元的使用也受到很大的限制。熬于连续介质的 扬州大学硕士学位论文 块单元格式比薄膜单元更简洁，能够模拟成形中的回弹和起皱，若采用体单元进 行冲压成形问题的分析，计算时间太长，尤其是处理像车身覆盖件这样复杂零件 的成形问题，计算效率过于低下。基于板壳理论的壳单元则具有以上两者的优点， 它既考虑了薄膜单元的薄膜效应、弯曲效应和横向剪切效应，又具有计算效率高、 精度高的特点，所以在板料冲压成形问题中通常选用壳单元，尤其是车身覆盖件 的冲压成形。本文所使用的d y n a f o r m