（机械制造及其自动化专业论文）板料拉深成形过程数值模拟与影响因素分析研究.pdf

板料拉深成形过程数值模拟与影晌因素分析研究 研究生签字： 川伍而厂 指导教师签字i 端i 两1 摘要 金属板料拉深成形是一种广泛应用的压力加工方法。成形模具的设计制造往往依赖设 计者的经验，这就导致了模具需要进行反复的调试和修正。数值模拟技术可以实现板料成 形过程的仿真、预测设计中存在的缺陷，从而提高劳动效率、节约时间、降低成本。 本文采用弹塑性有限元法和l s d y n a 仿真软件，针对n u m i s h e e t 9 3 标准考题方盒 件，建立了有限元三维模型，对其进行了数值模拟，并把数值模拟结果和实验结果进行了 对比分析，验证了计算模型和计算方法的可信性。 板料拉深成形过程中的主要失效模式是起皱和拉裂，合理控制压边力等参数，可以消 除这些缺陷，提高成形性能。本文定量分析了在有限元数值模拟过程中材料的力学性能参 数对板料拉深成形过程的影响，掌握了不同的参数对仿真结果的影响规律；压边力是板料 成形过程中的重要参数之一，本文在概述压边力在生产过程中的主要用途和意义的基础 上，重点讨论了压边力对板料拉深成形过程的影响；此外还讨论了摩擦、模具间隙、拉延 筋等工艺参数对板料拉深成形的影响，为在不同的仿真条件下合理选择这些参数提供了依 据。 汽车覆盖件成形数值模拟的实用性关键在于分析的效率和结果的准确性。本文最后选择 了典型的汽车内覆盖件后桥横梁零件建立有限元计算模型，进行了模拟计算，预测了可能 出现的产品缺陷，并对计算结果进行了分析。 关键词：板料拉深成形；弹塑性有限元；数值模拟；汽车后桥横梁 a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n di n f l u e n c ef a c t o r so f s h e e td e e pd r a w i n gf o r m i n gp r o c e s s d i s c i p l i n e ：m a c h i n em a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e ：l 讥j 帆i 式 s u p e r v i s o r s i g n a t u r e ：p b 了，一 a b s t r a c t s h e e tm e t a lf o r m i n gi saw i d e l yu s e dp r e s s u r em a n u f a c t u r i n gm e t h o d t h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r eo fm o l dd e p e n do nt h ee n g i n e e r s e x p e r i e n c es o m e t i m e sa n dt h em o l dm u s tb e o f t e nm o d i f i e d t h es h e e tf o r m i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g yc a ns i m u l a t et h ep r o c e s sa n d f o r e c a s tt h ed e s i g nl i m i t a t i o n s s oe f f i c i e n c yi si m p r o v e d ，t i m ei ss a v e da n dc o s ti sr e d u c e d a e l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dl s - d y n a i su s e di nt h i sa r t i c l e ，a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm o d e l sc o n c e r n e dw i t ht h es q u a r e - c u p ，w h i c hi sab e n c h m a r ko fn u m i s h e e t 9 3 ， a r ee s t a b l i s h e d t h em o d e lw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r si ss i m u l a t e da n dc o m p a r e dw i t h e x p e r i m e n tr e s u l t ，a n dt h ec a l c u l a t i n gm o d e l sa n dm e t h o dc a nb ep r o v e dt ob eb e l i e v a b l e t h ep r e d o m i n a n tf a i l u r em o d ei ns t a m p i n go fs h e e tm e t a lp a r t sa r ew r i n k l i n ga n df r a c t u r e i ng e n e r a l ，t h e s ed e f e c t sm a yb ee l i m i n a t e db ya p p r o p r i a t em a n i p u l a t e dp a r a m e t e r ss u c ha st h e b l a n k - h o l d e rf o r c e s ( b h f ) t h i sa r t i c l ea n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fm a t e r i a lm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e p a r a m e t e rf o rs h e e td r a w i n gf o r m i n gp r o c e s si nf i n i t ee l e m e n tv a l u es i m u l a t i o np r o c e s s t h e b l a n k - h o l d e rf o r c ei so n eo fi m p o r t a n tp a r a m e t e r si ns h e e tm e t a lf o r m i n gp r o c e s s e s ，w h i c hi s a b l et oc o n t r o le f f e c t i v e l yt h ef l o wo ft h em e t a li n t ot h ed i ec a v i t ya n dt oi m p r o v eq u a l i t yo ft h e w o r kp i e c e s i nt h i s p a p e r ，o nb a s i so ft h es k e t c ho fm a i nu s ea n ds i g n i f i c a n c eo fb h f i n p r o d u c t i o n ，t h ee f f e c t so nt h ef o r m a b i l i t yo ft h es q u a r e c u pd e e pd r a w i n gf o r m i n gp r o c e s s w h i c hw a sa p p l i e dt h ed i f f e r e n tb l a n k - h o l d e rf o r c ew e r ei n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s o d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo ft h ef r i c t i o n ，m o l dg a p ，d r a w i n gm u s c l ea n ds oo nt ot h es h e e t d r a w i n gf o r m i n g t h i si sh e l pf o rc h o o s i n gt h e s ep a r a m e t e r su n d e rt h ed i f f e r e n ts i m u l a t i o n c o n d i t i o nt op r o v i d et h eb a s i sr e a s o n a b l y t h ek e yp o i n t so ff o r m i n gv a l u es i m u l a t i o nu t i l i t yo fa u t o m o b i l es t a m p e dp a r ta r ea n a l y t i c a l e f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo ft h er e s u l t s t h i sa r t i c l ef i n a l l yh a se s t a b l i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n t c o m p u t a t i o nm o d e lo fa u t o m o b i l e sr e a rc r o s sb e a m ，h a sc a r r i e do nt h ea n a l o gc o m p u t a t i o n ， h a sf o r e c a s tp o s s i b l ya p p e a r e dt h ep r o d u c tf l a w ，a n dh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h ec o m p u t e d r e s u l t k e yw o r d s ：s h e e td e e pd r a w i n gf o r m i n g ；e l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； a u t o m o b i l e sr e a rc r o s sb e a m 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果 或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送交的学 位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签三1 也衙 舯狮躲1 玄屹叫 日期：o 心r 一 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 纠4 研 指导教师签名：龋交岬 日期：洲尘，6 5 5 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出 冲压是一种先进的金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上，利用模具和冲 压设备对板料金属进行加工，以获得所需要的零件形状和尺寸。冲压加工的原材料一般为 板材和带材。 汽车工业生产中的冲压加工是一种少、无切削的加工方法，其先进性在于基本上无需 传统的切削过程，就可以直接用板料冲出完整的零件。汽车零件中冲压件的比例一般为 4 5 - 6 0 ，以拉深、成形、辊形代替浇铸、锻打毛坯和切削加工，以冲孔代替钻孔， 以冲切细缝代替铣切细缝，以整修模冲压法代替铣削和磨削，以冷挤压或立体冷冲压代替 机床加工等，其结果可以大大减轻零件重量、减少材料消耗并减少劳动力，提高生产效率。 此外，采用经济合理、加工性能好的钢板材料、润滑油、焊剂、表面涂料、表面处理材料 以及工艺装备和设备、合理地利用原材料等，都是降低成本、提高生产效率的基本途径。 而这些目标的实现，在很大程度上取决于对冲压生产中材料成形特性的深入理解。 拉深冲压是借助于设备的动力和模具的直接作用，使金属平板坯料外法兰部分缩小， 变成立体带底( 空心开口) 的零件的一种冲压成形方法。能否将钢材冲制成质量完好的冲压 件取决于材料的冲压性能，因此拉深用钢板材料的合理选用以及对特定材料拉深成形特性 的深入理解就显得十分重要。中国的汽车工业己经规模化生产，但对生产覆盖件成形尚无 系统的研究。为了提高产品的质量和降低产品的废品率，往往只采用提高钢板等级的方法。 事实上，盲目追求钢板性能的高指标，并不一定能全面提高产品的质量和降低产品的废品 率，相反会使生产成本上升，这就严重影响到汽车和钢铁厂家在国际市场上的竞争力。所 以，对于如何针对具体的覆盖件来研究制定合理的冲压工艺、选用合适的钢板性能参数和 拉深用润滑剂以及如何提高模具寿命，降低生产成本，对于提高汽车行业的制造水平和经 济效率至关重要。 另一方面，目前国内外对汽车覆盖件成形工艺的研究，逐步开始采用计算机仿真数值 模拟手段，但目前的拉深仿真结果与实际生产存在一定的差距。主要原因是在有限元建模 过程中对于材料性能的处理和对边界条件的设定难以明确。本文基于这一考虑，为进一步 研究拉深仿真过程边界条件，通过有限元法与金属塑性加工理论相结合，探讨板料拉深成 形过程中影响因素的规律。 借助计算机软件来设计和优化冲压零件的结构和工艺、预测成形缺陷、监测和控制成 形过程是当今薄板成形技术发展的必然趋势，也是企业简化设计、提高质量、缩短周期和 降低成本的方便途径。目前，国际上的许多著名企业和组织，如美国的波音、通用、福特、 德国的大众、奔驰、日本新日铁、日新制钢等都在板料冲压成形有限元数值模拟方面投入 1 西安工业大学硕士学位论文 了大量的人力、物力和财力。据保守估计，在产品研发和模具设计过程中引入数值模拟技 术之后，可使模具设计和制造周期缩短2 5 ，模具生产成本降低1 3 ，进而大大降低整车 成本，增强市场的竞争力。因此，有必要进一步深入地研究板料成形数值模拟技术，使之 更好地服务于制造业。 1 2 板料拉深成形国内外研究现状 在金属成形过程中，工件会发生很大的塑性变形，是一个涉及到几何非线性( 冲压中 板料的大位移、大转动和大应变所导致的非线性问题) 、材料非线性( 又称为物理非线性， 指冲压中材料的弹塑性变形所导致的非线性问题) 和边界条件非线性( 板料和模具的接触 和摩擦等所导致的非线性问题) 的复杂的力学问题。 数值模拟技术中主要用到的计算方法是有限元法。它起源于二十世纪四十年代，其基 本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在应用有限元法分析问题时，首先采用 “化整为零 的办法，将连续体分解为有限个性态比较简单的“单元 ，对这些单元分别 进行分析；然后采用“积零为整”的办法，将各单元重新组合起来为原来的连续体的简化 “模型，通过求解这个模型得到问题的基本未知量( 例如位移) 在若干离散点上的数值 解；最后根据得到的数值解再回到各个单元中计算其他物理量( 例如应变、应力) 乜刈。 影响板料成形的因素很多，如模具结构参数、板料材料物理性质、摩擦与润滑、冲压 设备和工艺的选择、压边圈和拉延筋的设置等，各因素对板料成形的影响程度很难精确确 定，也缺少一些行之有效的经验公式供工程师借鉴。2 0 世纪的大部分时间里，对冲压技 术的掌握基本上是经验型的。早期的金属塑性成形的研究方法主要是基于实验分析的方 法，通过实验来测定金属材料的成形性能，如拉深实验、胀形实验、f l d 实验等舯1 。 自从c l o u g h 教授于1 9 6 0 年发表的著名论文“t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di np l a n es t r e s s a n a l y s i s 中首次提出“有限元”这一名词来盯1 。有限元方法在工程问题的许多领域中都得 到了广泛的应用，成为目前最流行、最有效的数值计算方法。随着塑性变形理论和计算机 技术的发展，利用有限元方法求解金属塑性加工问题得到了越来越广泛的重视。经过几十 年的发展，板料冲压成形仿真技术得到很大的进步，现在可以应用于实际的塑性加工问题 分析。 1 9 6 7 年，m a c r a l 和k i n g 首先提出了弹塑性有限元法1 。1 9 6 8 年y a m a d a 推导了小变 形弹塑性矩阵的显式表达，为弹塑性有限元的发展奠定了坚实的基础凹1 。1 9 7 0 年，h i b b i t 等提出了建立在有限变形理论基础上的大变形有限元列式n 引。k o b a y a s h i 在1 9 7 3 年提出 刚塑性有限元法后，他和m e h t a 立刻把这个方法分析冲压成形问题，这是人们第一次用 有限元方法来模拟冲压成形过程n 。1 9 7 8 年，w a n g 和b u d i a n s k y 采用流动坐标中的有限 变形公式推导出用于板料成形的薄壳有限元方程n 副。这样，有限元模拟技术开始真正地应 用于板料冲压成形仿真，此后大变形弹塑性有限元法不断完善。从发展历史来看，板料成 形有限元分析的发展大体上可以分为三个阶段。从7 0 年代末到8 0 年代中期，是发展的初 2 西安工业大学硕士学位论文 级阶段。这个时期，有限元方法、计算机的软硬件水平、材料模型和单元模型还都处于较 低的水平，主要是建立有限元模型和进行一些简单的应用，包括二维的平面问题和轴对称 问题，这个阶段大多采用的是薄膜单元；相继出现了一些新的材料本构关系，如基于微观 力学的结晶一塑性模型，速率敏感材料模型，刚一粘塑性模型，弹一粘塑性模型。8 0 年 代末期到9 0 年代初，逐步开始进行三维板料成形分析的研究，各种三维板壳单元被应用 于成形分析。这个时期，板料成形模拟开始在汽车工业中得到应用。1 9 8 8 年日本的 n a k a m a c h i 和本田公司的工程师们用弹塑性有限元法，对形状较为复杂的三维板料成形过 程进行了模拟，计算结果与实验结果相当吻合n 引。从这个阶段开始，板料成形过程的数值 模拟在汽车工业领域成为了研究热点。 进入9 0 年代以后，板料成形分析c a d c 倒c a m 一体化发展，开发虚拟制造系统”， 同时有限元显式积分算法也逐步进入板料成形领域，并把理论研究逐步推向了实际应用。 尤其是在 1 9 9 1年的首届板料成形三维数值仿真国际会议 n u m i s h e e t ( i n t e m a t i o n a l c o n f e r e n c e o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f3 一ds h e e t f o r m i n g p r o c e s s ) 之后连续召开了四届会议( n u m i s h e e t 9 1 ，n u m i s h e e t 9 3 ，n u m i s h e e t 9 6 ，n u m i s h e e t 9 9 ，n u m i s h e e t 0 2 ) ，大大促进了板料成形模拟技术的实际应用。 最为突出的是在n u m i s h e e t 9 6 后，美国三大汽车公司一致决定以后凡是在新车型制 造以前，都必须经过数值模拟软件的考验，否则不能进入下一步生产n 卜1 7 1 。 总的来看，随着9 0 年代以来板料成形模拟技术在实际生产中的大力推广和应用，已 经取得了很大的成绩，众多研究成果逐步走出实验室进入工业应用。目前，在国外汽车工 业，数值模拟技术已经成为新产品研发流程中必不可少的重要环节。 国内在c a e 方面技术的研究和应用到目前为止也都有不同程度的进展。许多高校和 研究机构也在做这方面的研究，如吉林大学、华中科技大学、上海交通大学和北京航空航 天大学等都作了一些研究。其中有的开发出了自主知识版权的板料成形模拟分析软件，或 者与大的汽车企业合作，进行对现有生产的指导研究。也有不少企业购买了相应的模拟软 件，开展这方面的研究工作。吉林大学汽车覆盖件成形技术研究所开发出了用于汽车覆盖 件成形的模拟软件k m a s 。北京航空航天大学施法中课题组研究开发出了具有自主知识 版权的航空蒙皮冲压成形模拟系统s h e e t f o r m l 0 版。第一汽车集团购买了有限元模拟软 件，并成立了板材成形数值模拟攻关小组，进行板料冲压成形分析，全面开始了模具c a e 方面的研究和应用，并与吉林大学合作，采用计算机模拟技术，成功地提出了实现小红旗 轿车油底壳的一次拉伸成形方案，应用于生产，引起了国内众多同行的注目。上海大众汽 车有限公司与上海交通大学合作，利用有限元模拟，对桑塔纳2 0 0 0 系列车型成功地实现 了冲压工艺复杂零件的选择和优化。但和国外相比，在板料成形模拟的应用方面，还存在 较大的差距。 以上国内外研究涉及了板料成形数值模拟的所有基础方面，并有一些应用研究，但仍 有很多细节的问题没有解决。 3 两安工业大学硕十学位论文 1 3 板料拉深成形数值模拟技术的发展趋势 在板料成形的有限元数值模拟成形方面，今后的主要研究方向将集中体现在以下6 个方面埔删： 建立更加简单精确的单元构造技术以及快速有效的网格划分算法，其要求是算法简 捷、计算快速、模拟高效。 完善接触处理以及摩擦力模型的研究，进一步优化接触处理算法，提高计算模拟的 计算速度，减少计算时间，提高计算效率，提高计算的精确度。 各种成形曲线判断准则的建立以及相应处理曲线的方法，建立更理想的材料破裂和 起皱判据，提高计算模拟的预报精度和可靠性。 建立更为完善的材料屈服准则，以利于对材料变形的进一步研究，开发新的实现毛 坯形状的快速预测分析的算法，以实现工业上快速分析成形过程中板料预测。 继续完善回弹算法，提高回弹的计算精度，进一步研究减少回弹、补偿回弹的有效 方法。在目前常用的显式和隐式算法之外，寻求新的计算方法以提高回弹的分析精度和有 效补偿问题。 建立高度集成的产品仿真系统以指导产品的设计和生产工艺的优化，要逐步建立金 属板料成形的c a d c 删c a m 智能化集成分析系统，提高数值模拟的效率， 将数值模拟和优化软件与删c a m 系统集成，形成板料成c a d c a m c a e 系统， 将为企业提供一个集计划、设计到生产和质量保证为一体的高效的信息系统。 很多公司和研究机构在不断的努力研究板料成形数值模拟软件的开发和代码优化，估 计各种数值仿真软件今后应向智能化的方向发展。软件智能化包括三个方面瞳：第一，有 限元网格划分的智能化。网格划分质量对于有限元分析结果有很大的影响。智能化的网格 划分应该能够根据工件的具体形状采取合理的划分策略，使得网格质量最好。第二，有限 元分析的智能化。分析部分能根据具体问题采用对这个问题最有效的有限元方法来保证计 算模拟的收敛性、高效性和结果的准确性。现在正在研究的静力隐式算法和动力显式算法 相结合就是一种很好的尝试。第三，软件后置处理的智能化。后置处理可以根据分析结果 对工艺方案、工艺参数以及零件的设计提出改进意见。 1 4 选题的目的与意义 我们知道拉深冲压成形的原理，在于使毛坏材料按一定方式产生永久的塑性变形，从 而获得所需形状和尺寸的零件。这一过程的实现是通过模具对工件的法向接触力和切向摩 擦力来完成的。因此拉深成形过程包含了非常复杂的物理现象，概括起来它涉及力学中三 大非线性问题，这些复杂非线性现象的综合使得成形过程的计算非常棘手。 本论文将数值模拟仿真技术与板料拉深成形的生产实际结合起来，分析模拟其成形的 工艺过程，总结出材料参数、工艺参数对成形过程的影响规律，并加以实例分析。本论文 完成，有助于减少了试模、修模时间，大大缩短模具制造周期，降低模具设计成本，提高 4 西安j r 业大学硕士学位论文 制件精度及生产效率，适应于对产品更新换代较快的市场经济要求，增加了经济效益；有 利于有限元技术在我国模具制造业中的推广与应用，提高我国模具企业的竞争力，将其推 广，有利于改善我国制造业中的“瓶颈 问题，使我国制造业整体水平有所提高，改善自 动化程度较低的现状。 1 5 本课题研究的主要内容 板料拉深成形过程数值模拟是金属塑性加工领域内的前沿课题之一，在这方面进行研 究需要有多学科的综合知识和能力，它涉及到了金属塑性加工、材料学、力学、数学、计 算机科学和计算机图形学等学科，是理论性很强、应用性很广的课题。 本文采用计算软件l s d y n a 和弹塑性有限元法： 针对典型的非轴对称零件一盒形件( n u m i s h e e t 9 3 标准考题) 为模型，进行拉 深成形过程模拟仿真，并将模拟结果和实验结果进行比较，说明仿真方法的可行性、正确 性。 讨论材料的不同力学性能参数( 指：屈服应力、硬化模量、r 值等) 对成形的影响，总 结规律。 讨论成形过程中工艺参数，如压边力、模具间隙、摩擦系数等，定量地分析这些参 数与成形性能的相关性，总结规律。 在此基础上，对典型的汽车覆盖件拉深成形过程进行了数值模拟，模拟分析了汽车 后桥横梁拉深成形过程，进行了成形模拟计算，并对计算结果进行了分析，预测了可能会出 现的产品缺陷。 5 2 板料塑性成形理论基础 2 板料塑性成形理论基础 2 1 引言 金属板料冲压成形是一个非常复杂的塑性变形过程。物体在外力作用下发生变形，外 力消失后恢复原状的性质叫物体的弹性。但是，若作用于物体的外力较大且达到某一值时， 外力消失后物体不再恢复原状，这种性质叫做物体的塑性。金属在外力作用下产生的变形 包括弹性变形和塑性变形两个发展阶段，弹性变形量是微小的，而塑性变形可以产生比弹 性变形大得多的变形量。在弹塑性力学中，将作用于物体上的外力称为荷载。当荷载达到 一定值时，物体内某点或某一部分开始出现塑性。随着荷载的增加，物体内出现了弹塑性 分区，这一阶段是弹塑性阶段：荷载增加到一定值时，物体达到最后的极限状态。 2 2 材料的屈服准贝i j 在板料塑性变形过程中，屈服强化是描述变形体由弹性进入塑性状态( 初始屈服) 并使 塑性变形继续进行( 后继强化屈服) 所必须遵守的条件。一旦确定了屈服及后继强化条件 后，便可根据d d r u c k e r 一般性流动规律方程乜刳，得出塑性变形不同阶段与屈服强化条件 相适应的流动方程，即塑性本构关系。因此，在研究板料塑性变形流动规律时，首先需确 定板料的屈服准则。 2 2 1 各向同性屈服准则 在板料成形数值计算的简化模型中，通常假设材料是各向同性的，采用的屈服准则有屈 雷斯加( t r e s c a ) 屈服准则和密赛斯( m i s e s ) 屈服准则陋3 1 。 1 ) 屈雷斯加屈服准则屈雷斯加( t r e s c a ) 通过对金属挤压的研究，发现材料流动的痕 迹与最大切应力的方向一致，于1 8 6 4 年他提出：“任意应力状态下只要最大切应力达到某 一临界值后材料就开始屈服”。这就是所谓最大切应力理论。 最大切应力r m a x 是三个主切应力中绝对值最大的一个，而主切应力则是两个主正应 力之差的一半。所以根据屈雷斯加屈服准则，只要1 0 1 一a 2 i 、i 盯2 一a 3 i 、i 勺一c , 1 i 之中有一个达到 某一定值，材料就屈服了。如设1 七o r ，乏吧，则屈雷斯加屈服准则可表达为： f 。! 盟：k( 2 1 ) m a x 2 式中k 取决于材料性能和变形条件的常数，与应力应变状态无关，其数值由试验确定。 最大切应力理论虽然形式简单，用于分析求解板料成形问题也有足够精度，但在三个 主切应力中只考虑了其中最大一个切应力的作用( 也即在三个主应力中忽略了中间主应力 的作用) ，理论上未免有些欠缺。 2 ) 密塞斯屈服准则1 9 1 3 年密塞斯( m i s e s ) 提出另一种屈服准则对此加以修正。他 6 西安工业大学硕士学位论文 提出在任意应力状态下，只要三个主切应力的均方根值达到某一临界值，材料就开始塑性 变形。这一准则的数学表达式如下，式中常数c 也可以利用单向拉伸试验确定。 ；c( 2 2 ) 密塞斯屈服准则和屈雷斯加屈服准则实际上相当接近，但也应指出：密塞斯准则不仅 理论上比较完善，而且从大多数韧性材料的试验结果来看，比屈雷斯加屈服准则更加接近 实际情况。 实验说明：一般韧性金属材料( 如铜、镍、铝、中碳钢、铝合金、铜合金等) 与密赛斯 条件符合较好。总的说来，多数金属符合于密赛斯条件乜4 _ 2 5 1 。 2 2 2 各向异性屈服准则 有些重要而突出的现象，不能用上述各向同性屈服准则加以解释。例如有些原材料制 造的工艺过程中( 如辊轧等) 就产生明显的各向异性( 面向和厚向) ，这些材料在冲压成形前 就不是各向同性的，因此有些问题再用前述理论来描述是不适宜的。关于每个物质单元体 保持各向同性的假定只是一种近似，随着变形的发展这种近似变得不好了啪1 。 目前，国内外采用较多的是h i l l 在1 9 7 9 年提出的理论，该理论是各向同性m i s e s 屈服函数的推广。另外，b u d i a n s k y ，b a s s a n i 都提出过考虑各向异性的屈服函数，但使 用上不如h i l l 的方便性和易于理解。 1 9 4 8 年h i l l 假设，在材料的每一质点上存在相互垂直的三个各向异性平面，其交线 构成三个各向异性主轴x ，y ，z ，提出正交各向异性体的屈服准则的一般表达式乜们： 2 厂( 勺) = ，( 一) 2 + g ( 一) 2 + 日( 一广 ( 2 3 ) ￥2 l 0 2 ￥2 m0 2 ￥2 n 0 21 1 其中，f 、g 、h 、l 、m 、n 为瞬时各向异性特征参数，根据不同的材料同试验确定， 当3 fa3 g 一3 h = l = m = n 时，式( 2 3 ) 就退化为描述各向同性材料的m i s e s 屈服准则。 为了更精确的和实验结果相互吻合，1 9 7 9 年h i l l 又提出了一个更为一般化的屈服准 则( 简称h i l l 新屈服准则) 啪3 ，这个屈服准则是： 厂i 盯2 一。3 i 所+ g l 。3 1 l 所+ i 。r 1 一0 2 m + a 2 1 一。- 2 一。1 3 i 肌 ( 2 4 ) 拍l 幻2 一一1 l 肌+ c 1 2 一一0 1 l ma 聊 式中为卟o r ，、吧主应力值，而且应力坐标系与各向异性坐标系重合：1 、2 、3 为正交 各向异性主轴；m 为材料敏感指数；厂、g 、h 、a 、b 、c 为相互独立的各向异性特征参数， 根据不同的材料由试验确定。 在板料成形数值模拟中，一般用到的有刚体材料模型和弹塑性材料模型。刚体模型一 两安工业大学硕士学位论文 般用于模拟模具，弹塑性材料模型广泛地应用于板料的模拟中。 以上三种材料屈服模型为板料拉深数值模拟中常用的材料模型，在本文所用的仿真软 件e t a d y n a f o r m 5 2 中材料模型3 7 # 代表h i l l 屈服模型，m i s e s 材料屈服模型可以通过 把材料模型3 7 # 得到参数r 设置为1 来获得。 2 3 材料的本构关系 本构关系是指变形体中应力和应变( 或应力率和应变率) 之间固有的一种物理关系，指 材料内任一点的应力与应变之间的关系。根据d r u c h e r 公设的p r a n d t l r e u s s 正交法则和 m i s c s 屈服准则，当外作用力较小，变形体内的等效应力小屈服极限时为弹性状态。当外 力达到某一个值，等效应力达到屈服应力，材料进入塑性状态，这时变形包括弹性变形和 塑性变形两部分，即： d ) = d s ) p + d ) 口 ( 2 5 ) 在弹性阶段应力与应变关系符合虎克( h o o k ) 定律，而塑性的本构关系远比弹性的 本构关系复杂。在不同加载条件下，要服从不同的塑性本构关系，塑性本构关系分为两大 类：增量理论与全量理论。下面分别讨论。 1 ) 弹性阶段在弹性阶段，应力和应变的关系是线性的，应变仅决定于最后的应力 状态，与变形过程无关，并且一一对应，有下列全量形式： 口) = d l ) ( 2 6 ) 式中：【d k 弹性矩阵( 下角e 表示弹性) 。 2 ) 塑性阶段塑性应力应变关系的重要特点是它的非线性和不惟一性：所谓非线性 是指应力应变关系不是线性关系：所谓不惟一性是指应变不能由应力惟一确定。一点处应 力状态进入塑性状态以后，相应的总应变i i 可以分为两部分：弹性应变部分! 和塑性应变 部分p 。 一= ! + ?( 2 7 ) 因此，在塑性变形阶段，应变不仅和应力状态有关，而且还和变形历史有关。考虑应 变历史，研究应力与应变之间的关系，以这种关系为基础的理论称为增量理论( 或流动理 论) 。当外载荷有微小增量时，总应变也有微小增量d i i 。同理可得： v d 占p = d g d e e( 2 8 ) vuu 增量理论基于以下假设：在塑性变形过程中的任一微小时间增量内，塑性应变增量与 瞬时应力偏量成比例，即 d p = s d a( 2 9 ) vv 式中：d a 一正比例常数，可以根据屈服条件确定，且根据加载历史的不同而变化。 r 两安工业大学硕士学位论文 若采用米塞斯屈服准则，得出增量理论的本构关系： d “；三堡s 一 ( 2 1 0 ) u2 方u 式中：万一有效应力，单位为p a ： d 矿一有效塑性应变增量。 由上述可以得出，整个变形过程可以由各瞬时变形的累积求出。因此，增量理论可以 描述加载过程对变形的影响，能反映复杂加载的情况。 如果加载形式是比例加载，即在加载过程中，任一点的各应力分量都是按比例增长， 即各应力分量于一个共同的参数成比例，这种情况下，增量理论便可简化为全量理论( 或 形变理论) ，只适用于小弹塑性变形且按比例加载的成形过程，因此应用范围不大。 2 4 板料拉深成形过程缺陷介绍 1 ) 起皱啪1 起皱是板料成形过程中常常遇到的一个难题，也称为压缩失稳，即板料 变形区在压应力作用下产生的现象。它直接影响产品表面质量，像国内的汽车外观覆盖件 成形质量差，原因主要就是起皱。轻微的起皱即使不致于阻碍坯料通过间隙，也可能在拉 深件上留下皱痕而影响其表面质量；更为严重的是，有时候板料还会出现起皱再被模具熨 平的现象，极有可能划伤模具，给生产带来极大地损失。这种板料缺陷使得设计、生产人 员很难回避。 因此在板料成形过程中，如何防止和消除起皱，对获得高质量的产品至关重要。解决 起皱的问题可以从产品形状、工序设计、模具设计与制造、冲压技术及材料等方面着手。 a 、产品形状方面：在不损坏产品的性能和外观的前提下，通过改变产品形状，达 到解决起皱的目的。大致可以从以下几个方面考虑：减小制件的拉深深度；避免制件形状 的急剧变化；减小平坦的部位；增设吸收皱纹的形状；台阶部分的合理化。 b 、工序设计及模具设计与制造方面：可采取的措施有工序的改变、合理的压料面 形状及合适的拉延筋位置等。具体方法有：选择最佳毛坯形状和尺寸；合量安排工序；适 当增加工序数目；确定合适的压料面形式及拉深方向；有效地利用阶梯拉深；凹模横断面 形状、凹模圆角半径r 、凸模纵断面形状的合理化；设置合适的工艺涂料；对起皱部位进 行预压；在行程终点充分加压：减小压边圈预凹模的间隙；合理地选取拉延筋位置、形状； 提高模具刚性和耐磨性；进行预弯曲。 c 、在冲压条件方面有以下措施：提高压边力；均衡压边边；控制润滑；压力机及 模具的平行度要好；选择合适的冲压速度。材料方面使用低屈服点的材料；使用伸长率大 的材料。 在数值模拟中，板料成形中出现的起皱可以归结为力学中的板壳屈曲问题。目前对起 皱的判定主要有以下几个准则： 静力准则 9 两安1 ：业大学硕七学位论文 能量准则 动力准则 静力准则和能量准则不适用于分析起皱的非线性问题。根据实际情况，动力准则比较 适合与起皱分析。动力准则的内容是：若由扰动引起的全部运动的最大幅度随着挠度的趋 于零而减少到零，则平衡稳定。动力准则要求解动力平衡方程的初值问题，求解冲压过程 正是这类问题。实际上，起皱分析的难点在于起皱以后的计算的准确性。 2 ) 拉裂例拉裂也是板料成形工艺过程常见的失效形式。在成形中，由于工件形状、 结构复杂，毛坯变形区内的变形分布、各部位的变形状态及其变形路径都在不断的变化， 其过程是很复杂的。变形区内常常因变形过大而开裂破坏，影响正常的冲压成形和产品质 量。 拉深成形破裂类型可分为拉深破裂( 凸模圆角处) 和拉裂( 侧壁破裂) 两类，一般来说， 对于小型零件和圆筒形零件，其拉裂一般都是拉深破裂。但是对于相对材料厚度很小的大 型零件或者产生不均匀变形的复杂形状零件的拉深，则常常产生侧壁破裂。 解决制件拉裂的具体调整方法有如下几种： 调整压料力，使压料力变小。 调整拉深间隙，使间隙变大，并使间隙变得均应。 调整凹模圆角半径，凹模圆角半径太小，制件易拉裂，加大凹模圆角半径可降低拉 裂风险。 调整凹模圆角半径。 调整凹模圆角与凸模的相对位置。 毛坯尺寸太大或形状不当，板料质量及润滑不好也会使制件拉裂，故应改变毛坯尺 寸或形状，调整冲压工艺。 在板料成形时，在控制起皱的过程中又会导致板料成形极限下降，使板料过早地发生 拉裂。特别是对于形状复杂或深度大的工件来说既要保证成形形状或精度，又要抑制起皱 发生，在实际加工工艺中常常是比较困难的。当起皱与拉裂发生矛盾时，起皱的抑制必须 以板料不拉裂为基本条件。 3 ) 回弹啪1 在板料成形结束阶段，随着变形力的释放或消失，成形过程中存储的弹 性变形能要释放出来，引发内应力重组，进而导致零件整体形状改变，这种现象称为回弹。 回弹是板料成形成形后不可避免的现象，回弹现象主要表现为整体卸载回弹、切边回弹和 局部卸载回弹，当回弹超过允许容差后，就成为成形缺陷，影响零件的几何精度。因此回 弹一直是影响、制约模具和产品质量的重要因素。 零件的最后回弹是整个成形历史的积累效应，而板料成形过程与模具几何形状、材料 特性、摩擦接触等诸多因素密切相关，所以板料成形的回弹问题非常复杂。覆盖件拉深成 形的回弹控制一般从两方面入手： 通过改变成形过程边界条件，如板料形状、压边力、模具圆角、摩擦状态等因素来 1 0 西安工业大学硕十学位论文 减少回弹，这类方法为工艺控制法； 在特定的工艺条件下，预测或实测回弹量的大小，然后通过修正模具形状使回弹后 的零件形状恰好符合设计要求，该方法为几何补偿法。在实际中，两种方法一般联合使用， 以达到最佳效果。 3 板料拉深成形数值模拟中有限元法的应用 3 板料拉深成形数值模拟中有限元法的应用 3 1 引言 许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析等，都可归结为在给定边界 条件下求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题，但能用解析方法求出精确解 的只是比较简单，且几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题，由于物 体的几何形状较复杂或者问题的某些特征是非线性的，很少有解析解。这类问题的解决通 常有两种途径：一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到 它在简化状态的解。因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的解，所以这种方法只 在有限的情况下是可行的。而数值模拟技术是人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础 上，借助于计算机技术来获得满足工程要求的数值解。 目前在工程技术领域常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和 有限差分法等，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。单元划分得越 细，计算结果就越精确。有限单元法的基本思想早在4 0 年代初期就有人提出，但真正用 于工程中则是在电子计算机出现后。数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛的应 用。 3 2 有限元法理论基础 3 2 1 有限元法技术简介 有限元方法是2 0 世纪中叶在计算机诞生之后，在计算数学、计算力学和计算工程科 学领域诞生的最有效的数值计算方法。经过5 0 年的发展，各种不同的有限元方法形态相 当丰富，理论基础相当完善，而且已经开发了一批实用有效的通用和专用有限元软件。通 过使用这些软件，人们已经成功地解决了机械、机电、冶金、力学等领域众多的大型科学 和计算难题。 可以分析形状十分复杂的、非均质的各种实际工程结构。从理论上讲，各种金属材 料的各类成形过程，都可以用有限元法进行分析，而其他的研究方法则受到种种限制。 可以在计算机中模拟各种复杂的材料本构关系、载荷和条件。能考虑多种因素对变 形的影响，如摩擦、模具形状等。 能够获得多方面的信息，如成形力、应力分布、应变分布以及对金属流动方向的预 测等。这些参数本来需要通过实验才能得到，现在利用有限元模拟成形过程即可求得。 可以对系统进行结构动力分析。 由于前处理和后处理技术的发展，可以进行大量方案的比较，并迅速用图形表示计 算结果，从而有利于对工程方案的优化。 1 2 两安t 业大学硕士学位论文 当然，有限元法也有其不足之处，即计算工作量大，通常需要大容量计算机和花费较 多的计算时间。特别是在进行大变形弹塑性分析时，所需的时间较长，而且计算精度也有 待于进一步提高。 1 ) 有限元法基本思想 有限单元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点