（材料加工工程专业论文）物理拉深筋对高强钢板成形质量影响的数值模拟及其结构参数优化.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 设置拉深筋是提高复杂曲面拉深件变形均匀性的有效手段。高强度钢板与普 通钢板相比，在成形性能上有独特的规律，导致采用等效拉深筋数值模拟高强度 钢板成形的模拟结果越来越不准确。由于计算机技术的飞速发展，采用物理拉深 筋进行数值模拟逐渐变得可行。研究物理拉深筋在高强度钢板成形中的作用效果， 找出其结构参数对板料成形的影响规律，并对其结构参数进行优化，对高强度钢 板成形中拉深筋的设计及修正具有重要的指导意义。 本文首先分析了高强度钢板与普通钢板在成形性能上的显著差别。为了全面 研究高强度钢板成形过程中物理拉深筋的影响规律，将与拉深筋相关的结构及位 置尺寸等各个参数作为研究目标，采用正交试验设计方法，通过大量数值模拟获 得各参数对高强度钢板成形质量的影响数据，结合试验结果分析，得到了物理拉 深筋对高强度钢板成形过程影响较大的主要因素，给出了这些主要因素对高强度 钢板成形后板料厚度、回弹量的影响规律。不但可以指导拉深筋设计，而且在修 模时可为拉深筋参数的修正提供重要参考。 为了进一步研究拉深筋设计规律，采用多元非线性回归函数来拟合拉深筋各 参数对拉深阻力的影响。将成形后板料厚度的均匀性作为优化目标，解决了圆角 处与非圆角处板料成形后厚度不均及直边处板料变形不充分的问题。通过模拟可 知多元非线性回归方法能准确的拟合板料变薄率与物理拉深筋各个参数之间的关 系，能建立带有约束的成形质量的数学模型。通过对比优化前后的板料厚度分布 结果可知，采用多元非线性回归优化方法进行物理拉深筋结构参数的优化是可行 的，为实际生产中拉深筋的优化设计提供了一种有效方法。 关键词：高强度钢板；物理拉深筋；a n s y s ；非线性回归；正交试验设计 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n s t a l l a t i o no fd r a w b e a dw a so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e a n st ob a l a n c et h e m a t e r i a lf l o w i n gi nt h es h e e tf o r m i n g a st h eu n i q u er u l eo fh i g hs t r e n g t hs t e e lw h i c h w a sd i f f e r e n tf r o mo r d i n a r ys t e e li ns h a p i n gp r o p e r t y , i tb e c a m ei n a c c u r a t eb yu s i n gt h e e q u i v a l e n td r a w b e a dt os i m u l a t et h ei n f l u e n c eo ft h ed r a w b e a di nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n i tb e c a m ef e a s i b l eb yu s i n gt h ep h y s i c a ld r a w b e a di nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na st h es w i r ld e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h ef u n c t i o no fp h y s i c a l d r a w b e a dw a ss t u d i e dt of i n di t si n f l u e n c eo nt h ef o r m i n gr u l eo fh i g hs t r e n g t hs t e e l r u l e sw e r eu s e dt oo p t i m i z et h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s a l la b o v ec o u l db eu s e dt od i r e c t t h ed e s i g no fp h y s i c a ld r a w b e a dd u r i n gt h ef o r m i n go fh i g hs t r e n g t hs t e e l t h ed i f f e r e n c e so fs h a p i n gp r o p e r t yb e t w e e nh i g hs t r e n g t hs t e e la n d o r d i n a r ys t e e l w e r ea n a l y s e di nt h i sp a p e r t os t u d yt h ei n f l u e n c eo f p h y s i c a ld r a w b e a di nt h ef o r m i n g o fh i g hs t r e n g t hs t e e l t h ep a r a m e t e r sr e l a t e dt ot h es i z ea n ds t r u c t u r eo ft h ed r a w b e a d w e r ec o n s i d e r e da st h er e s e a r c hg o a l s t h r o u g ht 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 ，am a s so fs i m u l m i o nw e r ec a r r i e do u ta n dt h eo r i g i n a ld a t e sa b o u tv a r i o u s p a r a m e t e r si n f l u e n c i n gt h ef o r m i n go fh i g hs t r e n g t hs t e e lw e r eo b t a i n e d c o m b i n i n gt h e a n a l y s i sr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c e so f v a r i o u sp a r a m e t e r so f p h y s i c a ld r a w b e a dt ot h es h e e t t h i c k n e s sa f t e rf o r m i n ga n dt h es p r i n g b a c kw e r ep r o v i d e d f u r t h e r m o r e ，t h em a i n f a c t o r so fp h y s i c a ld r a w b e a di n f l u e n c i n gt h ef o r m i n go fh i g hs t r e n g t hs t e e lw e r e o b t a i n e d a l lt h e s ec o n c l u s i o n sc o u l dn o to n l yb et h eg u i d a n c ei nt h ed e s i g no f d r a w b e a da n db et h er e f e r e n c e dd a t e si nt h em o d i f i c a t i o no fd r a w b e a d i no r d e rt of u r t h e rs t u d yt h el a wo fd r a w b e a dd e s i g n ，t h em u l t i v a r i a t en o n l i n e a r r e g r e s s i o nf u n c t i o nw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so ft h ep a r a m e t e r so fd r a w b e a do n t h er e s i s t a n c e t h eu n i f o r m i t yo ft h es h e e tt h i c k n e s sw a so p t i m i z e da st h et a r g e tt os o l v e t h ep r o b l e m sw h i c he x i s t e di nt h et h i c k n e s sd i f f e r e n c ea n dt h ei n s u f f i c i e n td e f o r m a t i o n o ft h ef o r m e ds h e e ta r o u n dt h ec o m e r s t h r o u g ht h es i m u l a t i o ni ts h o w e dt h a tt h e m e t h o do fm u l t i v a r i a t en o n l i n e a rr e g r e s s i n gc a nf i tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et h i n n i n g i i 山东人学硕十学位论文 r a t eo fs h e e ta n dp a r a m e t e r so fd r a w b e a da c c u r a t e l y t h i sm e t h o dc a na l s os e tu pa r e s t r i c t e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ff o r m i n gq u a l i t y f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t sb y c o m p a r i n gb e f o r ea n da f t e rt h eo p t i m i z a t i o n ，i tc a m et oac o n c l u s i o nt h a tt h em e t h o do f m u l t i v a r i a t en o n l i n e a rr e g r e s s i n gw a sf e a s i b l e i tp r o v i d e da no p t i m i z a t i o nm e t h o df o r t h ed e s i g no fd r a w b e a di na c t u a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：h i g hs t r e n g t hs t e e l ；p h y s i c a ld r a w b e a d ；a n s y s ；m u l t i v a r i a t en o n l i n e a r r e g r e s s i o n ；o r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 殖让 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名矽丑f j 0 参师签 一川p 山东人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 板料冲压成形是现代制造业中十分重要的成形技术，广泛应用于航空、航天、 汽车、船舶和家用电器等许多领域。在制造业特别是汽车行业中，板料成形技术 占据着非常重要的地位。汽车工业的发达与否是评价一个国家机械、电子、材料、 模具等工业发展水平的重要标志。而车身的设计和生产是整车开发的关键，它在 很大程度上决定了新车型的开发周期和成本。因此，开展对汽车覆盖件成形的理 论和实践研究具有重要的现实意义0 - 3 】。 随着数值分析技术、计算机软硬件水平的高速发展，应用模拟技术进行板料 成形过程的模拟和预测变得越来越具有现实意义。随着模拟精度的提高和模拟结 果越来越贴近实际，数值模拟复杂零件的成形过程，可以深入分析各个工艺参数 和材料参数对成形的影响，预测板料流动、应力应变及成形缺陷，帮助设计人员 准确评价复杂零件的成形工艺设计的可行性，并进行缺陷分析和预测，改进工艺 参数。在板料成形c a e 软件模拟覆盖件成形的基础上，根据模拟数据优化成形工 艺参数，验证并优化模具结构，能缩短生产准备周期，提高产品质量。将数值模 拟技术应用于复杂冲压件成形是不可替代的趋势。 目前，国内外很多企业都已将计算机模拟技术运用到冲压工艺、模具设计和 生产工艺中，对企业的竞争力的提高起到了明显的促进作用。经过多年的发展， 板料成形数值模拟逐渐走向成熟，得到了汽车制造业的重视和应用，美国通用、 福特，德国大众、奔驰，日本丰田等大型汽车制造公司都已应用板料成形模拟技 术指导汽车覆盖件的开发和生产，并且产生了很好的经济效益。随着我国汽车、 飞机等工业的发展，板料成形模拟技术的需求会越来越广泛。 在汽车覆盖件的拉深成形中，由于汽车覆盖件在形状精度、尺寸精度、表面 质量、刚性、冲压工艺性等的特殊要求【4 】，拉深筋的设置起着非常重要的作用。拉 深筋设置是否合理甚至决定着冲压的成败，因此拉深筋的设计是汽车覆盖件拉深 成形的一项重要内容。特别是在成形非对称的复杂零件时，为保证材料变形均匀， 第一章绪论 常常需要在板料某些“易流动”部位局部增加阻力，在“难流动 部位局部减少 阻力，拉深筋是一种很好的实现这种要求的手段。冲压过程中，拉深筋是模具设 计人员经过多次调试才最终确定下来的，这其中包括许多的经验要素，设计速度 慢，影响覆盖件的开发周期。 在板料成形模拟中，由于零件成形的复杂性及拉深筋参数较多，通常难以确 立精确的数学模型来描述成形后成形效果与这些工艺参数之间的关系。本文先采 用正交试验设计方法得到了物理拉深筋各参数中对高强度钢板成形质量影响较大 的主要参数。将主要参数作为优化目标，采用多元非线性回归方法来拟合待优化 参数与成形质量之间的数学模型，并进行待优化参数的优化计算和数值模拟验证。 结合数值模拟技术能够解决冲压件成形过程中的诸多难题，对于指导生产实践， 具有一定的理论意义及实用性【5 - 8 1 。 1 2 板料成形数值模拟国内外技术研究现状 随着计算机技术的迅速发展和人们的不懈努力，有限元法已成为能处理几乎 所有连续介质问题和场问题的一种有力的数值计算方法，应用到那些能建立变分 公式问题的领域，例如流体力学、固体力学、热力学及电磁学等领域。在金属板 料成形领域，出现了多种冲压成形有限元数值模拟软件。 有限元法真正地被用于金属塑性成形分析起于上世纪7 0 年代，自从该方法引 入这个领域，就引起了各个国家的广大学者的广泛重视。经过三十多年来的发展， 人们在金属塑性成形有限元理论基础、本构关系、单元类型、动态接触摩擦模型 以及算法上进行大量实质性的研究。塑性理论用以描述固体介质( 如金属、合金 材料) 发生塑性变形时的力学行为，是建立在简单加载条件下的应力应变关 系研究基础上的科学。塑性理论所涉及的材料模型不考虑鲍辛格( b a u s c h i g e r ) 效 应。对于大变形塑性加工问题，由于选用材料模型不同，其对应的塑性理论也有 很大差异。对刚塑性材料模型，由于不计弹性变形，其变形行为的描述基于无限 小变形理论，而弹塑性材料模型则用有限变形理论来描述【9 j 。 1 2 1 国外板料成形数值模拟技术研究现状 1 9 7 7 年，美国通用汽车公司召开了一个关于板料冲压成形分析的研讨会，在 2 山东大学硕士学位论文 会上k o b a y s h i 和n m w a n g 发表了两篇有关冲压成形有限元数值模拟分析的文章。 k o b a y s h i 首次采用了刚塑性有限元法分析了液压胀形问题和半球凸模拉深问题， n m w a n g 提出并采用弹塑性有限元法模拟了平底圆凸模和半球凸模的拉深过程， 并研究了粘性、凸模速度对应变分布的影响。从此，各国学者沿着两个不同的方 向对板料成形进行了广泛的研究，板料成形模拟技术研究就由此开展起来了【l 们。 从理论上讲，塑性有限元法可以模拟分析各种塑性成形工艺。但是，塑性有 限元法的这种分析能力，除了与计算机硬件和相关的软件技术有关外，还取决于 模拟大变形过程中的若干共性技术或关键技术。这些关键技术对塑性有限元模拟 复杂问题的能力、模拟精度、计算收敛性和可靠性以及通用性起着至关重要的作 用。 由于塑性成形理论、材料加工工艺和实验过程分析等方面的发展，特别是计 算机硬件及相关软件技术的高速发展，为上述关键技术的研究提供了手段和基础。 1 9 8 2 年，奥( s l o h ) 【l l 】提出了二维任意形状模具的边界条件处理方法以及刚塑性有 限元法中初始速度场的自动生成算法。1 9 8 3 年，他又用刚塑性有限元法分析了非 对称模具的冲压成形问题。随后，小林史郎等对该算法做了进一步改进使之比较 完善，称为直接迭代法，这些研究工作大大提高了有限元模拟中速度场的牛顿 拉夫森迭代法的收敛性。1 9 8 4 年，n m w a n g 基于各向同性硬化和h i l l 屈服条件， 建立了刚塑性有限元模型，对板料边界加载拉深、液压胀形、板料冲压和拉深等 过程进行了模拟计算并与实验对比，得到了满意的结果。从2 0 世纪8 0 年代中期 开始，许多学者如奥库普( r k o p p ) 、监凯维奇等在弹性有限元网格自动划分技 术的基础上，针对塑性大变形有限元模拟的特点，从二维有限元网格失效判断到 网格重分技术，直至新旧网格数据转换做了大量工作，取得了良好效果。 此外，在汽车覆盖件的成形模拟方面，各国学者在弹塑性有限元法上也取得 了巨大成就。美国通用汽车公司采用弹塑性薄膜单元有限元程序对c a m a r o 的车 门窗成形进行了分析【l2 1 。福特汽车公司采用局部三维有限元模型，对汽车门内覆 盖件的成形过程进行了模拟计算【1 3 】。这些研究及应用进一步拓宽了弹塑性有限元 在金属塑性成形中分析的范围，尤其是在板料成形方面的应用。 第一章绪论 1 2 2 国内板料成形数值模拟技术研究现状 从上世纪8 0 年代后期丌始，国内一些学者开始了对金属成形有限元分析的研 究。熊火轮对a d n i a 程序进行扩充，首先模拟了宽板拉深、液压胀形及汽车暖风 罩的成形过程【1 4 1 。董湘怀采用薄膜三角形单元，开发了弹塑性有限元程序对盒形 零件和机油收集器的成形过程进行了分析【l 引。张凯锋采用刚粘塑性本构关系，开 发了粘塑性板壳成形有限元分析程序，并对方盒的超塑性成形进行了分析【l 引。李 顺平采用刚塑性本构关系，对方盒形件拉深成形过程进行了数值模拟【17 1 ，郭刚【1 引、 徐伟力【l9 】采用退化的m n i d l i n 壳单元开发了静力隐式弹塑性程序，对典型的冲压成 形进行了数值模拟。李尧臣用有限元法模拟了板料冲压成形过程，分析了金属板 在冲压过程中的屈曲现象，建立了增量形式的变分原理，跟踪了板料起皱的发展、 折叠、衰减的全过程【2 0 1 。徐康聪丌展了板料成形过程的显式有限元分析程序的开 发和研究，采用基于随动坐标系的假定应变域壳单元及显式有限元格式求解三维 板料成形问题【2 1 】。胡平在前人工作的基础上，建立了弹塑性有限变形拟流动理论， 开发了相应的有限元程序【2 2 1 。柳玉启将胡平的理论加以应用，模拟了圆板的胀形， 圆筒件、盒形件、锥形件的拉深等过程，并用空单元技术形象地模拟了破裂过程【2 3 】。 王晓林在有限元程序中将模具型面描述成参数曲面，探讨了相关的接触算法，并 对蒙皮的拉深过程进行了数值模拟【2 4 1 。上海交通大学对汽车覆盖件成形数值模拟 技术进行了系统研究，获得了许多有价值的成果【2 5 - 2 7 1 。王永志对板料成形有限元 数值模拟技术及等效拉深筋处理技术进行了深入研究，在动力显式弹塑性有限元 方法基础上，开发了支持拉深筋的板料成形集成仿真系统【2 8 】等等。 国内汽车企业在总体设计和制造技术方面，仍远远落后于国外。除个别单位 外，很少具有设计和制造大型覆盖件模具的能力，缺乏覆盖件成形工艺设计的技 术和经验积累。近年来，板料冲压成形数值模拟研究已经在国内有了较大的发展。 相信随着中国汽车行业的进一步发展，行业的研究设计研发水平会有进一步的提 高。 1 3 高强度钢板应用现状 4 研制环境友好型的汽车将成为今后汽车发展的主要方向，汽车轻量化势在必 山东人学硕七学位论文 行。汽车一方面需要减轻重量以减小对环境的污染，另一方面需要确保安全性， 使用高强度钢板是汽车轻量化的主要途径之一。 1 3 1 高强度钢板在汽车覆盖件成形中的应用 高强度钢板用于汽车车身，除了能够减薄板厚，降低汽车自重外，还能够达 到以下目的：( 1 ) 用于汽车表面件以提高抗凹陷性；( 2 ) 用于汽车易碰撞部位以 提高抗冲击能力。一般来说，汽车外部覆盖件采用强度在3 5 0 4 5 0 m p a 的高强度 钢板，内部件采用强度在4 5 0 - - 6 0 0 m p a 的钢板以减小板厚，从而推进汽车用板材 的高强度化；汽车减震器、保险杠等易受到冲击的部位采用强度在6 0 0 - - 一8 0 0 m p a 级别的钢板；汽车构件多采用强度在3 5 0 5 l o m p a 的高强度钢板，使用具有更高 强度材料以进一步轻量化是汽车制造发展的基本趋势【2 9 1 。表1 1 所示为各主要类 别的高强度钢板的特性比较。 表1 1 各主要类别的高强度钢板的特性比较 特性 b h h s si f i s h s l a d pt r l p 屈强比低 低 低高较低一般 烘烤硬化性能高无差一般较高较高 吸收能一般高较高 加工硬化一般起始加工硬化高高的加工硬化指数 屈服延伸有 无有有 无 有 成形能好好好一般好较好 抗疲劳性能一般高较高 焊接性能好好好 较好 好 较d p 困难 弯曲性能 好 好 好 较好 好好 时效有无有有无有 回弹小一般一般较高一般高 各向同性一般高 般 抗二次加t 脆性 高 一般 高 主要用途外板结构件 1 3 2 高强度钢板成形性能研究现状 目前，对高强度钢板的研究主要集中在对化学成分、轧制工艺、微观力学模 型等方面。另外，一些学者对高强度钢板的成形性能，也做了深入的研究： s p e r c h c t i 水0 1 对比了双相钢与普通的沉淀硬化钢、固溶强化钢和冷加工硬化钢 的成形性能。普通的沉淀硬化钢、固溶强化钢和冷加工硬化钢强度的提高却导致 5 第章铺沧 了塑性的降低。与之相比，双相钢在相同的强度水平时具有较高的伸长率，或在 十h 同的延伸水，f 时具有更高的抗拉强度。 g a l a m b o s ”增在理论上分析了高强度钢板的优势和劣势，通过使用高强度钢 板，可以减少结构件的重量，但是由于刚度并没有改善使得结构件翘曲更明显。 ks a k a t a ，sm a t s u o k a ”3 3 等又开发了一种新型烘烤硬化钢板应变时效高 强度热轧钢板( b h t 板) ，成形时强度低力工性能优良，涂漆烘烤后，不仅屈服 强度增加，抗拉强度也明显增加，而且具有优照的耐常温时效性和高抗冲击性。 周岁华等i “对瑞典d o m e x 7 0 0 m c 高强度热轧钢板的性能进彳了了分析，发现 该钢板有较高的屈服强度、抗拉强度，同时也具有良好的塑性，因此很适合冷冲 雎生产，尤其适合重型车u 型纵梁及横梁的生产。 ss d m m 吲等通过单拉实验和对杯形件的拉深成形，对比了普通深冲钢板和高 强度钢板的材料参数及冲压成形性能，实验显示普通钢板的冲压性能明显要高于 高强度钢板。 x m c h e n i ”i 等通过单拉实验和对t 形板的冲压仿真和实验对几种超高强度 钢板的材料性能进行了比较，如图1 一l 所示。强度越高，成形极限越低，限制了超 高强度钢板的应用。 综上所述，高强度钢板的冲压成形存在很多问题。由于屈服点的升高，对表 面起皱、面变形等表面质量和尺、j 精度带来很大的不利影响；由于延伸率的下降 引起鼓胀成形性、拉深卷边性、弯曲性能下降。因此，高强度钢板的裂纹、微小 的表而性状不良、冲压件回弹、翘曲、形状冻结性不良等都是高强度钢板成形时 的大问题。 9 ”二孑：i 一 7 ，二l 孑 ：矽 ，一一 窄 ；e ” ， 眵 0o0 20日06o8 - 0 n 2 丑n 10 2a l n5o 60 7 p l a s t i c s t h l i h 女 幽1 - 1 不同材料参数比较 o-l口m 帅加钟加 山东大学硕：仁学位论文 1 4 拉深筋的作用、类型及布置原则 1 4 1 拉深筋在板料成形中的作用 拉深成形生产中，尤其是像车身覆盖件这样的大型工件的拉深工序中，往往 会因为零件几何型面的不对称，使得板坯在成形时各处材料沿凹模口的流动速度 不均衡，如图1 2 所示，造成拉深后的工件，局部减薄量大出现颈缩或者破裂，而 有些部位出现起皱、波纹等质量缺陷。为了改善这种状况，需要在压料面上控制 工件不同部位的进料阻力( 毛坯在进入凹模前遇到的阻力) ，即在需要材料多的部 位相应的迸料阻力小，而在需要材料少的部位相应的进料阻力大，如图1 3 所示， 从而平衡坯料在凹模口部的流动速度差异，如图1 - 4 所示，提高零件成形质量。 图1 2 坯料沿凹模口的流动速度差异图图1 3 凹模口不同部位的进料阻力控制 图l - 4 坯料沿凹模口的流动状况 1 4 2 拉深筋的类型 根据断面形状的不同，拉深筋可分为圆形筋、方形筋、拉深槛和三角筋四种 类型。各自断面形状及特点如表1 2 所示【3 刀。 7 第一章绪论 表1 2 常h j 拉深筋 种类 断面形状 用途特点 单 1 法兰流入量大 筋 的拉深 圆 形 控制筋的磨损，加人筋 筋 法兰流入量特槽圆角半径导致的对板 双 筋 别大的深拉深料拉深阻力的减小，可 用设置双筋来弥补 方形筋 弋1 法兰流入量少 与圆形筋相比，能提供 的拉深或胀形 更强的拉深阻力 材料利用率高，同样的 拉深槛 j 飞 法兰流入量少 圆角半径和高度下，比 的拉深或胀形 方形筋的拉深力小 板料完全没有通过筋流 三角筋 飞 胀形 入凹模 1 4 3 拉深筋的布置原则 为了能够适应特定冲压零件成形的需要，拉深筋在种类、断面各尺寸、长度、 条数、位置等参数上都要做特定的选择。参考前人学者们对拉深筋布置规律的研 究成果，按拉深筋作用布置，拉深筋的布置原则见表1 3 。 表1 - 3 拉深筋的布置原则 要求布置原则 增加进料阻力放整圈的或间断的1 条拉深槛或l 3 条拉深筋 增加径向拉应力，降低切 在容易起皱的部位设置局部的短筋 向压应力，防止毛坯起皱 8 山东大学硕+ 学位论文 拉深深度大的直线部分，放l 3 条拉深筋；拉深深度大的圆弧部分， 调整进料阻力和进料量不放置拉深筋；拉深深度相差较大时，在深的部位不设拉深筋，在 浅的部位设拉深筋 上述这三种要求基本涵盖了拉深筋布置时所期望的要求，不管什么样的拉深 筋布置方法，都是这三种作用的相互制约跟组合，所有的拉深筋布置的最终目的 也是根据这三种要求来进行。 1 5 选题意义及主要研究内容 1 5 1 选题意义 在高强度钢板替代普通钢板的过程中，由于高强度钢板强度提高、厚度减薄， 导致成形性能下降、回弹难以控制、表面损伤加剧，车身覆盖件成形质量下降。 因此，对高强度钢板在汽车覆盖件领域成形的可控性研究变得越来越重要。由于 汽车覆盖件大部分是拉深及弯曲工艺的结合，因此研究高强度钢板在拉深及弯曲 工艺方面的成形规律就显得尤为必要，通过适当的更改成形参数，可以获得高质 量的产品，降低成本，增加产品竞争力。 以前的研究，大多集中在究竟采用什么样的等效拉深筋模型来逼近真实拉深 筋，并用该模型来求得等效拉深筋的拉深阻力。在这个逼近的过程中，人们最初 只是简单的把板料变形抗力及摩擦阻力相加，后来逐渐把材料性能上的差异( 比 如材料的各向异性、厚向异性等) 引入到等效拉深筋的阻力计算模型中。尽管如 此，在等效拉深筋阻力的模型公式中，人们还是不得不忽略一些对真实拉深筋阻 力有着重要影响的一些因素，比如板料经过拉深筋后的加工硬化和鲍辛格效应等， 对于加工硬化系数较小的普通钢板，忽略加工硬化和鲍辛格效应的数值模拟结果 跟实验相比可能误差较小，由于高强度钢板硬化系数大大增加，这种误差就会变 得较大，这势必导致等效拉深筋阻力公式的计算结果存在着较大的误差，削弱对 现实生产中拉深筋设计的指导效果。目前的等效拉深筋模型很难准确描述高强度 钢板经过拉深筋时的弯曲及反弯曲变形，也不能对其厚度变化、拉长现象进行准 确的模拟。 因此，系统研究高强度钢板成形中拉深筋的作用是十分必要的。在等效拉深 9 第一章绪论 筋模型不能充分揭示拉深筋对高强度钢板成形的影响规律时，采用物理拉深筋进 行数值模拟无疑是一个很好的方法。研究物理拉深筋各几何参数对拉深筋阻力贡 献的大小，研究高强度钢板经过拉深筋后板料内部的应力应变及板料厚度减薄率 变化规律，并用正交试验法找出物理拉深筋对高强度钢板成形质量影响最大的因 素，并分析给出主要因素对高强度钢板成形的影响规律，得到的规律对拉深筋的 设计及后续修j 下有重要的指导意义。通过多元非线性回归方法，建立板料成形质 量与拉深筋各个几何参数之间的数学函数，运用m a t l a b 软件对回归函数进行优化 计算，得到优化后的参数组合，使用优化后的参数组合能得到最好的板料成形质 量，这种优化方法不但可以大大减少只靠经验进行设计导致的盲目性，而且可以 大大减少试模次数，提高设计效率。 1 5 2 主要研究内容 鉴于高强度钢板与普通钢板的成形性能差异及数值模拟中物理拉深筋与等效 拉深筋优缺点的对比，本文主要研究数值模拟中物理拉深筋各参数对高强度钢板 零件成形质量的影响规律，主要内容如下： ( 1 ) 普通钢板与高强度钢板成形质量的对比。 本文研究了相同工艺参数下高强度钢板与普通钢板成形质量的差异。通过这 种对比，揭示了高强度钢板具有显著不同于普通钢板的成形规律，因此，重新考 查高强度钢板的成形规律是必要的。 ( 2 ) 板料通过物理拉深筋时内部应力应变及板料厚度减薄率的变化过程。 板料通过拉深筋时，将经过剧烈的弯曲与反弯曲变形。由于高强度钢板硬化 系数高，鲍辛格效应明显，因此，高强度钢板通过拉深筋时的残留应力应变将更 高。通过数值模拟的方法，直观得到经过拉深筋后板料内部应力应变及减薄率的 变化曲线，系统的分析板料在经过拉深筋过程中的一系列弯曲与反弯曲变形过程， 为后续研究物理拉深筋对高强度钢板成形的影响规律提供参考。 ( 3 ) 物理拉深筋几何参数对高强度钢板成形质量的影响。 在l s d y n a 软件的等效拉深筋模型中，实际的拉深筋近似为一条线，在该条 线上对板料施加拉深筋约束阻力。拉深筋拉深阻力主要由两部分构成，一部分是 板料在弯曲和反弯曲变形中的变形抗力，一部分是板料与模具和压料面的摩擦力。 1 0 山东大学硕士学位论文 由于等效拉深筋的局限性无法克服，本论文通过现有的有限元软件采用物理 拉深筋进行数值模拟，着重研究了物理拉深筋各几何参数在高强度钢板成形的数 值模拟中对零件成形质量的影响规律。采用正交试验法，研究了物理拉深筋各几 何参数对拉深筋阻力的贡献大小，找出了对拉深筋阻力影响较大的主要因素，进 一步分析给出了各主要因素对拉深筋阻力的影响规律。 ( 4 ) 运用多元非线性回归算法对物理拉深筋的各参数进行优化。 运用多元非线性回归算法，得到能准确描述零件成形质量与物理拉深筋各个 几何参数之间的数学模型，并根据拉深筋结构参数的取值范围设定优化的约束条 件，对正交试验中所确定的对拉深筋阻力影响较大的拉深筋结构参数进行了优化， 获得了满足预期值的成形质量的优化解。采用优化设计后的物理拉深筋各参数组 合再次进行数值模拟，通过对比优化前后的零件成形质量，验证得到的数学模型 的准确性和可行性。 笫二章板料成形有限元数值模拟的理论荩础 2 1 引言 第二章板料成形有限元数值模拟的理论基础 板料成形是材料加工成形的一个重要分支，它广泛应用于汽车、航天、航空、 家电等各个部门，而随着现代工业的发展，很多国家都将汽车、家用电器等能够 带动机械、电子、材料、计算机、通信、自动控制等领域科技发展的产业作为国 家的支柱产业。经过塑性成形、有限元技术、材料科学、计算机图形学等研究领 域的学者们不懈的努力，板料成形数值模拟的理论基础已逐步成熟，成形仿真技 术成为车身覆盖件模具设计的有力工具。 人们对板料成形质量的要求越来越高，而板料成形件的形状却日趋复杂化， 单纯依赖经验和直觉的模具设计方式显现出效率上的劣势。自上世纪7 0 年代，人 们逐渐以数值模拟技术为辅助设计手段，有效的降低了生产制造的成本，大大缩 短了产品的设计周期。然而，板料成形是一种复杂的力学过程，其中包含几何非 线性、材料非线性、接触非线性等强非线性问题，影响参数非常多，这对数值模 拟技术造成了极大的挑战。虽然目前板料成形的数值模拟软件已经商业化，但板 料成形的模拟技术还不够完善，仍然是国内外研究的热点。 2 2 塑性理论基础 2 2 1 匝力厘变关系( 本构关系) 在材料力学或弹塑性力学中，线弹性材料的应力应变关系( 本构方 程) 即广义虎克定律，其形式为： s ，= 去 仃，一p ( o y4 o z ) y 拶= 石1r 矽 旷奇旷p ( c r + e r ) k = 石1k ( 2 - 1 ) s ：= 去 a ：一肛( o x l - o y ) ，。= 石1r ， 也可以用府蛮表示麻力。加： 1 2 山东大学硕十学位论文 旷2 g 卜+ 南j 胡y ， 旷2 g 卜南j 铲回声 q 。2 咿2 g 卜+ 南j k 却k 板料成形有限元计算的准确性很大程度上取决于本构关系能否真实反映材料 的特性。对于板料成形过程来说，建立弹塑性的本构关系模型主要是解决两个问 题：( 1 ) 如何建立屈服准则；( 2 ) 如何建立流动准则。板料成形过程中，本构关系 具有非线性性质，且与加载历史有关。在有限元计算中，与弹塑性本构关系有关 的一个重要问题是在屈服状态下如何求出一个给定应变增量后对应的应力状态， 可采用增量理论建立应力增量与应变增量之间的关系。 2 - 2 2 材料的屈服准则 板料成形的变形可分为弹性变形和塑性变形。屈服准则描述在不同应力状态 下变形体某点进入塑性状态，继续塑性变形。对于任意的应力状态，材料质点的 屈服与6 个独立的应力分量或3 个主应变有关，同时也与材料本身的性能有关。 屈服准则可表达为： f ( a x ，a y ，a - ，k ，列= c 或f ( a l ，0 2 ，叫= c ( 2 - 3 ) 式中，c 为与材料性能有关的常数。冲压所用的板料由冷轧生产，具有明显的各向 异性，板料各向异性对拉深成形过程中突缘出现制耳、断裂位置和成形极限高度 的改变等都有影响。 目前，在板料的各向异性屈服条件中，应用比较普遍的是厚向异性h i l l 屈服 准则和讵交各向异性的b a r l a t 屈服准则。一般情况下，人们应用不同屈服准则的 参考标准是：在简化计算中，经常使用基于各向同性假设的v o nm i s s 屈服准则； 当考虑板料各向异性时，采用h i l l 各向异性、b a l a r t 平面应力各向异性等屈服准则。 但是鉴于高强度钢板的成形性能曲线的独特性，本文采用通用的分段线性塑性模 型，它是一个很常用的塑性准则，特别适用于钢。采用这个模型，可以输入与应 变率相关的应力应变曲线，也可以根据塑性应变定义失效。采用c o w p e r - s y m b o l s 模型考虑应变率的影响，它与屈服应力的关系为： 第一章板料成形有限元数值模拟的理论基础 仃y ( s 易，奎) = 仃y ( s 易) ( 2 4 ) 式中为有效应变，c 和p 为应变率参数，o y ( s 易) 为没有考虑应变率时的屈服应 力。该屈服应力值既可以用屈服应力s v 和切线模量e 锄表示，也可以用真实应力 应变曲线表示。 2 3 数值模拟中摩擦与接触的处理 2 3 1 摩擦处理方法 汽车覆盖件成形过程中，毛坯与模具之间存在相对运动，也必然伴随着摩擦 现象。在显式有限元方法中，接触界面上的法向接触力及切向接触力的计算都与 罚函数法密切相关。对法向接触力，通过接触搜索，若发现有穿透，则计算出接 触点处接触块表面的法矢量再及穿透量季，得到作用在节点上的法向接触力，然后 计算出摩擦力。 2 3 2 接触处理方法 在成形过程中，所施加的载荷通过模具与板料之间的接触进行传递，使板料 成形。接触现象的主体常成对出现，在接触过程中，板料的变形和接触边界的摩 擦作用使部分边界条件随加载过程而变化，导致了边界条件的非线性。 目前常用的接触算法有：罚函数法( p e n a l t ym e t h o d ) 、广义拉格朗日法 ( a u g m e n t e dl a g r a n g e ) 、多点约束法( m u l t i p o i n tc o n s t r a i n t ，m p c ) 等。 罚函数法于1 9 8 1 年由h u a g 等人提出，1 9 8 2 年8 月开始用于d y n a 2 d 中。 现在，罚函数法已经发展为一种常用的接触界面算法，在数值计算中被广泛应用。 罚函数法的基本原理是：在每一个时间步首先检查各从节点是否穿透主面，如没 有穿透不作任何处理，如果穿透，则在该节点与被穿透主面间引入一个较大的界 面接触力，其大小与穿透厚度、主面的刚度成正比。这在物理上相当于在两者之 间放置一个法向弹簧，以限制从节点对主面的穿透。接触力称为罚函数值。这种 1 4 一尸 一、ll ，碰一1艺了 ，fj-l + 山东大学硕十学位论文 方法具有对称性，动量守恒准确，不需要碰撞和释放条件，因此很少引起h o u r g l a s s 效应，噪声小，是l s d y n a 最常用的算法。 l a g r a n g e 法是一种精确的接触力计算方法，但它与显式算法不相容，必须经 过特殊的数值处理才可用于显式计算。相比普通的罚函数方法，广义拉格朗日法 常常能得到更好的模拟结果，对接触刚度系数也不是那么敏感，然而在某些分析 算例中，广义拉格朗日方法需要更多的迭代次数，收敛比较慢一些。 m p c 算法适用于面对面、点对面的接触单元。使用该方法时，程序会根据接 触运动建立m p c 方程。内部m p c 方法能够克服传统接触法则和其他多点约束方 法的缺点。若与粘结接触结合使用，m p c 方法可简化下列形式的接触装配和运动 约束：周一固装配、壳一壳装配、壳一固装配、梁一固装配、刚性面约束以及任 意面的载荷分布。 内部m p c 方法可以克服传统接触算法和其他多点约束工具的缺点，例如：接 触面节点的自由度被消去；可以减小系统方程求解的波前大小；不需要输入接触 刚度；对于小变形问题，它代表真实的线性接触行为；求解系统方程时不需要平 衡迭代；对于大变形问题，m p c 方程在每个平衡迭代中不断进行更新，克服了传 统约束方程只适用于小应变的限制条件。 2 4 数值模拟求解方法 用于板料成形的有限元算法大体可以分为弹一( 粘) 塑性和刚一( 粘) 塑性。 粘塑性有限元法主要应用于热加工，而刚塑性有限元法在板料成形中应用有限。 目前，弹塑性有限元法在板料成形数值模拟中应用较广。用弹塑性有限元法分析 板料成形问题，不仅能计算工件的变形和应力、应变分布，而且还能计算工件的 回弹和残余应力、残余应变等。由于板料成形过程中板料与模具具有相对滑动、 粘着和脱落，所以必须控制增量步的大小从而尽量反映真实情况。 根据对时间积分方法的不同，板料成形有限元算法可分为静力隐式、静力显 式和动力显式。隐式算法是非条件稳定的，它在解决低速接触问题中更有优势【3 9 1 ， 而在解决复杂的三维模型时将会遇到困难1 4 0 1 ：当时间步长减小时，内存消耗会急 剧增大，甚至造成收敛问题；局部的不稳定性很难达到力的平衡，这也不符合静 第二章板料成形有限元数值模拟的理论基础 态隐式的先决条件。显式算法克服了隐式算法的缺点【4 ，然而它的不足之处在于， 在解决像板料成形这样的条件稳定问题时，必须尽量消除惯性力的影响。对此一 般有两个办法可采用：一个就是将运动能限制在应变能的5 以下；另外就是限制 元素类型，一般只采用四节点的四边形或者八节点的实体型。由于回弹是一个准 静态问题宜采用隐式算法。板料成形中常常先用显式算法模拟成形阶段，而用隐 式算法模拟回弹。 2 5a n s y s 中的单元模型类型 2 5 1a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件。它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r 、 n a s t r a n 、a l o g o r 、i d e a s 、a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a e 工 具之一。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划