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大型薄板局部特征成形过程中的凸包开裂与翘曲回弹控制技术研究 摘要 大型薄板局部特征类冲压件作为底板、背板、基体类零件，在汽车工业和家 用电器业中应用十分普遍。这类零件的特点是板料厚度薄( o 6 o 8 m r n ) 、零件面 积大、整体刚度较差，且由分布不均、深浅不一的局部特征所构成。对于较复杂 的大型薄板类冲压件，由于不均匀的局部特征成形，使其在生产制造过程中经常 会出现局部特征开裂、打鼓、翘曲回弹等问题，而开裂和翘曲回弹尤为严重，影 响了产品质量和装配精度，延长了产品的更新换代周期。 对于开裂问题，从上世纪9 0 年代起，就有大量国内外学者进行了相关研究， 一般通过调节压边力和设置拉延筋就能得到很好的解决。但是对于一些特殊的零 件，比如背板零件，成形过程中既不能调节压边力又不能设置拉延筋。对于这种 零件的开裂问题，必须寻求新的解决方法。对于回弹问题，近年来国内外学者在 回弹预测与回弹控制方面做了大量的研究工作，但是对于由于局部特征成形导致 的翘曲回弹问题研究的比较少。对于翘曲回弹的控制，目前也缺乏实际可行的一 般方法和流程。 本文基于工程实际，利用有限元数值模拟方法对大型薄板局部特征成形类零 件成形过程中出现的凸包开裂和翘曲回弹控制技术进行了系统的研究。 本文研究的具体内容包括： ( i ) 对背板零件本身的结构成形特点和成形后的应力进行了分析，并对背 板零件出现翘曲回弹问题的原因和机理进行了阐述。提出背板零件成形脱模后， 交替分布的拉压应力的释放以及残余弯矩使零件未成形区域产生失稳现象是导致 其出现翘曲问题的根本原因。 ( 2 ) 提出了多步成形危险截面转移法来解决背板零件出现的矩形凸包底部 开裂问题。为了使局部特征有更好的成形质量，建立了材料s e c c n 5 的质量函数 曲线，并利用自适应响应面法对中间构型的几何参数凹模入口圆角r l 、凸模 圆角r 2 以及成形深度h 进行了优化。 ( 3 ) 研究了基于局部特征的翘曲回弹控制技术。对背板零件进行了特征提 取，并对提取的局部特征进行了分析。提出了“弯矩抵消”方法和“波动剪切” 方法，有效地控制了单特征成形过程中的翘曲问题，并利用多特征进行了验证， 结果表明，这两种方法对于多特征成形过程中的翘曲回弹控制依然有效，从而可 以推广到背板零件的翘曲回弹控制中。 ( 4 ) 研究了基于整体刚度的翘曲回弹控制技术。提出将形貌优化方法用于 背板零件强化压痕的布置。对一个典型的背板零件在其未变形区域利用形貌优化 方法布置了强化压痕，并对形貌优化结果进行了工程可制造化处理。计算结果表 塞型璧丝堡二一 明，利用形貌优化方法布置强化压痕后，背板零件的各阶非刚体模态固有频率都 有较大程度的提高，背板零件的整体刚度明显增强，从而可以对背板零件的翘曲 起到抑制作用。 关键词：模组背板；局部特征成形；翘曲回弹；多步成形：形貌优化 a b s t r a c t l a r g es c a l e s h e e tm e t a ls t a m p i n gp a r t s ，s u c h a sb a s e p l a t e ，b a c kp a n e l ，m a t r i xp a r t s ， a r ev e r yw i d e l yu s e di nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y a n dh o u s e h o l de l e c t r i c a la p p l i a n c e i 1 1 d u s t r i e s t h ec h a l 麓c t e r i s t i co ft h e s ep a r t si st h i nt h i c k n e s s ( 0 6 o 8 r a m ) ，l a r g es i z e a n dd o o rs t i f f n e s s a n dt h e ya r ec o m p o s e do f t h el o c a lf e a t u r e sw h i c ha r en o n u n i f o r m d i s t r i b u t i o na n dd i f f e r e n td e p t h s d u et ot h eu n e v e nf o r m i n go ft h el o c a lf e a t u r e s ，t h e c o m p l e xl a r g es h e e tm e t a ls t a m p i n gp a r t so f t e no c c u r c o n v e xc r a c k i n g ，l i g h tw r i n k l i n g o fl a r g ea r e aa n do v e r a l lw a r p i n gs p r i n g b a c k t h e s ed e f e c t ss e r i o u s l ya f f e c tt h ep r o d u c t q u a l i t ya n dt h ea c c u r a c yo f t h ea s s e m b l y , a n de x t e n dt h eu p g r a d ec y c l eo f t h ep r o d u c t s i n c et h e19 9 0 s ，al a r g en u m b e ro fr e s e a r c h e r sd i dm u c hr e s e a r c ha b o u tt h e c r a c l ( i n gp r o b l e m g e n e r a l l y , c r a c k i n gp r o b l e mc a nb es o l v e dw e l lb ya d j u s t i n gt h e b h fa n ds e t t i n gd r a w b e a d s b u tf o rs o m es p e c i a lp a r t s ，s u c ha sb a c kp a n e l ，t h eb h f c a nn o tb ea d j u s t e dd u r i n gt h es t a m p i n gp r o c e s s f o rt h ec r a c k i n gp r o b l e mo f t h i sk i n d o fp a r t s ，n e ws o l u t i o n sn e e dt ob ef o u n d a b o u tt h es p r i n g b a c kp r e d i c t i o na n dc o n t r o l d r o b l e m ，m a n yr e s e a r c h e r sd i dm u c hw o r k si nt h er e c e n ty e a r s b u tt h es t u d yw o r k a b o u tt h ew a r p i n gs p r i n g b a c kc a u s e db yl o c a lf e a t u r e sf o r m i n gi sr e l a t i v e l yf e w a n da t p r e s e n t ，i ti sv e r yl a c ko fp r a c t i c a lm e t h o d sa n dp r o c e s s e sf o rt h ew a r p i n gs p r i n g b a c k c o n t r 0 1 b a s e do ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di s u s e di nt h i sp a p e rt of i n dt h es o l u t i o n st ot h ec o n v e xc r a c k i n ga n dw a r p i n gs p r i n g b a c k p r o b l e mc a u s e db yl o c a l f e a t u r e sf o r m i n gd u r i n gt h el a r g es h e e tp a r t ss t a m p l n g p r o c e s s t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri sa sb e l o w ： ( 11b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n df o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h eb a c k p a n e lp a r t s ，t h er e a s o n sa n dm e c h a n i s m so ft h ew a r p i n gs p r i n g b a c kp r o b l e m a r e e x p l a i n e d t h i sp a p e rc o n s i d e r st h a t t h eu n s t a b i l i t yc a u s e db yt h er e l e a s i n go ft h e a l t e n l a t i v ed i s t r i b u t i o no ft h et e n s i l ea n dc o m p r e s s i v es t r e s sa n dt h er e s i d u a lm o m e n t i s t h er o o tr e a s o no ft h ew a r p i n gs p r i n g b a c kp r o b l e m ( 2 ) t h em u l t i s t e pf o r m i n gm e t h o di sp r o p o s e dt o s o l v et h eb o t t o mc r a c k i n g p r o b l e mo ft h er e c t a n g u l a rc o n v e xd u r i n gt h eb a c kp a n e ls t a m p i n gp r o c e s s i no r d e r t o g e tb e t t e rf o r m i n gq u a l i t y , t h eq u a l i t yf u n c t i o no f t h es e c c n 5i se s t a b l i s h e da n dt h e a d a p t i v er e s p o n s es u r f a c em e t h o di s u s e dt oo p t i m i z et h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s 【d i e v 工程硕士学位论文 e n t r a n c ef i l l e tr a d i u sr 1 ，p u n c hf i l l e tr a d i u sr 2 ，f o r m i n gd e p t hh ) o ft h ei n t e r m e d i a t e c o n f i g u r a t i o n ( 3 ) t h ew a r p i n gs p r i n g b a c kc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h el o c a lf e a t u r e si s i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h em e t h o do ff e a t u r ee x t r a c t i o ni su s e dt oe x t r a c tas m a l ll t y p ef e a t u r ef r o mt h eb a c kp a n e lp a r t s t h e “m o m e m c o u n t e r b a l a n c e d m e t h o da n d “w a v e c u t t i n g m e t h o da r ep r o p o s e dt os o l v et h ew a r p i n gs p r i n g b a c kp r o b l e ma n d w o r kv e r yw e l li nt h ec o n t r o lo ft h ew a r p i n gs p r i n g b a c kp r o b l e mw h i c ho c c u r si nt h e s i n g l ef e a t u r ea n dm u l t i p l ef e a t u r e sf o r m i n gp r o c e s s ，t h u sc a nb eu s e dt oc o n t r o lt h e w a r p i n gs p r i n g b a c kp r o b l e md u r i n gt h eb a c kp a n e ls t a m p i n gp r o c e s s ( 4 ) t h ew a r p i n gs p r i n g b a c kc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h ei n t e g r a ls t i f f n e s si s s t u d i e di nt h i sp a p e r t h et o p o g r a p h yo p t i m i z a t i o nm e t h o di su s e dt od e s i g nt h el a y o u t o ft h es t r e n g t h e n e d i m p r i n t t h es t r e n g t h e n e di m p r i n tl a y o u ti sd e s i g n e di nt h e u n d e f o r m e dr e g i o no fat y p i c a lb a c kp a n e lp a r t sb yt h et o p o g r a p h yo p t i m i z a t i o n m e t h o da n dt h ee n g i n e e r i n gm a n u f a c t u r i n gt r e a t m e n ti s a p p l i e do nt h eo p t i m i z a t i o n r e s u l t t h ec o m p u t a t i o nr e s u l ts h o w st h a te v e r yn o n - r i g i db o a yo r d e rm o d a ln a t u r a l f r e q u e n c yh a sag r e a ti m p r o v e m e n t ，a n dt h ei n t e g r a ls t i f f n e s so ft h eb a c kp a n e li s s i g n i f i c a n t l ye n h a n c e d t h u s ，t h i sm e t h o dc a nb eu s e dt oc o n t r o lt h ew a r p i n g s p r i n g b a c kp r o b l e m k e yw o r d s ：m o d u l eb a c kp a n e l ；l o c a lf e a t u r ef o r m i n g ；w a r p i n gs p r i n g b a e k ；m u l t i s t e p f o r m i n g ；t o p o g r a p h yo p t i m i z a t i o n v ：。：三呈兰塑兰兰垒兰丝童三：。：。：。：一 ! = ! = ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! = ! = ! = = = ! = ! ! ! ! = ! = ! ! ! = ! = = = = = = = = = = 2 5 一。 插图索引 图1 1 数值模拟仿真技术在冲压模具设计应用中的流程2 图1 2 弹性恢复示意图5 图1 3 角度回弹和卷曲回弹示意图6 图1 4 扭曲回弹示意图7 图1 5 翘曲回弹示意图7 图2 1 模组背板c a d 模型一13 图2 2 模组背板打凸模具结构图1 4 图2 3 成形后的模组背板零件1 4 图2 4 实际生产模具1 4 图2 5 打凸工序的零件c a d 模型15 图2 6 凸包成形深度示意图1 5 图2 7 模组背板冲压工序流程图15 图2 8 打凸过程16 图2 9 上折弯过程16 图2 1 0 凸包开裂的主要形式1 6 图2 ，11 模组背板打鼓1 7 图2 1 2 模组背板翘曲1 7 图2 1 3 材料s e c c n 5 的k r u p k o w s k y 硬化曲线1 8 图2 1 4 模组背板成形后x 方向应力分布一2 4 图2 1 5 模组背板成形后y 方向应力分布一2 4 图2 1 6 背板零件脱模后的状态2 4 图2 1 7 背板零件脱模后x 方向残余应力状态分布一2 5 图2 18 背板零件脱模后y 方向残余应力状态分布一2 5 图2 1 9 某一凸包及周围x 方向应力分布一2 5 图2 2 0 某一凸包及周围y 方向应力分布2 5 图2 2 1 模组背板成形后x x 弯矩分布2 6 图2 2 2 模组背板成形后y - y 弯矩分布2 6 图2 2 3 某一局部特征x x 弯矩分布2 6 图2 2 4 某一局部特征y - y 弯矩分布2 6 图3 1 背板零件开裂的主要形式2 8 图3 2 矩形局部特征c a d 模型2 9 x 大型薄板局部特征成形过程中的凸包开裂与翘曲回弹控制技术研究 图3 3p a m s t a m p2 g 仿真分析模型2 9 图3 4 矩形局部特征一步成形后f l d 图3 0 图3 5 两步成形示意图及相关尺寸3 0 图3 6 第一步构型c a d 模型3 0 图3 7 第二步构型c a d 模型31 图3 8 第一步构型仿真模型31 图3 9 第二步构型仿真模型3 1 图3 1 0 中间构型f l d 图3 2 图3 1 1 最终构型f l d 图3 2 图3 1 2 一步成形和两步成形二维f l d 图比较3 2 图3 1 3 中间构型几何参数组合一3 3 图3 1 4 中间构型几何参数组合二3 3 图3 15r a d i o s s o n e s t e p 一步法仿真模型3 4 图3 1 6p a m s t a m p2 g 增量法仿真模型3 4 图3 17r a d i o s s o n e s t e p 一步法仿真结果( 厚度减薄率) 3 5 图3 18p a m s t a m p2 g 增量法仿真结果( 厚度减薄率) 3 5 图3 1 9 材料s c e e n 5 质量函数曲线3 6 图3 2 0 自适应响应面方法迭代示意图3 8 图3 2 1 目标函数f ( x ) 的迭代历程3 9 图3 2 2 约束条件g 1 ( x ) 的迭代历程3 9 图3 2 3 设计变量圆角r 1 的迭代历程3 9 图3 2 4 设计变量圆角r 2 的迭代历程4 0 图3 2 5 设计变量成形深度h 的迭代历程4 0 图3 2 6 第一步成形优化前与优化后成形极限图对比4 l 图3 2 7 第二步成形优化前与优化后成形极限图对比4 1 图3 2 8 最终成形后零件优化前与优化后的对比4 1 图4 1l 型特征c a d 模型4 4 图4 2l 型特征p a m s t a m p2 g 仿真分析模型4 4 图4 3l 型特征成形后x 方向应力分布4 5 图4 4l 型特征成形后y 方向应力分布4 5 图4 5 单个l 型特征回弹分析结果4 5 图4 6l 型特征回弹结束之后的状态4 6 图4 7 反对称l 型特征c a d 模型4 6 图4 8 反对称特征p a m s t a m p2 g 仿真分析模型4 7 图4 9 反对称特征成形后x 方向应力分布4 7 x ：! ：至堡至型呈兰篁兰鎏圣：，：。：。一 图4 1 0 反对称特征成形后y 方向应力分布4 7 图4 11 反对称特征回弹分析结果4 8 图4 1 2 反对称特征回弹结束之后的状态4 8 图4 1 3 对称特征c a d 模型4 9 图4 1 4 对称特征p a m s t a m p2 g 仿真分析模型4 9 图4 1 5 对称特征成形后x 方向应力分布状态4 9 图4 1 6 对称特征成形后x 方向应力分布状态5 0 图4 1 7 对称特征回弹分析结果5 0 图4 1 8 对称特征回弹结束之后的状态5 0 图4 1 9 单个l 型特征成形之后x x 弯矩云图一5 1 图4 2 0 单个l 型特征成形之后y - y 弯矩云图5 2 图4 2 1 “弯矩抵消”方法分析模型5 2 图4 2 2 特征筋与局部特征下凹方向示意图5 2 图4 2 3 特征筋与局部特征同向c a d 模型5 3 图4 2 4 特征筋与局部特征同向p a m s t a m p2 g 分析模型5 3 图4 2 5 “弯矩抵消”正向模型成形之后x - x 弯矩云图5 4 图4 2 6 “弯矩抵消 正向模型成形之后y - y 弯矩云图5 4 图4 2 7 “弯矩抵消”正向模型回弹分析结果5 4 图4 2 8 原始模型与“弯矩抵消”正向模型脱模之后状态的比较5 5 图4 2 9 特征筋与局部特征反向c a d 模型5 5 图4 3 0 特征筋与局部特征反向p a m s t a m p2 g 分析模型5 6 图4 3 1 “弯矩抵消”反向模型成形之后x - x 弯矩云图5 6 图4 3 2 “弯矩抵消”反向模型成形之后y y 弯矩云图5 6 图4 3 3 “弯矩抵消”反向模型回弹分析结果5 7 图4 3 4 原始模型与“弯矩抵消”反向模型脱模之后状态比较5 7 图4 3 5 “波动剪切”方法假想分析模型5 9 图4 3 6 特征筋与局部特征下凹方向示意图5 9 图4 3 7 特征筋与局部特征同向c a d 模型5 9 图4 3 8 特征筋与局部特征同向p a m s t a m p2 g 分析模型6 0 图4 3 9 原始模型与“波动剪切”正向模型x 方向应力分布比较6 0 图4 4 0 原始模型与“波动剪切”正向模型y 方向应力分布比较6 0 图4 4 1 “波动剪切”正向模型回弹分析结果6 1 图4 4 2 原始模型与“波动剪切”正向模型脱模之后状态比较6 1 图4 4 3 特征筋与局部特征反向c a d 模型6 2 图4 4 4 特征筋与局部特征反向p a m s t a m p2 g 分析模型6 2 x i 大型薄板局部特征成形过程中的凸包开裂与翘曲i 旦i 弹控制技术研究 图4 4 5 原始模型与“波动剪切”反向模型x 方向应力分布比较6 2 图4 4 6 原始模型与“波动剪切”反向模型y 方向应力分布比较6 3 图4 4 7 “波动剪切”反向模型回弹分析结果6 3 图4 4 8 原始模型与“波动剪切”正向模型脱模之后状态比较6 3 图4 4 9 各模型最大回弹量6 4 图4 5 0 验证算例一的四种模型的c a d 模型6 5 图4 5 1 原始模型回弹分析结果6 6 图4 5 2 “弯矩抵消”模型回弹分析结果6 6 图4 5 3 “波动剪切”模型回弹分析结果6 6 图4 5 4 混合模型回弹分析结果6 7 图4 5 5 各模型最大回弹量6 7 图4 5 6 验证算例二的各种模型的c a d 模型6 8 图4 5 7 原始模型回弹分析结果6 9 图4 5 8 “弯矩抵消”模型回弹分析结果6 9 图4 5 9 “波动剪切”模型回弹分析结果6 9 图4 6 0 混合模型回弹分析结果7 0 图4 6 1 各模型最大回弹量7 0 图5 1 背板零件简化c a d 模型7 3 图5 2 背板零件模态分析有限元网格7 3 图5 3 各阶模态固有频率计算结果7 4 图5 4 第一阶非刚体模态振型7 4 图5 5 第二阶非刚体模态振型7 4 图5 6 第三阶非刚体模态振型7 5 图5 7 第四阶非刚体模态振型7 5 图5 8 第五阶非刚体模态振型7 5 图5 9 第六阶非刚体模态振型7 5 图5 1 0 带强化压痕的实际背板零件一7 6 图5 11 带强化压痕的实际背板零件二7 6 图5 1 2 形貌优化的设计流程7 7 图5 1 3 设计区域与非设计区域示意图7 8 图5 1 4 设计区域与非设计区域有限元网格7 8 图5 1 5 背板零件局部特征成形脱模后的状态7 8 图5 16 第2 阶非刚体模态振型7 9 图5 17 第3 阶非刚体模态振型7 9 图5 18 背板零件形貌优化加筋对称平面8 0 工程硕士学位论文 图5 1 9 强化压痕参数示意图8 0 图5 2 0 优化各阶模态固有频率计算结果8 l 图5 2 l 优化二各阶模态固有频率计算结果8 l 图5 2 2 优化三各阶模态固有频率计算结果8 2 图5 2 3 强化压痕位置分布优化结果8 2 图5 2 4 优化四各阶模态固有频率计算结果8 2 图5 2 5 强化压痕位置分布优化结果8 3 图5 2 6 背板零件形貌优化后强化压痕分布8 4 图5 2 7 背板零件形貌优化后等值线云图8 4 图5 2 8 强化压痕工程可制造化处理后的结构8 4 图5 2 9 重构后结构各阶模态固有频率计算结果8 5 x 大型薄板局部特征成形过程中的凸包开裂与翘曲回弹控制技术研究 附表索引 表1 1 破裂产生的原因以及解决方法4 表2 1 材料s e c c n 5 成分参数18 表2 2s e c c n 5 材料参数一18 表3 1 1 0 个测量点厚度减薄率对比与相对误差3 5 表3 2 设计变量的初始值与优化值( 单位：m m ) 3 8 表4 1 原始模型、“弯矩抵消”模型和“波动剪切”模型比较6 4 表4 2 “弯矩抵消”模型、“波动剪切”模型、混合模型与原始模型比较6 7 表4 3 “弯矩抵消”模型、“波动剪切”模型、混合模型与原始模型比较一7 0 表5 1 背板零件无约束非刚体模态频率与振型描述7 4 表5 2 优化过程描述7 9 表5 3 原始模型与最终优化方案对比8 3 表5 4 原始模型与工程可制造化后模型对比8 5 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 近几年来，在“汽车下乡”、“家电下乡”和“以旧换新 等政策的刺激下， 汽车以及家电类产品需求不断扩大，销售量急剧上升。据相关统计资料显示，我 国已经成为全球最大的汽车产销国，2 0 1 0 年中国汽车产量已超过日本和美国，位 居世界第一，达到1 8 0 0 万辆。汽车工业已经成为我国经济的重要支柱产业之一， 它有力促进了化工、材料、制造、电子等多个产业的发展。 薄板冲压成形作为一种极其重要的金属塑性成形方法，在汽车、航空、电器 和国防等工业中得到了广泛的应用。在最近十几年，由于汽车和家用电器等工业 的崛起，薄板成形技术得到了空前的发展。薄板冲压成形技术得以持续的快速发 展，主要归功于它的许多优点，如材料利用率高，产品尺寸精度稳定，生产操作 简单，容易实现自动化；大规模生产加工成本低、生产效率高等特点。薄板类零 件通过优化设计可达到高强度、高刚度和质量轻的要求。有人说汽车技术的竞争 就是薄板冲压成形技术的竞争，这从一定意义上讲是有道理的，因为汽车车身的 设计和制造是影响整个汽车产品效益的最关键因素，而汽车车身零件绝大部分是 薄板冲压件。 模组背板是汽车电器和家用电器上的一个重要零件，其生产过程是一种典型 的薄板冲压成形过程，其制造难度和产品要求非常高。模组背板平面度要求很高， 不仅要求性能的波动范围小，而且不同冲压方式( 连续冲压和单冲) 、不同模具、 不同冲压道次、不同变形量等对钢板的机械性能要求都不一样。 破裂、起皱、和回弹是薄板冲压成形过程中最常见的三大问题。在模组背板 零件的冲压成形过程中，同样存在这三大问题，分别对应：局部特征开裂、打鼓 和翘曲回弹。这三大缺陷严重影响了背板零件产品质量和装配精度，延长了产品 更新换代周期，所以研究背板等大型薄板局部特征成形类零件的凸包开裂、打鼓 和翘曲回弹具有重要的工程意义和实用价值。 1 2 数值模拟技术在薄板冲压成形中的应用 薄板冲压成形技术有着悠久的历史，在汽车工业、家电行业等领域应用非常 广泛。在冲压产品的整个设计制造过程中，模具的设计制造水平是制约产品开发 周期和产品品质的关键因素。传统的工艺制定和模具设计大都依赖于工程技术人 员的经验，通过不断反复的试模、修模、调模来保证零件的质量。这样的方法用 大型薄板局部特征成形过程中的凸包开裂与翘曲回弹控制技术研究 于产品设计，不仅周期长、费用高，产品品质往往难以得到保证。 随着计算机技术、数值计算方法等相关学科的迅速发展，冲压成形计算机模 拟仿真技术不断成熟，并在冲压工艺与模具设计中发挥着重要的作用。运用冲压 成形过程模拟仿真技术可以帮助工程师解决传统方法难以解决的冲压工艺和模具 设计难题。通过给定模具和相应的工艺方案，定义材料的变形过程，就可以预测 材料的流动趋势以及成形缺陷( 起皱、拉裂、回弹) ，从而可以判断模具和工艺方 案的合理性，模拟结果可以用于指导模具的修改以及冲压工艺的优化。每一次模 拟仿真计算过程就相当于一次试模过程( 如图1 1 所示) 。因此成熟的模拟仿真技 术不仅可以降低试模次数，缩短产品开发周期，降低成本，还可以提高产品质量 以及市场竞争力l j j 。 图1 1 数值模拟仿真技术在冲压模具设计应用中的流程 2 0 世纪8 0 年代后期，随着计算机技术飞速发展和有限元方法的曰益成熟， 在世界汽车工业应用需求的推动下，板料成形过程的计算机模拟迎来了蓬勃发展 的时期。为了促进板料成形模拟技术的研究和应用，国际上发起了定期( 每三年 一届) 召开的国际板料成形三维数值模拟会议n u m i g 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 m i o no f 3 ds h e e tf o r m i n g ) ，从1 9 9 3 年开始至2 0 1 1 年，已经连续召开8 届。n u m i s h e e t 上论文的发表以及标准考题的提出及应答， 有力地推动了板料成形模拟技术的研究【2 】。 随着冲压成形仿真技术的迅速发展，以及对有限元方法模拟冲压过程认识的 不断深入，人们对车身零部件如行李箱盖板、油底壳、车门外板、横梁等的成形 工程硕士学位论文 过程成功的进行了模拟，仿真结果被用于指导模具和冲压工艺的设计，并且涌现 出了一批优秀的商业软件。目前国际上应用较广泛的专门针对板料成形的c a e 软件有法国e s i 集团的p a m s t a m p ，美国e t a 和l s t c 公司联合开发的 d y n a f o r m 、a l t a i r 公司开发的h y p e r f o r m ，瑞士a u t o f o r m 工程有限公司 a u t o f o r m 以及德国g n s 公司的i n d e e d 等。国内也有不少研究机构开发了 具有自主知识产权的板料成形模拟仿真系统，比如吉林大学的k m a s 、华中科技 大学的f a s t a m p 、湖南大学的c a d e m 以及北京航空航天大学的s h e e t f o r m 等软件。利用这些成熟的商业软件，许多学者在板料的拉裂预测与消除、起皱预 测与消除、回弹计算与控制、压边力优化、成形力预测等方面做了大量的工作p j ， 如d o n g 和l i n l 4 l 禾l j 用数值模拟技术分析了桑塔纳2 0 0 0 的某外板的成形性，模拟 结果与实验结果吻合得相当好。m a k i n o u c h i e l 5 1 利用冲压成形仿真软件模拟了若干 冲压件的成形过程，计算了它们的坯料形状、减薄量、残余应力、回弹量，并预 测了成形后的一些常见缺陷。t a k u d a 6 等利用有限元分析软件研究了在温成形条 件下铝合金圆柱件深拉伸的成形情况，并与实验结果进行了对比，结果表明，仿 真分析可以成功预测颈缩发生的位置和成形极限。l i u 7 1 等利用有限元分析软件研 究了变压力对u 形件回弹的影响，并且提出了一套有效的变压边力行程方法，该 方法在保证零件不出现拉裂和起皱缺陷的情况下，能最大程度的减少回弹量。 1 3 薄板冲压成形中破裂问题研究现状 1 3 1 破裂产生的原因及解决方法 在薄板冲压成形中有四种典型的成形方式：拉深、弯曲、翻边( 包括扩孔) 、 胀形。在这四种典型的成形中，出现的破裂大致可分为a 破裂、破裂和弯曲 破裂这三种形式【8 j o 这些破裂产生的力学原因如下： 1 1 口破裂：由于板料所受拉应力超过材料强度极限所引起的破裂。 2 )破裂：由于板料的伸长变形超过材料的局部延伸率引起的破裂。 3 1 弯曲破裂：由于弯曲变形区的外层材料中拉应力过大引起的破裂。 以上是这三种破裂问题产生的力学原因，从整个冲压过程成形过程分析，产 生破裂问题的主要因素有： 1 ) 材料参数 与材料性能有关的参数，如厚向异性系数r 和硬化指数n 等对零件成形质量 有很大的影响。表现在成形极限图( f l d ) 上为：硬化指数n 越大，破裂极限曲 线越高。厚向异性系数r 值越大，应变路径与破裂极限曲线的交点值越大，越不 容易出现破裂问题。当r 值 1 时，厚度方向的变形比面内困难，拉深不易变薄， 从而不易出现破裂问题。 大型薄板局部特征成形过程中的凸包开裂与翘曲回弹控制技术研究 2 ) 模具型面参数 模具型面的圆角半径取值也是影响零件是否会出现破裂的重要原因之一。若 圆角过小，材料流动困难，圆角处变薄剧烈，就会出现圆角开裂缺陷。另外工艺 补充的几何参数取值不合理也会使零件出现开裂问题。 3 ) 工艺过程参数 冲压过程的工艺参数，比如压边力、拉延阻力、摩擦系数、成形速度等都对 零件的成形质量影响很大，其中压边力和拉延阻力的调节是改善零件成形质量的 一项重要措施。 表1 1 所示为冲压成形过程中产生破裂的原因以及解决方法的总结。 表1 1 破裂产生的原因以及解决方法 1 3 2 破裂问题的研究现状 在过去几十年里，许多学者对于薄板冲压成形过程中破裂问题的预测以及消 除，做了大量研究。如k e e l e r 【9 1 和g o o d w i n 0 0 1 利用网格应变分析技术提出了成形 极限图( f l d ) 的概念，并指出根据应变点坐标所处区域可以预测零件的开裂。 d o e g e 和g r o c h e l l l l 提出将有限元模拟与成形极限图f l d 相结合可以用于预测零 件的开裂，并且可以将拉深引起的开裂和胀形引起的开裂区分开来。a h m e t o g l u t l 2 】 等人利用有限元软件模拟了深盒形件铝合金的成形，并通过控制压边力和润滑状 况来避免出现破裂和起皱缺陷。u t h a i s a n g s u k 【13 j 等人使用成形极限应力图( f l s d ) 作为缺陷评判标准，利用有限元方法模拟了多步扩孔过程，预测了扩孔过程中裂 纹产生的位置以及裂纹的走向，仿真结果与实验结果相当吻合。孙成智等【1 4 】人利 用有限元软件l s d y n a 3 d 研究了盒形件的整体压边圈和分块压边国分别在恒压 边力、变压边力情况下的盒形件拉深成形性能。模拟结果表明，变压边力控制技 4 工程硕士学位论义 术可以显著改善盒形件成形性能，避免出现开裂和起皱问题。李金燕等【1 5 】人利用 d y n a f o r m 软件对某方形盒制件拉深破裂问题进行了模拟，仿真结果表明凸模 圆角半径对盒形件拉深破裂的影响最大，通过增大凸模圆角半径解