（材料加工工程专业论文）典型钣金件的折弯工艺与回弹研究.pdf

合肥工业大学 i l ll ll ij iii l lli i iii j i i y 18 8 7 2 0 5 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 主席： 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 酶久砩搬月旺业大学 颈：纠终沉高i 会 l局级程帅安徽省模具工业协会 导师： 教授合肥工业大学 、一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金妲至些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签字：象磊签字日期：i 年乒月眵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做者繇碜 签字日期：加7 年俨月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 彬 日历眇翻 名 瓢 雠 醐 配融 铈 獬 蜥腩 典型钣金件的折弯工艺与回弹研究 摘要 折弯是板料加工的重要工艺之一。通过折弯成形的产品成本低、质量好、 工艺简单，已广泛应用在各个工业领域。折弯工艺中最难控制的是回弹现象， 当板料卸载以后会产生弹性变形，从而影响钣金件的形状精度。 本课题以两个具有代表性的钣金件为研究对象，通过力学理论和有限元模 拟对板料成形后可能产生的缺陷及回弹原因进行了分析；设计了一副上模双耳 伸缩、下模滚轴式侧移的模具以解决带u 形沟槽钣金件的折弯难题；应用正交 试验和b p 神经网络对回弹进行预测和优化，以减少试模成本，提高生产效率。 首先针对s 形钣金件进行工艺分析。从弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和 纯塑性变形阶段三个阶段对板料内部的应力分布情况进行了研究，并列举了影 响回弹的若干因素；应用d y n a f o r m 有限元模拟软件对s 形钣金件的折弯过 程进行模拟，并从金属流动规律和应力应变的变化及分布两个方面分析了回弹 产生的原因。应用正交试验确定了影响回弹的主要因素及最优组合，为实际生 产提供一定的参考价值。针对盒形钣金件中带u 形沟槽的典型特征设计一种上 模双耳伸缩、下模滚轴式侧移的折弯模，实现侧折弯，避免产生干涉，简化操 作难度；应用a b a q u s 有限元模拟软件对该钣金件的折弯过程进行模拟分析， 并通过b p 神经网络建模及训练，实现了对回弹角的预测。 本课题将折弯回弹过程的力学理论分析和有限元模拟相结合，对典型钣金 件的折弯过程进行了分析、预测和优化，对实际生产提供了一定的参考价值； 同时设计了一副专门用于生产带有u 形沟槽钣金件的折弯模，该模具的双耳伸 缩技术和滚轴式下模技术均获得国家专利，并在公司生产试用。 关键词：典型钣金件；折弯回弹；有限元模拟；正交试验；神经网络 s t u d yo fb e n d i n gp r o c e s sa n ds p r i n g b a c kf o rt y p i c a ls h e e t m e t a lc o m p o n e n t a bs t r a c t b e n d i n gi so n eo f t h ei m p o r t a n tp r o c e s s e sf o rs h e e tm a n u f a c t u r e t h eb e n d i n g s h a p e d p r o d u c t s 谢t l ll o wp r i c e ，h i g hq u a l i t ya n ds i m p l ep r o c e s sa r ew i d e l yu s e di nd i f f e r e n tk i n d s o fi n d u s t r i a la r e a s p r i n g b a e ki sh a r dt oc o n t r o li nb e n d i n gp r o c e s s w h e nt h eu n i n s t a l l f o r c ei sr e m o v e df r o ms h e e t ，e l a s t i c i t yd e f o r m a t i o nw i l lo c c u ri nt h es h e e tw h i c hi n f l u e n c e t h ef o r m i n ga c c u r a c yo fs h e e tm e t a l t w ot y p i c a ls h e e tm e t a lc o m p o n e n t sw e r er e s e a r c h e di nt h ee s s a y t h er e a s o no f d e f e c t sa n ds p 血g b a c ka f t e rt h ef o r m i n go fb l a n kw a ss t u d i e db yt h e o r yo fm e c h a n i c sa n d f i n i t ee l e m e n ta n a l o g y am o u l dw i t hb o t hf l e x i b l ee a l so nt h eu p p e rd i ea n ds i d e s w a yo n t h er o l l e r - t y p el o w e rd i ew a sd e s i g n e dt os o l v et h ed i f f i c u l t i e so fb e n d i n gm e t a ls h e e t c o m p o n e n t 晰t hu - s h a p e dg r o o v e t h es p r i n g b a c kw a sp r e d i c t e da n do p t i m i z e db y o r t h o g o n a lt e s ta n db pn e u r o n i cn e t w o r k , w h i c hr e d u c et h ec o s to fm o u l dt r y o u ta n d i n c r e a s et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y f i r s t l y , t h ep r o c e s so fs - s h a p e ds h e e tm e t a lc o m p o n e n tw a ss t u d i e d t h es t r e s sd i s t i l - b u t i o no fb l a n kw a sr e s e a r c h e do ne l a s t i c i t ys h a p e ds t a g e ，e l a s t i c p l a s t i c i t ys h a p e ds t a g e a n dp l a s t i c i t ys h a p e ds t a g e s e v e r a lf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h es p r i n g b a c ka r el i s t e d t h e b e n d i n gp r o c e s so fs - s h a p e db l a n k e tw a ss i m u l a t e db yd y n a f o r m s o f t w a r e t h er e a s o n o fs p r i n g b a c kw a sd i s c u s s e db ym e t a lf l o w i n gr u l e sa n dc h a n g eo fs t r e s sa n ds t r a i n t h e k e yf a c t o r so fs p r i n g b a c ka n do p t i m a lc o m b i n a t i o nw e r ea s c e r t a i n e db yo r t h o g o n a lt e s t w h i c hp r o v i d et h er e f e r e n c ev a l u ef o ra c t u a lp r o d u c t i o n ab r a k ed i ew i t l lb o t hf l e x i b l ee a r s o nt h eu p p e rd i ea n ds i d e s w a yo nt h er o l l e r - t y p el o w e rd i ew a si n t r o d u c e df o rt h eb e n d i n g t e c h n i c so fw o r k p i e c ew i n lu - t y p eg r o o v ew h i c hr e a l i z e st h e s i d eb e n d i n g ，a v o i d st h e i n t e r f e r e n c ep h e n o m e n o na n dr e d u c e st h eo p e r a t i o n a ld i f f i c u l t y t h eb e n d i n gp r o c e s so ft h e b l a n k e tw a ss i m u l a t e db ya b a q u ss o f l w a r e t h em o d e l i n ga n dt r a i n i n gb yb pn e u r o n i c n e t w o r kr e a l i z e st h ef o r e c a s to fs p r i n g b a c ka n g l e i nt h ee s s a y , t h e o r e t i c a la n a l y s i si sc o m b i n e dw i t hf i i l i t ee l e m e n ta n a l o g yf o rt h e p r o c e s so fb e n d i n ga n ds p r i n g b a e k t h eb e n d i n gp r o c e s so ft y p i c a ls h e e tm e t a lc o m p o n e n t w a ss t u d i e d ，f o r e c a s t e da n do p t i m i z e d ，w h i c hp r o v i d et h er e f e r e n c ev a l u ef o ra c t u a l p r o d u c t i o n ab r a k ed i ew h i c h w a su s e df o rs h e e tm e t a lc o m p o n e n tw i t hu - t y p eg r o o v ew a s d e s i g n e d t h et e c h n i q u eo ff l e x i b l ee a r sa n dr o l l e r - t y p el o w e rd i eo b t a i n e dt w on a t i o n a l p a t e n t sa n dh a d b e e nt r i e di nac o m p a n y k e y w o r d s ：t y p i c a ls h e e tm e t a lc o m p o n e n t ，b e n d i n ga n ds p r i n g b a c k ，f i n i t ee l e m e n ta n a l o g y , o r t h o g o n a lt e s t ，n e u r o n i cn e t w o r k 致谢 值此论文完稿之际，首先要衷心地感谢我的导师刘全坤教授近三年来在学 习和生活中对我的辛勤培养和无微不至的关怀。导师渊博的专业知识、踏实的 工作态度和精益求精的敬业精神时时地教育并鼓励着我不断地前进：他认真、 细心、宽厚、真诚的风范是我永远学习的榜样。 感谢在研究生期间对我指导和帮助的薛克敏教授、李萍教授、陈文琳教授、 陈忠家教授、雷声教授、王成勇老师和王强高级工程师等。同时也要感谢安徽 力源数控刃模具制造有限公司的张迎年总经理、王克文副总经理和张先进经理 对我课题的指导和帮助。 本课题组的郑超博士、李亨博士在我的课题研究过程中给予我精心的指导， 在他们的帮助下，我领会并掌握了很多的科研方法，使我能顺利完成课题，在 此表示衷心的感谢。 感谢本实验室的陈从升博士、韩豫博士、王琬璐硕士、朱汝城硕士、赵磊 硕士、梁卫抗硕士、郑金星硕士、钱凌云硕士、陈晨硕士、王鸿基硕士、林标 华硕士在学习和生活上对我的帮助和鼓励。 也深深地感谢我的父母，在我求学二十多年的生涯里一直给予我教育和培 养，使我能顺利地完成学业。他们也教会了我如何地为人处事，做一个有能力 的人。我会继续地努力，尽自己最大的努力去回报他们的养育之恩。 最后向所有在学习和生活中给予我关心、帮助和支持的老师、同学、亲人 和朋友们表示衷心的感谢l 王磊 2 0 11 年3 月 目录 第一章绪论。1 1 1 引言。l 1 2 折弯回弹领域研究概况1 1 2 1 折弯工艺的研究1 1 2 2 回弹理论的研究2 1 2 3 有限元模拟的研究4 1 3 课题来源、意义及研究内容5 1 3 1 课题来源及意义5 1 3 2 研究内容6 第二章s 形钣金件折弯回弹理论分析。7 2 1s 形板料工艺分析7 2 2s 形板料折弯回弹的力学机理8 2 2 1 弯曲过程中的三个阶段8 2 2 2s 形板料的应力应变状态9 2 3s 形板料回弹的影响因素1 0 2 4 卅、结1 1 第三章s 形钣金件折弯有限元模拟分析。 3 1d 妊f o i 己m 有限元软件的原理1 2 3 1 1 表达格式的确定1 2 3 1 2d y n a f o r m 的非线性有限元列式描述1 3 3 1 3 折弯过程中的应变和应力张量1 4 3 2 有限元模型的建立1 6 3 3 有限元模拟结果分析1 7 3 3 1 成形极限图1 7 3 3 2 金属流动规律分析1 8 3 3 3 成形过程中板料的应变分析一2 0 3 3 4 回弹前后板料中层的应力分析2 l 3 3 5 板料厚度方向的应力应变分析2 2 3 4 总结2 5 第四章基于正交试验的s 形板料折弯回弹优化。2 6 4 1 正交设计方法的介绍。2 6 4 2 正交试验的步骤2 6 4 ，2 1 试验目的2 6 4 2 2 挑因子和选水平2 6 4 2 3 选正交表2 8 4 2 4 表头设计2 8 4 2 5 确定试验方案2 8 4 2 6 正交试验的直观分析2 9 4 2 7 正交试验的方差分析3 0 4 3 总结3 2 第五章盒形件折弯工艺分析及模具设计。3 3 5 1 折弯工艺分析。3 3 5 2 模具结构设计及其功能3 3 5 2 1 模具结构3 3 5 2 2 上模双耳装置3 4 5 2 3 滚轴式折弯下模3 5 5 2 4 内侧折弯装置- 3 6 5 3 模具的技术要求3 6 5 3 1 上模技术要求3 6 5 3 2 下模技术要求3 6 5 3 3 其他部件技术要求3 6 5 4 结论3 7 第六章盒形件回弹有限元分析及神经网络预测。3 8 6 1a b a q u s 有限元模拟的核心内容及其关键技术3 9 6 1 1 单元模型3 9 6 1 2 接触问题的处理4 0 6 1 3 摩擦问题4 0 6 2 有限元模型的建立4 1 6 2 1 部件的创建及装配4 1 6 2 2 显式求解器在折弯分析中的应用4 1 6 2 3 网格划分及单元的选用4 2 6 2 4 隐式求解器在回弹分析中的应用4 2 6 2 5 回弹结果及分析4 3 6 3 回弹角的神经网络预测4 3 6 3 1 预测目的4 3 6 3 2 人工神经网络和m a t l a b 简介4 4 6 3 3 正交试验选取网络训练样本4 4 6 3 4b p 神经网络建模及训练4 7 6 3 5 网络预测的检验4 9 6 3 6 预测系统的实现4 9 6 4 实例4 9 6 5 总结5 0 第七章总结与展望。 5 l 7 1 全文总结。5 1 7 2 工作展望5 2 参考文献 ! ；：l 攻读硕士期间发表的论文。5 7 攻读硕士期间设计的专利5 7 插图清单 图2 1s 形折弯件7 图2 2s 形成形模具及其折弯过程示意图7 图2 3弯曲过程中s 形板料变形区内切向应力分布图8 图2 4 板料弯曲过程中的应力应变状态1 0 图3 1d y n a f o r m 软件分析步骤1 2 图3 2应变的度量1 4 图3 3应力的度量1 5 图3 4s 形折弯有限元数值模拟模型1 6 图3 5s 形板料的成形极限图1 7 图3 6 工件标号示意图1 8 图3 7成形前期的金属流动1 9 图3 8 成形中期的金属流动1 9 图3 9 成形末期的金属流动1 9 图3 1 0 成形前期的等效应变分布2 0 图3 1 1 成形中期的等效应变分布。2 0 图3 1 2 成形末期的等效应变分布。2 1 图3 1 3 回弹前( 左图) 和回弹后( 右图) 的等效应力分布图2 l 图3 1 4 选定的2 4 个分布点图2 2 图3 1 5 回弹前后的应力分布情况2 2 图3 1 6 成形结束时v o nm i s e s 等效应力分布图。2 3 图3 17 成形结束时v o nm i s e s 等效应变分布图。2 3 图3 1 8 选定的2 4 个点及层的分布2 4 图3 1 9 成形结束时s 形截面厚度方向上的三层应力分布2 4 图3 2 0 成形结束时s 形截面厚度方向上的三层应力分布2 5 图4 1u 槽槽深2 8 图4 2 因素水平和指标的关系图3 0 图5 1已完成三边折弯的钣金件3 3 图5 2 折弯前的折弯模3 4 图5 3折弯模具结构图。3 4 图5 4 滚轴式下模示意图3 5 图6 1c a e 软件分析流程图3 8 图6 2a b a q u s 模拟的模型结构图4 l 图6 3网格的划分。4 2 图6 4 回弹前后板料的弯曲角度4 3 图6 5b p 神经网络结构模型4 4 图6 6网络训练部分程序代码。4 7 图6 7 训练误差曲线( 隐单元数：9 ) 4 8 图6 8 训练误差曲线( 隐单元数：1 0 ) 。4 8 图6 9 训练误差曲线( 隐单元数：1 1 ) 。4 8 图6 1 0 预测软件主界面图5 0 图6 1 1 网络预测部分程序代码5 0 表格清单 表4 1 因素及列号2 8 表4 2 试验方案2 9 表4 3 极差分析结果2 9 表4 4 方差计算表31 表4 5 方差结果表3 2 表4 6 直观及方差分析结果对比表3 2 表6 1 正交试验因子及其水平4 6 表6 2 正交设计试验样本4 6 表6 3i j r i 练参数4 7 表6 4 检验样本4 9 第一章绪论 1 1 引言 折弯是工业生产的重要工艺之一，具有生产效率高、节约材料、成本低等 一系列优点，并已成为现代工业生产的重要加工手段和工艺发展方向。折弯成 形的模具通用性好、工艺简单，在钣金加工领域中应用非常广泛。在折弯领 域中，最难控制的是回弹现象，回弹问题的存在影响了板料折弯后的精度，需 要不断地试模、修模，造成实际生产的成本增加，故迫切需要采取有效的措施 加以克服。尤其是近年来的产品精密化要求越来越高，回弹的预测及控制更成 为研究的重点和难点。 近年来，随着回弹理论的不断成熟和有限元模拟技术的发展，折弯工艺及 其模具设计已突破传统的设计方法。有限元模拟技术是目前折弯领域的研究热 点，通过有限元数值模拟可以预知板料内部的金属流动规律、各个时期的应力 应变情况；也可以预测容易发生起皱或者破裂的部位以及回弹角的大小。这些 为工艺参数的优化和模具设计提供了重要的依据。合理的折弯工艺及高质量的 模具不仅可以提高折弯件的质量，满足精度要求，而且可以提高生产效率，降 低生产的成本。 1 2 折弯回弹领域研究概况 1 2 1 折弯工艺的研究 折弯是板料冲压中较为简单的一种工艺，随着近年来折弯产品的精密化发 展，对折弯技术的要求越来越高。 为提高折弯件表面质量，欧洲的s m d 公司最早提出了无痕折弯的概念， 其原理是在折弯下模凹槽端口部位设置滚轴，将传统的滑动摩擦改为滚动摩擦， 通过减少摩擦力来提高折弯件的表面质量，但其滚轴所在圆弧槽角度大于1 8 0 度，从而造成加工困难，成本较高。国内的模具企业摒弃了普遍采用的滚柱设 计，将折弯模下模端1 2 1 设计成带有渐近半径的曲面，使折弯材料更均匀地进入 下模。同传统的滚轴设计相比，在保证折弯件质量的前提下，减少了加工工序， 缩短了模具的加工周期。 由于国内加工水平的不足，一般采用分段式模具折弯大型程控开关柜等较 长产品，这样会使产品表面产生印痕，影响其质量和寿命。为解决此类难题， 研发出一种超长一体无压痕折弯技术，将目前折弯机模具下模的分段设置改为 超长一体式不分段，消除了产品表面压痕，提高了表面质量。 为提高折弯工件的直线度，安徽力源数控刃模具制造有限公司提出了一种 楔块组合式挠度补偿技术，通过控制工作台凹槽中的楔块组移动，形成相应的 反补偿益线，实现挠度补偿，从而解决了在折弯过程中由于折弯机滑块的施力 不均匀导致的工件直线度不高问题。 在传统的折弯工艺中，常采用弹簧来控制折弯下模的上下移动，而弹簧长 期使用后容易老化，造成弹力减小及弹力分布不均匀等问题，很难保证下模在 长度方向上的同时复位。而采用气动式折弯技术，通过充气管带动气缸控制折 弯下模上下移动，并在固定螺栓的作用下，使下模上移高度处于同一数值，从 而克服了传统的弹簧结构上的弊端，提高了下模复位精度。 随着计算机技术的发展，数控折弯技术一直受到重视，该技术可以实现折 弯工序的半自动和全自动，减少劳动强度，提高生产效率。莫剑中针对数控折 弯工艺系统做了全面的介绍，并重点阐述了规则知识库、折弯数据库、推理机 的构建方法【2 1 。d e v i n j d e v r i e s 提出了一种可以确定最理想的弯曲顺序的工艺设 计系统，该系统主要用于确定最佳的弯曲顺序，但未将工件与模具之间的摩擦 和公差约束等因素考虑在内1 3 。华中科技大学和黄石锻压机床股份有限公司合 作研发了类比学习和启发式搜索相结合的饭金件折弯工艺优化系统【l j 。未来的 数控折弯系统将向智能化、实用化、多功能化的方向发展。 1 2 2 回弹理论的研究 在弯曲成形过程中，板料内部总是伴随着塑性变形和弹性变形。当外载荷 去除时，其塑性变形区的塑性变形部分保存下来，而弹性变形区的弹性变形以 及塑性变形区的弹性变形部分会产生恢复现象，从而使板料的最终形状与模具 所对应的形状不符，这种现象称为板料的回弹。 产生回弹的原因主要有两个：一是因为当板料内外缘表层进入塑性变形状 态，而板料中心仍处在弹性状态，这时当板料去除施加的外力载荷以后，回弹 现象随之产生；二是金属塑性变形时总是伴有弹性变形，所以板料弯曲时，即 使内外层全部进入塑性状态，在外力载荷去除以后，仍会产生回弹现象【4 j 。 回弹的早期主要是应用解析法对简单的弯曲回弹现象进行分析，并建立了 一些分析和预测回弹的力学模型。 上个世纪初，法国的l u d w i k 以梁的塑性弯曲理论为基础建立了一种以平 截面和单向应力假定为特点的塑性弯曲理论，该理论应用简洁，适用于各种工 程【5 1 。 5 0 年代，g a r d i n e r 在l u d w i k 的塑性弯曲理论基础上对矩形截面梁的弯曲 回弹问题进行了深入的分析，建立了一套弯曲回弹计算公式一g a r d i n e r 公式【6 j ： 参= 1 叫+ 4 薯) 3 式中：r 一回弹前的弯曲半径； r f 一回弹后的弯曲半径： e 一杨氏模量； 2 y r 1 一 l o ) 时， 忽略中性面内移的影响，可以保证工程应用的分析精度；如果曲率较大，则会 产生一定的误差【7 】。同时，余同希将该公式扩展到幂次强化弹性材料，提出了 回弹比公式，并开发了一套适用于回弹预测和模具c a d 的程序。 j y h w e nw a n g 也在g a r d i n e r 公式基础上提出了一种自由折弯控制回弹的方 法。该方法根据公式计算上模的行程，通过反复地加载和卸载，对回弹的角度 进行预测，根据计算出的材料性能，对上模的行程进行调整，从而减小回弹现 象的产生【8 l 。 在上世纪6 0 年代，英国科学家h i l l 提出了以平面应变为基础的板的塑性 弯曲理论，即以刚塑性材料为研究对象，考虑了径向应力和中性层的移动对回 弹的影响情况，使研究结果更加的接近实际【9 1 。 在7 0 年代以后，弯曲回弹的理论有了很大的发展，很多专家学者在h i l l 理论的基础上细化了材料模型，将循环加载等各种加载方式和材料各种受力情 况考虑在内，使回弹理论更加完善和成熟。章炽亮采用了q 次拉格朗日分段插 值法推导出一个更为精确的应力应变关系，得到了宽板弹塑性纯弯曲的精确理 论【1 0 】。 余同希在h i l l 理论的基础上分别采用理想弹塑性材料模型和应力应变服从 指数硬化关系的材料模型。该模型忽略了板料弯曲中性层的变化情况，即近似 认为板料的中间层和中性层重合，从而建立了矩形板、圆板双曲率纯弯曲回弹 前后曲率计算公式，但该理论模型仅限在弯曲程度不大的情况下使用r 7 1 。随着 弯曲程度的增加，中性层逐渐的向板料内层移动，使得板料的横截面中塑性变 形区变大，弹性变性区变小，回弹量减小。 a l y e l d o m i a t y 认为切向应力的增加在一定程度上可以减少板料的回 弹量，但是切向应力过大会影响材料的稳定性，一般的选取准则为梁的最外层 的应变小于材料的极限应变【l 。 a e l m e g h a r b e l 在h i l l 弯曲理论的基础上进行推广到以单向应力为基础的 指数强化材料模型。他将铝合金板料作为研究对象，研究了弯曲回弹的理论模 型，得到了残余应力的计算公式，并认为板料的回弹程度仅和弯曲过程中施加 的弯矩有关，在板料卸载过程中，卸载力对回弹角没有影响【l 引。 c h u a n t a ow a n g 对弯曲领域中常见的v 形折弯的回弹现象进行了分析。以 v 形弯曲为基础，针对其不同部位的曲率、弯矩等进行了计算，得到了一系列 公式，并将结果推广应用在其他类型的弯曲中i l3 1 。 f e n o g l i e t t o 重点探讨了材料弹性模量对弯曲回弹的影响情况，随着弹性模 量e 的增大，回弹程度减小【l 4 1 。 l e udk 研究了材料厚向异性指数对弯曲回弹的影响情况，随着厚向异性 指数的增大，回弹量随之增大【l5 1 。 张冬娟以h i l l 平方屈服准则和指数强化材料模型为基础建立了板料在拉弯 过程中的回弹理论计算模型，并得到结论：当弯曲中性层和板料的中间层的间 距大于板厚的1 4 时，增加切向方向上的应力才能减少回弹量，且切向应力对 回弹的影响随着弯曲半径的增大而增大 1 6 , 1 7 j 。 管英平等也考虑了中性层的内移对回弹量的影响，并根据弹塑性弯曲理论 将硬化材料模型和各项异性等条件作为考虑因素，通过板料弯曲过程中的应力 应变分析得到了回弹角的计算模型【l 引。 西南交大的朱东波针对复杂的弯曲问题提出了“状态属性”的概念，建立了 “状态坐标算法”，有效降低了计算的复杂程度，方便地处理了循环加载情况下 的板料弯曲和回弹问题【l 引。 从上述学者的研究成果可以看出，弯曲回弹的理论分析模型从基本的解析 方法推广到可以反应实际的加载路径的数值方法和增量法等，已经取得了巨大 的发展。在基于平面应变的板料弯曲回弹分析中，应用理论分析计算方便、计 算效率高，且回弹量的计算结果较为准确，对回弹的补偿以及控制有一定的指 导意义。 1 2 3 有限元模拟的研究 分析板料成形的方法有滑移线法、主应力法、有限元法等。随着对产品精 密化的程度越来越高，尤其是高强度钢板和铝板的大量应用，用一般的解析方 法来计算回弹问题精确度不高。随着计算机技术的迅猛发展，有限元数值模拟 已成为分析成形过程的重要方法，有限元模拟是应用计算机技术来分析金属材 料的弯曲成形过程，最终得到板料的应力场、应变场分布情况，并预测回弹现 象。 板料成形有限元技术始于上世纪6 0 年代，m a r c a lp v 首先提出了弹塑性有 限元法的概念，并进行弹塑性分析。常用的方法有增量变刚度法、增量初应力 法和增量初应变法，但这些方法仅仅局限在板料的小变形范围，当变形范围较 大时候，该方法计算的结果误差较大【2 们。在7 0 年代，部分学者提出了适用于 大变形的拉格朗日有限元法，为有限元理论的发展奠定了良好的基础。 y o u m i nh u a n g 等则将l a g r a n g i a 增量型弹塑性有限元法应用于典型的v 形板料折弯分析，采用应变能密度准则来分析应力和应变的变化对板料断裂的 影响，并指出板料容易在应变能密度最大的地方产生裂纹l 2 。 a k i t a k em a k i n o u e h i 同样采用l a g r a n g i a 增量型弹塑性有限元法分析u 形板 料的弯曲过程，该方法采用最小r 值法来确定步长；单元数量越多，计算花费 的时间越长，当单元数量增加到一定的程度时，网格的尺寸变化对模拟的结果 影响很p j x 2 2 。 4 国内外有许多学者对有限元理论进行了深入的研究。在国外，s i o h 等以 板料的弯曲过程为研究对象，分别应用弹塑性和刚塑性两种有限单元法进行了 分析和对比，最终得到结论：在模拟板料的弯曲过程中，弹塑性有限元方法比 刚塑性有限元方法所需要的增量步要少，而对于一个增量步而言，弹塑性有限 元方法比刚塑性有限元方法所需要的计算时间要长b 3 。 近年来，一些学者针对有限元分析模型、板壳理论、本构关系、接触界面 处理等方面进行了深入的研究，形成了较为完善的以弹塑性理论为基础的弹塑 性有限元法。该方法适用于变形程度较大的塑性变形问题，可以准确地分析板 料由弹性到塑性的整个变形过程，同时可以对板料成形后是否会产生起皱、破 裂及回弹现象进行预测，故在板料成形分析领域起到了重要作用。 刚塑性有限元法则认为材料模型是刚性的，形变体积不变。它用对速度的 积分来避开有限变形中的几何非线性问题，从而采用较大的增量步长来减少计 算时间【2 4 1 。k o b a y a s h i 将刚塑性有限元法推广到分析板料胀形、深冲等成形过 程【2 3 1 。n m w a n g 在建立刚塑性有限元模型的基础上，对板料的拉深过程、冲 压过程、胀形过程等进行了模拟分析，并通过实验验证了模拟结果的准确性1 2 5 1 。 由于刚塑性变形没有考虑弹性应力应变情况，对起皱、回弹等问题也较难解决， 所以在有限元模拟领域的发展过程中一直受到限制。 到目前为止，随着产品逐渐向精密化方向发展和高强度钢板的大量使用， 对回弹的模拟预测的准确性要求更高，而有限元模拟的结果准确性仍难保证。 因为在有限元模拟过程中，其成形仿真的应力场精度不高。对其产生影响的因 素有：屈服函数、单元的类型和大小、接触算法、材料模型和本构关系等【z 6 j ； 其次是算法的本身问题。各类有限元软件在模拟过程中一般采用弹性卸载的方 法处理，而真实的折弯回弹在整体卸载的同时，还存在着局部加载问题，从而 使有限元模拟和真实试验值之间存在一定的误差【27 1 。同时板料本身的材料参数 在弯曲过程中有一定的改变，而在软件模拟过程中的材料参数是固定的，这也 会造成一定的误差。 1 3 课题来源、意义及研究内容 1 3 1 课题来源及意义 本课题来源于科技部中小企业技术创新基金( 项目号：l o c 2 6 2 1 3 4 0 1 7 1 3 ) 。 课题中所涉及的两个典型折弯钣金件是公司正在生产的产品。 在钣金件的加工过程中，最难以解决的是回弹问题。由于客户对产品的精 度要求越来越高，仅仅依靠经验生产已不能有效地控制回弹现象。为此，本课 题对板料回弹的理论进行了深入的分析，并应用有限元模拟软件对两个钣金件 的弯曲回弹现象进行了研究，从力学理论和应力应变角度解释了回弹产生的原 因。通过神经网络预测和优化，减少了试模成本，提高了生产效率，对实际生 5 产有一定的指导意义。 1 3 2 研究内容 论文针对两个典型折弯件的折弯回弹现象进行了分析，具体研究内容如下： 1 分析了典型s 形钣金件的折弯工艺；对其在弹性变形阶段、弹塑性变形 阶段、纯塑性变形阶段三个阶段的应力分布情况进行研究，解释了回弹原因； 最后从钣金件和模具两个方面分析影响回弹的因素。 2 应用d y n a f o r m 有限元模拟软件对s 形钣金件的折弯过程进行模拟， 分析在折弯过程中板料内部的金属流动规律和应力应变的变化及分布情况。 3 通过分析确定影响s 形折弯的4 个关键因素，并应用正交试验中的极差 分析和方差分析确定最优的水平组合和各因素对回弹影响的主次顺序。 4 针对带u 形沟槽钣金件的盒形件进行折弯工艺分析，设计一种上模双耳 伸缩、下模滚轴式侧移的折弯模，以解决带u 形沟槽钣金件的折弯难题，并减 少操作难度，改善折弯件的表面质量。 5 应用a b a q u s 有限元模拟软件模拟盒形件的折弯过程，并对模拟的结 果进行分析；通过b p 神经网络建模及训练，获得较为精确的映射模型，实现 对回弹角的预测；通过计算机应用软件将网络模型表达出来，提高预测系统的 实用性和广泛性。 6 第二章s 形钣金件折弯回弹理论分析 s 形钣金件是电梯上的重要部件之一。本章主要从理论上对s 形钣金件在 折弯过程中的应力分布情况进行分析，解释回弹现象产生的原因，为下一章的 有限元模拟分析打下基础。 2 1s 形板料工艺分析 图2 1 所示为s 形钣金件，其主要特征是：存在两个方向相反的凹槽，凹 槽底部是圆弧形，两个凹槽相连呈s 形。板料的重要工艺要求之一是保证s 形 弯曲部位的两端平面之间的平行度较高，其平面夹角控制在o 3 0 以内。而板料 在s 形折弯过程中，由于残余应力的释放，会产生一定程度的回弹，所以该折 弯工艺的关键问题是通过控制一系列工艺参数来减小回弹现象，保证板料平面 间较高的平行度。 图2 1s 形折弯