（材料加工工程专业论文）金属板材渐进成形可成形性研究.pdf

摘要 摘要 板材渐进成形( i n c r e m e n t a ls h e e tf o r m i n g ) 是- - 种柔性板材成形工艺。该上岂 通过数控加工设备成形具有较高成形极限和复杂形状的板会零件，无需特有的模 具，适合航空、汽车以及民用领域小批量、多样化、复杂板件产品的生产。 本次研究提出了区别于板料多工步成形的模拟方法对连续成形工艺建立了 三维弹塑性有限元模型，应用d y n a f o r m 有限元软件对扳材渐进成形进行数 值模拟研究；同时，对研究该工艺成形极限给出模拟方案，并验证了方案的n 行 性。主要结果和结论如下： ( 1 ) 建立渐进威形工艺三维弹塑性有限元模型，通过对成形头运动施 加时间。位移控制，实现了连续模拟过程； ( 2 ) 分析了板材渐进成形连续模拟关键技术。实现了冲头三维加载， 压边豳随动加载，罚因孑的选择取0 0 1 作为初值，增加1 3 倍避免局部穿透 出现，显式算法时间步长1 0 4 1 0 。9 s 数量级，单元自适应细化时间问隔 1 0 4 1 0 。s 数量级； ( 3 ) 对成形头尺寸、渐进压下量进行了参数优化，选用6 m m 直径的半 球形成形头，渐进量为l m m ； ( 4 )验证了有限元数值模拟研究板材渐进成形工艺极限的可行性。提 出了研究板料不同应变状态的两种加载路径方案，通过对不网路径下变形单 元的主、次应变分析，认为应变l t8 随成形轨迹曲率的减小面增大。良 2 边路径板材应变状态趋向于单向拉仲；三维螺旋线路径板材应变状态介于单 向拉伸和等轴拉伸之间，并髓成形轨迹径向半径的减小雨向等轴拉伸状态发 展。 综上所述，通过数值模拟方法研究板材渐进成形工艺及成形极限可行性得到 了验证。 关键词：有限元法，数值模拟，板材，渐进成形，路径规划，成形极限 苘北i ：妊大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n c r e m e n t a ls h e e tf o r m i n gi san e wf l e x i b l es h e e tf o r m i n gp r o c e s s i td o e sn o t n e e dad e d i c a t e dd i ea n dc a nf o r ms h e e tp a r t sw i t hah i g h e rf o r m i n gl i m i ta n do f c o m p l i c a t e ds h a p eb yu s eo fac n cd e v i c e t h i sp r o c e s si ss u i t e dt ot h ef o r m i n go f s h e e tp a r t so fs m a l lv o l u m e ，d i v e r s i f i c a t i o na n dc o m p f i c a t e ds h a p ei ns p a c e f l i g h t ， a u t o m o b i l ea n dc i v i lp r o d u c t i o n i n t h i sp a p e r ，p u tf o r w a r das i m u l a t i o nt e c h n i q u et h a td i f f e r e n tf r o mt h e t e c h n i q u eo fm u c hs t e p ss i m u l m es h e e tf o r m i n ga n de s t a b l i s ht h r e e d i m e n s i o n a l e l a s t i c - p l a s t i cf em o d e lf o rt h ec o n t i n u o u sf o r m i n gp r o c e s s c a r r yt h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt ot h ep r o c e s so fi n c a c m e n t a ls h e e tf o r m i n gt h a ti sb a s e do nt h ef e s o f t w a r ed y n a f o r m ，a n db r i n gf o r w a r dap 加j c c tt oi n v e s t i g a t ef o r m i n gl i m i to f s h e e ti ni n c r e m e n t a lf o r m i n gp r o c e s s a tl a s t ，m a k es u r et h ep r o j e c ti sf e a s i b l et h r o u g h a n a l y s i s t h e p a p e r si m p o r t m tc o n t e n ta n dp r o d u c t i o na r c ： ( 1 )s e tu pt h r e e - d i m e n s i o n a le l a s t i c - p l a s t i cf em o d e lf o ri n c r e m e n t a ls h e e t f o r m i n g r e a l i z ee o n t i m t o u ss i m u l a t i o np r o c e s sf o ri n c r e m e n t a ls h e e tf o r m i n gt h r o u g h i m p o s i n gt i m e m i s p l a c e m e n to a r v ct oc o n t r o li t sm o t i o no nt h ep u n c h ； ( 2 ) a n a l y s i st h ek e yt e c h n i q u eo fc o n t i n u o u ss i m u l a t i o nf o ri n c r e m e n t a l s h e e tf o r m i n g r e a l i z et h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o t i o no ft h ep u n c ha n dt h em o t i o no f t h e c l a m p i n g t h a tf o l l o w i n gp u n c h sm o t i o n i no f d c rt oa v o i ds h e e te l e m e n t p e n e t r a t i o n ，t h es l s f a c t a k e0 0 1a si t si n i t i a lv a l u ea n de n l a r g ei tf o r mo n et ot h r e e m u l t i p l e s t h et i m e s t e po fe x p l i c i tf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m 、a c h i e v e s1 0 一 1 0 。sa n dt h et i m ei n t e r v a lo fe l e m e n t sa d a p t i v er e f i n e m e n t sa c h i e v e s1 0 一1 0 s ( 3 ) t h es i z ea n dt h ei n c r e m e n t a lv a l u eo fp u n c ha r eo p t i m i z e d d i a m e t e ro f t h eh a l fb a l lp u n c hi s6 r a ma n di n c r e m e n t a lv a l u ei sl m m ( 4 ) f e a s i b i l i t y t h a t i n v e s t i g a t i o no ff o r m i n gl i m i t o fi n c r e m e n t a ls h e e t f o r m i n gp r o c e s sh a sb e e nv a l i d a t e d ，t h r o u 【g hf e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b r i n gu pt w o h 摘要 p r o j e c t so ff o r m i n gp a t hf o rr e s e a r c hd i f f e r e n ts t r a i n i n g c o n d i t i o n so fs h e e t ，t o c o n s i d e rt h a tw h e nc u r v a t u r eo fp a t hd e c r e a s e dt h er a t i o5 lt o ，w i l lb ci n c r e a s e d ， w h i c hi so b t a i n e dt h r o u l g ha n a l y s i so fe l e m e n t sm a j o rs t r a i n sa n dm i n o rs t r a i n si n d i f f e r e n tf o r m i n gp a t h s t h es t r a i n i n gc o n d i t i o n so fs h e e ts h o wat e n d e n c yt ou n i a x i a l s t r e t c h i n ga 1 0 n gt h es t r a i g h te d g e s a n d ，s t r a i n i n gc o n d i t i o n si s b l 嚏w e e nu n i a x i a l s t r e t c h i n ga n db i - a x i a ls t r e t c h i n gf o ri m p o s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ls p i r a lp a t ht ot h e p u n c h a tt h es a m et i m e ，s t r a i n i n gc o n d i t i o n ss h o wat e n d e n c yt ob i a x i a ls t r e t c h i n g w h i c hi s 。f o l l o w i n gt ot h ed e c r e a s eo f r a d i a lr a d i u so f p a t h a b o v ea l i ，s t u d yo fi n c r e m e n t a ls h e e tf o r m i n gp r o c e s sa n do fs h e e tf o r m i n gl i m i t w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，w h i c hi sf e a s i b l e k e yw o r d ：f e m ，n u 埘幛黼s i m u l a t i o n ， s h e e t ， i n c r e m e n t a lf o r m i n g ，p a t h p r o g r a m m i n g ，f o r m i n gl i m i t h l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 金板材无模成形工艺发展及意义 1 1 1 摄材无模成形工艺的意义 高速发展的工业技术要求加工制造的产品精密化、轻量化、集成化：国际竞 争更加激烈的市场要求产品性能高、成本低、周期短；日益恶化的环境要求材料 加工原料与能源消耗低、污染少。为了生产高精度、高质量、高效率的产鼎，材 料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；材料成形加工制造技术逐渐综合 化、多样化、柔性化、多学科化。 金属授料成形在锚造业中有着广泛的应用，但传统的金属板料加工工艺都离 不开模具，采用模具成形生产周期长，而且缺乏柔性，产品变化时就需要熏新更 换模具i ”。全世界所生产的钢材有半数以上被加工威扳材，扳威形零件的数量占 飞机零件总数的1 1 2 ，在轿车中更高达总质量的3 4 ，可见叛成形技术在制造业中， 特别是在汽车工业中的重要地位，有人说汽车技术的竞争就是薄板冲压成形技术 的竞争。新车型开发中很重要的是覆盖件的设计和错造，需要经过模具设计、 软模制造、试验修改、硬模错造等复杂过程才能投入生产，其试制过程耗时、耗 资、耗力，开发周期长、成本高、投资风险大。飞机制造业也同样存在蓑制造周 期长、费用高、低柔性等缺点。因此，面对市场经济，参与全球竞争，必须十分 重视先进裁造技术及成形加工技术的技术进步。 。 所以，扳材成形新技术必须要克服新产品歼发周期长的缺点，适合小批匾多 品种和样品的试制，大幅降低了模具制造和维护费用，提离成形精度并瞳具有更 高的黍性。更高效率、更低成本的满足了快速多变的市场需求。 1 1 2 板材无模成形工艺的发展 近年柬，一蝗新型的板材无模成形技术应运而生。如：喷丸成形、数， 两北】业人学硕士学位论文 化渐进成形、无模多点成形、激光热应力成形、激光冲压成形等。这些技术都是 在数控系统的支撑下，实现了板料无模成形，具有很大的柔性。克服了模具成形 的不足，节省了模具制造费用与时间，特别适合新产品的开发和小批量生产。 1 2 摄材渐进成形工艺及其豳内外研究现状 1 2 1 金一摄材渐进戚形工艺及特点 渐进成形( m c r c m e n t a lf o r m i n g ) 工艺，是一种通过数控设备，采用预先编 皋好的控制程序逐点成形板金侔的柔性加工工艺。用数控机床作为设计= = ：艺加工 路线和控制冲头运动轨迹的设备，通过个简单小冲头与坯料乏间进行相对运动 而成形工件最终形状1 6 】。该工艺成形过程基本无需模具或只要简单模具，节省了 错4 造模具费用和时间，适合小批最，多样化，复杂叛件的生产和试制。它还能控 制金属流动，与传统成形襁比，显示出不同形式的成形极限曲线( f l c ) ，提高 了金属板材的成形极限，在板料加工领域是一个值得重视研究的领域。该技术总 的说具有以下优点： ( 1 ) 实现无模成形 该技术无须专用模具，对于复杂零件仅仅需要制作一个简单的芯模，与传统 的整体成形模具相比，节省甄鳜加工、制造模具的费用，因而对一些新产箍的开 发具有巨大的经济价值。 ( 2 ) 将快速原型制造技术与鬻性成形技术有祝结合 目前已有的快速原型制造方法根难制造出作为零件使用的薄壳类工件，该技 术能填补传统快速原型制造方法的空自，既是快速成形拄求的发展，也是一种全 新的塑性成形技术，可能对板辩成形工艺产生革命性的影响，也将引起扳壳类零 件设计概念的更新。 ( 3 ) 该技术是对板材局部加压变形连续积累而达到整体成形，具有变形工艺力 小、设备小、投资少等优点，其受力近似子静压力，震动小、噪音低，可以成形 出其他技术无法成形的零件。板料无模成形技术不仅适合于耨产品的开发和时新 产品设计的验证，也可用这种方法加：l 。的薄板成形件作为躁型束髋割模县，并彤 这些模具进行批量生产。目自日制作这类模具宙两种：t 要方法：一种是用鲥脂材料 2 第一章绪论 制作模具，其寿命可达几干件，但李童料不能回用；另一种是用低熔点合命材料制作 模其，其寿命可达上千件，材料可以反复使用。这两种方法的共同特点是：制作 周期短，成本低，易于修改。 ( 4 ) 易于实现自动化 三维造型、王艺规划、成形过程模拟、成形过程控制等过程全部采用计算 机技术。实现c a d c a m c a e 一体化生产，是一项很有发展前途的先进制造技 术。 板料渐进成形技术对于薄板的成形是非常适合的，它的发展可以推动相关学 科尤其是快速成形技术和塑性加工理论的发展，具有重要的理论意义和广阔的应 用前景。 1 2 2 国内外研究现状 金属板料的无模成形很早就有人探索，近1 0 年由于市场需求的多样化，加 以机械和控制技术的进步，促使金属板料无模成形有了新发展，特别是德国和日 本的许多学者进行了大量的研究。按照成形工件形状可以把近年来新的渐避成形 方法研究分为三类： ( 1 ) 渐进反胀形成形工艺( j n 黔撇n t a l b a c k w a r d b u l g e f o r m i n g ) 1 。这种方法 是9 0 年代初目本学者m a t s u b a f a 提出的，用来成形凸面形状壳体，大型覆盖件 等零件，可以成形对称或非对称形状。 ( 2 ) 渐进拉延成形工艺( i n c f e n 嘲澜s t r e t c he x p a n d i n g ) 5 。这种方法是9 0 年 代初日本学者k i t a z a w a 等提出的，用来成形内部凹面形状工件，只能成形对称 件。 ( 3 ) 渐进单点成形工艺( i n c r c m e n t a ls i n g l ep o i n tf o r m i n g ) “。这种方法是近 年来在渐进反胀形工艺基础上才提出，加拿大的j e s w i e t 等；韩国的k i m ，p a r k ： r 本的i s e k i ；意大利的f r a t i n i 等人进行了大量的研究。该方法可用来成形对称 和非对称的凸面零件。 目l j f 比较典型的板辩无模成形方法有旋压成形、成彤锤渐进成形、多点成形 和数字化渐进成形。旋压成形是常用的板料无模成形技术之，但只能堋一r ：辅埘 j 魂北j ：业大学硕士学位论文 称的工件。近几年日本进行了c n c 成形锤渐进成形法的研究，该方法使用剐性 冲头和弹性下模对枚料各局部区域分别加工，是一种单点压延渐进成形t 艺。 c n c 成形锤渐进成形技术方法简单，成形速度较快，但只能成形形状比较简单 的工件，且成形后留下大量锤击疆痕，影响制品的表面质量，阂两还必须进行后 续处理。多点成形法是利用商度可调的数控液压加载单元形成离散曲面，来代捧 传统模具进行三维曲面成形，是种多点压延加工技术，有多点模具成形和多点 压机成形两种方法。多点成形法初步实现了无模成形，但对于加工形状复杂的成 形件有困难，机器结构复杂，成本较高。 2 0 0 0 年，k i m 、y a n g 发现板料濒进成形过程主要发生剪应交，整个接触小 变形区坯料厚度剪薄是否均匀是提高成形性能的关键因素之一；并提出了有效的 方法促使坯科厚度剪薄更为均匀，从丽提高了成形性能1 7 l 。2 0 0 2 年，j e s w i e t 通 过设计两个不同成形形状工件的实验对板料a i 3 0 0 3 渐进成形工艺参数进行分 析，提出了优化盼工艺参数雕。他实验研究了通过改变冲头渐进薰和旋转速度， 测试工件表面粗糙度与渐进置等参数的关系，从而提离了表面成形质量f ”。2 0 0 4 年意大利学者f n i c c 等进行一系列实验获褥板料不同的应变条件和成形极限图， 分析f l d 特征及应用l l o 】。2 0 0 4 年意大利的c 哦艏等用实验和数值分析的方法对 各种渐进成形方法进行了比较，提出加强渐进成形极限分析和利用数值分析手段 的必要性叫。 同时，国内一些学者也进彳亍了某些渐进成形工艺的研究。 9 0 年代王钟仁筹在轴对称许多道次数控点成形过程中，采用冲头弧线加：【 路线，通过实验获得厚度更均匀的工件，优化了加工路线，提离了材料的成形极 限【1 2 】。李明哲等多年从事扳材多点成形技术的研究，取得可喜成绩，研制出板 材无模成形压力机b 3 m l 。 2 0 世纪9 0 年代初，日本学者松原茂夫提出的一种新型的金属成形工艺 金属板料渐进成形技术，也就是前面提到的渐进反胀形工艺。近几年，浏内外i ， ： 多学者对会属板料单点渐进成形技术进行了部分的研究，并对该技术的发展蟪定 了定的理论基础。近年来，奠建华、黄树槐等致力于数控渐进成形技术的研究， 4 第一章绪论 利用三座标仪数控设备原型机完成了一系列板材渐进成形实验：( 1 ) 板料零件数控 渐进成形工艺顺利进行的必要条件是成形角必须小于材料成形极限半顶角，取不 小于此角的角度进行成形便能成功；( 2 ) 板料零件数控渐进成形成形极限半顶角 不仅与板料材料有关，还和板料初始厚度有关；( 3 ) 正弦定律指出壳的半顶角接 近于零时壳的厚度接近于零；( 4 ) 用通用c a d c a m 软件生成的加工轨迹，不 能直接用于板材的渐进加工成形，需要进行改造与优化处理；( 5 ) 对成形压头压 入点均布化及速度规划的处理可以减轻压头对成形工件的冲击，改善工件质量； ( 6 ) 增大塑性变形区可以减少回弹；增大成形角度也可以减少回弹，但与此同 时，必须限制成形角在一定的范围内以免产生拉裂、起皱等缺陷1 1 5 - 8 j 。 1 3 有限元横拟技术的应用及发震 1 3 1 有曦元楼板技术的应用 伴随传统的塑性加工技术和现代计算枫技术全方位的密切结含，传统的经验 设计方法迅速而有效地被模拟式设计所代替。作为一种有效的数值计算方法，目 前有限元法已经广泛地皮用到金属塑性成形加工过程的数值模拟之中。有限元法 为核心的数值模拟技术在金属塑牲成形领域中的应用是近2 0 年闻的事，所采用 的理论体系从小变形弹塑性有限元理论、隧g 描l 塑性有限元理论，到现在的大变 形弹( 粘) 塑性有限元理论，分析技术发展迅速，逐渐趋于成熟。 根据金属材料非线性本构关系式的不同，有限元法在金属成形过程模拟中的 应甩主要分为两大类，即剐牯 塑性有限元和弹 粘) 塑性有限元。 ( 1 ) 刚( 粘) 塑性有限元法忽略了金属成形过程中的弹性交形，其基本理论是 m a c k o v 变分原理。陲# 礴) 塑性有限元法适用于锻造、挤压以及轧制等塑性成形 问题的分析中，且刚塑性有限元法通常只适用于冷加工，丽对于热加工要用到刚 粘耀性有限元法。由于刚。( 粘) 塑性有限元法是一种基于变分原理的有限元方法， 使计算的增量步长可以取得大一些，并且该方法可以用小变形的计算方法处l 嚯火 变形问题，所以刚( 粘) 塑性有限元法克服了弹( 粘) 塑性有限元法中计算量大、运 算时间长、效率低等不足，使计算程序大大简他，达到了较高的计算效率。但黼0 。( 粘) 塑性有限元法由于忽略了会璃成形中的弹性效应，所以媛方法不能求解弹性 s 曲北t 业大学硕士学位论文 问题也不能进行残余应力计算。目前，冈h ( 粘) 塑性有限元法已戚为命属体积成 形的主要数值模拟方法。采用同_ ( 粘) 塑性本构关系的有限元分析软件，如a l f i d 、 d e f o r m 、m a f a p 等软件，其基本方程是对于e u l e r 坐标系两写的l ”j 。 ( 2 ) 弹( 粘) 塑性有限元法考虑了金属变形过程中的弹性效应，其理论基础是 p r a n d l t m i s t s 本构方程。弹塑性有限元法可分为小变形弹塑性宥限元法和大变形 弹塑性有限元法，前者主要分析金属成形过程中的初期情况，屉者应用于交形量 发生大变化的后期阶段。弹塑性有限元法适用子弹性变形量无法忽略的成形过程 模拟，广泛应用于板辩成形问题分析。采用大变形弹一( 粘) 塑性有限元法分析金属 成形问题，不仅能按照变形路径得劐塑性区的发展情况，工件中的应力、应变的 分布规律，以及几何形状的变化，而且能有效地处理卸载，计算残余随力、残余应 变，从而可以分析和防止产品i 约缺陷等闷题，符合金属成形对予精密讫模拟分桥 的要求。目前，二维大变形弹- ( 糨) 塑性有限元法模拟技术已臼趋成熟，并已在工 程中得到成功的应用。但大变形弹( 粘) 塑性有限元法楚建立在有限变形理论基 础上的，需要对变形梯度进行多次分孵，从分析金属成形过程的兔度出发，计算 工作置大，而金属成形过程逐常是在高温下进行的，工件在发生变形的嗣时伴隧 有温度的变化。医此，在分析金属成形过程模拟中，还必须考虑温度的影响，即 进行温度场与变形场的藕合计算，特别是工程中可以简化为二维分析的问题并不 多，三维模拟是必然趋势，三维阀题分析在数学模型和图形处理上的复杂程度大 大增加，由此引起豹计算羹猛增，比二维阍题的诗算羹高出几中倍甚至上百倍，这 对于计算机存储量的要求也隧之增加m j 。近年来，在金属成形过程的模拟分析 中，常用到的基于弹礴) 塑性本构关系的有限元分析软件主要有m a r c 、 a n s y s 、l s - d y n a 3 d 等，这些软件的基本方稷都是基于l a g r a a g e 坐标而写的。 由于计算枫软硬件技术的迅速发展和数值计算方法韵不断究善，使三维f 萄题 的分析成为可能。 1 3 2 嵩糖度寓效宰的量雏奢缀元模极系统 方面，人们在研究提高计算速度的方法开发了大规模计算问题的并行i 尊方法( p 盯a l l e lc o m p u t a t i o n ) ，利用并行处理机中多c p u 川。闻时刊：的特点，配 6 第一章绪论 以软件编程中的并行处理方法，使计算速度大为加快，弱前国际上许多商业软件 部推出了并行版，如麒s y s 、m a r c 、l s d y n a 3 d 等；另一方面，人们在研 究改善计算方法，众所周知，金属成形过程中，坯料的变形特别大，若采用更新的拉 格朗日法( u p d a t e di j a 铡l g i 姐m c t h o d ) 进行计算时，初始划分的单元网格逐渐畸 变，若将已经畸变的网格形状作为增景计算的参考构形，将导致计算精度降低， 甚至引起不收敛，为克耀上述问题，通常当网格畸变到一定程度后，必须停止计 算，重新划分适合于计算的网格，通过新旧网格闷信息场量的插值传递，荐继续 进行计算要完成一个成形问题的模拟，通常需要多次重划网格，这将导致计算 量的增加和由于多次插值带来的计算精度的降低，因此，许多研究开发人员正致 力予改进三维网格萋划的自适应能力和自动化程度，改进新旧网格阊信息传递的 插值方法，取得了可喜的进展。同融，开发了趾置法( a e o b r a r yl a g r a 位g i a ne u l e r i a n m c 粕蛐和显式解法( e x p l i d ts o r e , i o n ) ，丽a l e 法不霉象l a g n m g i a n 公式中将网 格固定在材料上，而是不依赖于材料的运动两移动，因此霹控制网格的几何形态， a l e 通过利用离阶的技术不断进行网格重划，从藤避免上述阂蹶，提离计算速 度和耪度，这对于为提高计算精度和效率而进行的弼格细划十分有利，该方法已 在m s c 加y t r a n 、p r e s sf o r m 等软件巾得到成功的应用，而显式解法主要是为 解决非线性问题隐式求解时为保证求解精度需反复迭代，使计算量猛增的问题， 目前该方法已成功地应用于l s d y n a 3 d 中。另外，随着计算枫软硬件的迅速发 展，计算速度闯题也将逐步得到解决【。 1 a 板材成澎极融器渊与f l d 为了提高扳材成形的质量，人们提出过很多种评价板材成形性能的方法。其 中应用最为广泛的是2 0 世纪6 0 年代宙k e e l e r 疆g o o d w i n 提出的成形极限图 ( f l d ) 的概念。成形极限圆为研究板料成形极限稻评价拉伸失稳理论提供了基 础。多年来，成形极限图确定方法遵常有两种，即实验确定和理论计算。 1 4 1f l d 的实验确定 f l d 的实验确定，根据试件受力方式不同丽分为“曲面法”( o u t o f - p l a n e ) l i r ， 两北：1 ：业大学硕士学位论文 板面法 ( i n - p l a n e ) j 掰大类。曲面法主要有h e c k l e r 试验法和n a k a z i m a 试验法；平 板面法主要有a z r i n 和b a c k o f c n 提出的a - b 试验法，m a r c i n i a k 和k u c z y n s k i 掇 出的m k 试验法，还有r a g h a v a n 试验法。 用实验来确定f l d 可以获得比较真实的数据。最通常测试成形极限图的方 法是通过胀形实验嘲。实验时，先在试样表面印制标准的圆网格，然后将不同 宽度的试样分置于凹模与压边圈之间，利用压边圈压紧拉仲篾以外的试样材料， 使之不发生材料的流动。试样中部在凸模胀形力作用下变形，试样表面的网格发 生畸变，当试样某个局部出现颈缩或破裂时停止实验。测薰颈缩区或破裂区附近 的网格长轴和短轴尺寸，由此再通过公式计算板材局部表面的极限应变。f l d 的纵轴以童应变表示，横轴以次应变岛表示。在f l d 中，掇材不同的变形方 式，其应变分布是不同的，分别分布在f l d 中的左、中、右三个区域，有时简 单地分类为拉深、平面应交帮胀形三种变形方式。对于不同翡变形方式，冲压件 上的应力应变分布也是不嗣弱。f l d 是否能准确地预溅符合各种变形特点斡材 料性能，这是非常熏簧的闻题 1 4 2h 国酶瑾论计算 理论计算成形极限图主要是通过采用不同的屈服准剿和塑性本构芙系，乖j 罔 不同的拉伸失稳准则作为判断发生颈缩与破裂的条件来进行解析的。研究方法主 要包括宏观的连续介质力学方法和微观的损伤力学方法两大类。 1 9 5 2 年，s w i f t 提出的分散性失稳理论和h i l l 提出的集中性失稳理论，为塑 性变形捉伸失稳理论奠定了基础。根据h i l l 的集中性失稳理论，板料在双向掩伸 变形方式下，由于不存在零应变线，因丽不可能发生集中性失稳。所以，h i l l 的 集中性失稳理论仪适用于成形极限曲线的左半部分。 针对这一问题，近2 0 年来又提蹈了很多新的失豫理论，概括起来可分成以 下几类：第一类，基于材料的局部细微裂纹是导致塑性失稳的原因，如损伤理沦 等；第= ：类，基于材料局部初始不均匀性是导致颈缩的原因，如m k 理论等： 第三类，利用经典的分叉理论对材料进行授限分析的方法，如h i l l 集中性失稳理 论牟us w i f t 分散性失稳理论。 i f 两类理论是耩f 材料损伤失稳假设，将材料搬伤 8 第一章绪论 的存在、发生、发展引进失稳模型，建立修正判据；后一类理论是基于均匀连续 体的失稳假设，认为板金属成形过程中，主要有两种失稳状惫，一种是分散性失 稳，另一种是集中性失稳。分散性失稳要先于集中性失稳发生。 谭红等将含有变形损伤效应的本构方程引入到m 1 理论模型，改进的m k 模型考虑了屈服函数即m i s e s 和t t c s c a 准则以及多晶体塑性理论对板材成形极限 的影响，使理论预测结果更接近于实际情况泌j ；还分析了材料参数及屈服函数 对板材成形极限的影响，得出成形极限曲线的右半部分雎线斜率随应变硬化指 数、应变速率敏感指数、屈服函数形状系数的增大而减小，随材料初始几何缺陷 参数豹增大而增大的结论。陈新平等提出了一种预测左半部分成形极限圈的简单 方法，对以拉深为主要变形方式的冲压成形过程作了“不同工程次应变+ f 材糕极 限厚度应变基本相同”的假设，成形极限图左半部的简使计算公式i 。 现阶段研究成形极限闯蘑的主流方法，将实验结果和理论计算相比较，来判 断材料变形性能。实验测定虽然可以获得比较真实的数据，可以作为检验理论 f l d 的依据，但也有其缺点，如工作量很大，需要投入大量的材料，花费很商。 然而有一条更严重的弊端，就是由实验确定的f l d 一般都是在线性或者近似线 性应变路径下得到的，不符合实际生产中工件的变形情况，因丽不能很好地预测 破裂的发生。 面对这种矛盾，科学家们提出了用数值模拟的方法来研究成形极限问题。 1 5 板材成形裰穰静数值模拟进鬏 由于实验研究板材成形极限，在现有的实验条件下实现复杂应变路径还比较 困难，目前只能将复杂应变路径简化成两段线性应变路径，首先通过单向拉伸、 双向等拉或平面应变等方法将板料简单地预变形到各种不同的燮形程度，然后阿 把经过预变形的板料在单向拉伸到双向等拉之间的各种状态下进一步变形。在实 验中，单拉预应变比较容易取得，而取向等拉颈应变则较难取得。因此探索、建 立实现复杂加载路径的新方法，对完善板料成形极限方面的研究具有十分重要的 意义。 为了缩短高质量成形板的制造周期并降低成本，避免错误的尝试过删：为j 9 曲j u 业人学硕士学位论文 i i i 加载复杂应变路径研究成形极限；冲压工业已经开始广泛使用数值横拟技术柬分 析变形路径和超皱、破裂等成形缺陷i 并且对板料和模具的设计以及成形条件进 行有限元分析的方法也在不断改进和发展中。有限元分析一股都是基予膜单元、 壳单元或者是实体单元，采用静态或动态，隐式或者显式算法。数值模拟虽然可 以很精确地分析板辩的成形结果，但是很费时，对计算概的要求也比较高。针对 这种情况，近年来提出了一些筒化方法。有一种逆法f 用来计算深拉深过程中 薄板的大弹塑性变形，改进后的逆法考虑了拉惩筋的阻力和压边力的影响，计算 效率更高，对板料和模舆的初步设计阶段具有足够静精度。 在对大弹塑性变形过程的模拟当中，通过把损伤演化方程与本构方程直接耦 合的方法实现对损伤的发生和发展过程的耪确模拟，可以提离预测精度。郭英乔 等提出了两种互补的预澜扳材成形中拉深损伤的出现和发展的方法。第一种是基 于弹塑性性质和延性损伤的强耦台关系的增量方法，延性损伤是由组与加载历 史有关的非线性常微分方程来控制。第二种方法是建立在简化塑性理论和破坏模 塑基础上，采用某些假定条件下的逆法方程，避免了蠼量过程计算。 根据各种实验和理论推导来研究金属的成形极限并提出准则，但每种准霁j 都 有一定的适用条件，对板料的各种成形过程还没有一种能普遍适用的准则，务麟 板料发生大变形时通常会发生韧性断裂，鉴于在体积成形领域广泛使用韧性断裂 准则，所以将韧性断裂准则的概念引入到了板料成形领域。常用的韧性断裂准则 是根据板料变形过程中应力、应变及塑性变形熊的变纯来预测韧性断裂的发生。 而板料在变形过程中应力、应变的分布和变形历史都可以通过霄限元计算得到。 因此可以把韧性断裂准舆f j 与有限元模拟结合起来，预测板料的成形极限。基丁| 各 种不同的假定，人们提出了很多种不同的韧性断裂准则。其中应用比较广泛的是 c o c k c r o f t 、l a t h a m 准则i 罄l 和o y a n e 准则1 2 9 j 。 有限元模拟可以在一定程度上代替实验和理论计算，获得材料的成形极限趣 线，但其计算精度是个关键问题。影响有限元模拟精度的因素有很多，建葭的 计算模型，如对工件的离散化，所选用单元的特性和迭代的方法，对材料性能的 描述，如硬化曲线的确定，本构关系及备向异性模型的确定都是至关重要的。边 界条件如工件与工具阃的摩擦和热交换，也都是根难准确测定义对计算精度仃 h 第一章绪论 大影响的因素。童隆长b o 】对以上影响计算精度的主要因素作了研究和讨论。还 有在模拟中无论是判断簏生屈服、失稳还是破裂，都有很多种可以依据的准则， 但每种准则都有一定的适用范围，只在某种情况下可以取得很好的结果。因而如 何恰当的进行单元划分、单元形函数的选取、迭代参数的选定和材料模型的选择， 给出正确的初值和边值条件并选取适当准则作为判据，是决定模拟精度的关键。 1 6 本文研究内容及目的 国内渐进成形技术的研究，虽已经起步，但和国外相比存在较大差距，还处 在了解和初步探索阶段，尤其是对关键的成形极限闯鼷还没深入研究。面对渐进 成形工艺不需要模具、成形极限大、可控弗9 会俑流动、能加工形状复杂的自由曲 面，适合航空航天和汽车工业等小批量多品种板材零件的诱人前景，应着重对该 工艺的理论深入研究。 本次研究针对板材渐进成形工艺，分析其变形特点，主要通过数值模拟的方 法探讨铝合金a 1 1 0 0 - 0 板材的成形极限，通过建立渐进成形工艺三维弹塑性有 限元模型，验证了连续模拟渐进成形部分工艺过程的可行性；同时提出了分析渐 进成形过程中板料处于不同应变状态下应力、应变分布和成形规律的路径规娜， 并通过加载所规划的成形路径，用数值模拟的方法验证了不同路径加载情况下板 料的不同应变状态，为进一步用数值模拟方法研究渐进成形一l 二艺成形极限提供了 一定的理论依据。 本章小结 本章首先介绍了无模成形工艺的发展，特别是对于金属板材塑性成形，着重 论述了渐进成形工艺。接着，提到了研究板料成形极限实验和理论的发展，山于 实验有其不可避免的缺陷，随着数值分析法的更新和计算机软硬件的提高，用数 值模拟的方法代替实验来评估扳材成形极限是可行的。针对板材渐进成形。r 艺的 优点和成形极限数值模拟方法的可行性，提出了本文主要进行的三个方商舱1 ： 作： i 建立渐进成形工艺的三维弹塑性有限元模型： 西北二l ：业人学颁十学位论文 2 渐进成形工艺成形极限数值模拟方案规划； 3 模拟验证不同加载路径反映板料不同应变状态。 第二章板材冲蹑成形数值模拟理论 第二章板材冲压成形数值模拟理论 板料成形技术被广泛应用于汽车、钢铁、电器、船舶、航空航天、兵器等领 域，而成型缺陷的发生将直接影响到生产和产品质量，因此如何迅速准确地预测 整个板料成形过程中可能出现的起皱、破裂、回弹等缺陷并确定其中的些重要 工艺参数，已成为扳料成形技术发展的关键问题f 3 1 】。 2 , 1 金板料成澎机理及特点 传统的盒属板料成形是指材料在外力作用下，透过模具型腔的约束而发生塑 性流动，最终达到产品的物理和几何要求。因此，塑性成形过程实质上就是变形 体边界与模具型胶的接触不断发生变化并影响内部金属变形的过程。成形过程中 表面缺陷的形成与发展也正是在这样的识别过程中发生的。 从力学角度来看，板料成形具有以下特点： ( 1 ) 弹性变形与塑性变形相比所占比例不可忽略，应采用弹塑性材料模 型； ( 2 ) 板料成形大多属于小应变、大变形问题，对工件的形状变化历史及材 料的应变历史都应该跟踪分析； ( 3 ) 板料成形中往往伴随着材料的拉伸失稳( 局部颈缩) 和压缩失稳( 起皱) 现象； ( 4 ) 回弹对板料的成形尺寸的准确度影响较大，不可忽视。 目前应用金属板料成形数值模拟技术可以预测与消除起皱和拉裂，计算圈 弹，确定压边力，计算毛坯尺寸，优化润滑方案以及预测和改善模具磨损等。 2 2 材料横型 2 2 1 刚塑性模型 冲压过程中材料的应力应变关系可以用刚塑性模型来表示( 圈2 1 ) 西北【：业大学硕士学位论文 在这个模型中，只要等效应力小于材料的屈服应力盯。材料就不发生变形。 1 旦某点的等效应力到达屈服点，材料便开始塑性流动。当等效应力又降低烈屈 服点以下时，材料又终止变形。由于冲压成型中塑性变形量通常远远大于弹性变 形量，材料的流动状况主要通过塑性变形来反映。因此剐塑性材料模型可用柬预 测冲压成型中应力应变集中区，从而判断可能产生豹断裂，也可用柬估算零件的 厚度分布等。刚塑性模型中同样可以计入材料的各向异性和塑性硬化等。 豳2 - 1 刚塑性材辛肆模型 刚塑性材料模型能在一定程度上简化计算，但不能用来准确地预测冲眶成型 后零件中的残余应力分布，简时也忽略了冲压成型过程中的一个重要物理现象即 回弹。 2 2 2 弹塑性横型 由于冲压成型零件在卸载后的回弹曩十分蕴要，因此仅奄刚塑性材料模型是 不够的。现今用于冲压成型过程计算的材料模型大多属于弹塑性模型。早期研究 对的弹塑性模型，通常假设材料具有各向同性的特点，但实际生产中用的板橱具 有明显的各向异性。最通常的情况是冲压用的板材具有疆交各向异性，如图2 - 2 所示。材料在厚度方向，轧制方向和轧辊线方向的特点都各不相同。 第二章板材冲压成形数值模拟理论 嚣 譬 琵爵爵爵一 图2 - 2 冲压成型用板材的正交各向异性 在建立材料的本构关系模型时，另个应予离度熏视的问题是材料的塑性硬 化特性。简单而又常用的塑性硬化模型有等向硬化模型和随动硬化模型。实践证 明这两种模型都不能真实地反映实际材料的真实硬化特性，因而人们通常采用这 两种模型的线性或非线性组合。材料的硬化特性只反映材料抗塑性变形的能力， 在冲压成型中材料的塑性流动的计算还依赖于材料豹屈服准则和塑性流动准则。 材料本构关系的合理性及有关计算的准确性，是直接影响冲压成型过程计算结果 可靠性的最重要因素之一。 2 3 板材成膨数佳模叛关键技术分析 2 3 1 有鼹元冀楼技术 在板料成形的有限元仿真中，通常采用点阵、解析方程、有限元网格和参数 曲面四种方式来描述模具型腔曲面的几何形状。有限元鼹格插述是目前成形仿真 分析中描述模具型腔越厦几何形状的主流方法矧。有限元网格将模具型腔表面 离散为线性或高次有限单元，将板料成形有限元求熬器中的动态接触处理问题归 结为直线和平砸求交或直线和曲面求交，使动态接触处理简化。但是，有限元网 格存在几何精度不商的缺点，若为了提高成形精度两把模爨型胶离散成数堂根多 的宝匿小单元，将降低计算效率，并且离散后弓i 起法矢量的不连续，导致在动态求 交时产生死锁现象。 2 3 2 网格重避1 分技术 板料成形仿真进行到一定程度时，有限元嘲格会l = j 于严重畸变而导敛模拟的 1 5 西北j 业人学硕士学位论文 中断。因此当有限元网格变形到一定的程度后，必须进行网格重划。在网格重划 技术中，首先解决网格畸变的判别问题，其次必须正确实现新旧网格系统的信息 传递，特别是等效应变，速度场及边界条件等变形历史信息的传递，以保证计算 的连续性。这项技术一直是有限元数值模拟中的关键技术和热点问题。目前对二二 维重划技术的研究已趋成熟，三维瞬格重划技术由于其内在的复杂性，至今仍处 于探索阶段。重划分基本流程如图2 3 。 图2 - 3 网格重划分基本流程翻 2 3 3 材料本构美系 板料的变形大多都为