（材料加工工程专业论文）翻边工艺模拟分析及优化.pdf

摘要 翻边成形工艺是板材成形工艺中比较重要的一种方法，如今广泛的应用在 航空航天及汽车等行业里面。而翻边类型中以圆孔翻边最为普遍，当翻边高度 过大时成形容易产生破裂的缺陷，因此对圆孔翻边的成形性能的研究有着重要 的意义。目前，随着计算机模拟技术的不断发展，更多的研究人员都选择了使 用计算机有限元模拟的方法来探讨板料成形工艺。计算机数值模拟技术可以提 前预测存在的尺寸结构等问题和缺陷的产生，并有效地进行改进，从而缩短了 生产周期，降低生产成本。而针对该现象，本文采用板料有限元模拟软件 d y n a f o r m 及a b a q u s 对翻边进行模拟。 长期以来，冲压理论及工程应用均按平衡方程式r d t x ，毋+ ( 仃，一c r y ) = 0 推 导圆孔翻边过程中变形区应力的分布规律，但这种平衡方程是在不考虑翻边过 程中材料发生的厚度变化为前提条件建立的。按这种方式分析翻边变形区的应 力、应变和求解翻边变形力，虽然方法简便适用，但与翻边区域厚度显著改变 这一事实明显不符，同时对影响翻边成形过程的各种因素的估计过于粗糙，其 计算结果与生产实际存在较大的误差。因此，考虑变形过程中材料厚度变化这 一因素，运用更实际的圆孔翻边平衡微分方程来进行应力、板厚与径向半径的 关系式的推导显得十分必要，并且具有一定的理论意义和实际意义。 影响圆孔翻边质量的因素很多，从凸模形状，板料的厚径比到坯料的材 料性能，生产的工艺参数等。通过有限元分析软件d y n a f o r m 对整个圆孔翻 边过程进行模拟，并改变凸模形状即采用抛物线型凸模、圆锥形凸模及球型凸 模来进行圆孔翻边，在同一条件下将其与圆柱形凸模进行对比分析，并改变不 同的厚径比得到不同的翻边极限系数，阐明采用不同形状的凸模和不同厚径比 对翻边极限产生的影响。 为了探讨不同的材料性能参数和工艺参数对翻边的影响，本文选取了四 个材料性能参数和工艺参数对其进行正交试验，从而获得对圆孔翻边厚度变 薄率影响最大的因素。并利用有限元分析软件d y n a f o r m 对其进行模拟， 得到不同因素下的最大翻边变薄率，从而进行比较找到对翻边板料变薄影响 最大的因素。对以上各种影响圆孔翻边的因素比较分析结果和规律，对今后圆 孔翻边时各个因素的的选择具有了一定的指导意义。 关键词：圆孔翻边，数值模拟，厚度变化，影响因素，翻边极限系数 a b s t r a c t f l a n g i n gp r o c e s si sa ni m p o r t a n tm e t h o di ns h e e tm e t a lf o r m i n gp r o c e s s ，a n di t i sn o w w i d e l yu s e di na e r o s p a c ea n da u t o m o t i v ei n d u s t r y 吼i l en l eh o l ef l a n g i n gi s t h em o s tc o m f f l o nt y p eo ff l a n g e ，f o r m i n ge a s i l yl e a dt or a p t u r ew h e nf l a n g i n gh e i g h t i st o ol a r g e ，t h e r e f o r ef o r m a b i l i t ys t u d yo nr o u n dh o l ef l a n g i n gh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e a tp r e s e n t ，a l o n gw i t ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t , m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sh a v ec h o s e nt ou _ s et h ec o m p u t e rf i n i t ec l e m e n ts i m u l a t i o n m e t h o dt od i s c u s s s h e e tm e t a lf o r m i n gp r o c e s s c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g yc a l lp r e d i c ti na d v a n c ea n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep r o b l e ms u c ha s s t r u c t u r ea n ds i z e ，t h u si tc a l ls h o r t e nt h ep r o d u c t i o nc y c l e ，r e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t a n da g a i n s tt h ep h e n o m e n o n ，t h i sp a p e ra d o p t ss h e e tf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n s o f t w a r ed y n a f o r ma n da b a q u so nt h ef l a n g i n gs i m u l a t i o n l o n g - t e r ms i n c e ，s l a m p i n gt h e o r ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nd e d u c t i o nt h e s t r e s so fh o l ef l a n g i n gp r o c e s si nd e f o r m a t i o nz o n ea c c o r d i n gt ot h ee q u i l i b r i u m e q u a t i o no fr d c r ，d r + ( 仃，一) = 0 ，b u tt h i sb a l a n c ee q u a t i o nd o e s n ac o n s i d e rt h e f l a n g i n gp r o c e s sm a t e r i a lt h i c k n e s sv a r i a t i o n a l t h o u g ht h em e t h o da b o u tt h ea n a l y s i s o fs t r e s sa n ds t r a i n i nf l a n g i n gd e f o r m a t i o nz o n ei ss i m p l et oa p p l y b u tc l e a r l yi ti s i n c o m p a t i b l ew i t ht h et h ef a c tt h a tt h et h i c k n e s so f t h ef l a n g er e g i o ns i g n i f i c a n t l yh a s c h a n g e d ，a tt h es a m et i m ev a r i o u si n f l u e n c ef a c t o r si nt h ee s t i m a t i o no ft h ef l a n g i n g f o r m i n gp r o c e s sa r et o or o u g h ，t h e r ei sab i ge r r o rb e t w e e n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw i t h t h ea c t u a lp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，c o n s i d e r i n gt h i sf a c t o ro ft h em a l e r i a lt h i c k n e s s c h a n g e si nt h ed e f o r m a t i o np r o c e s s ，u s i n gam o r er e a l i s t i ce q u i l i b r i u me q u a t i o n so f t h eh o l ef l a n g i n gi sv e r yn e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h ed e r i v a t i o no ft h er e l a t i o n s h i po f s t r e s s ，t h i c k n e s sa n dr a d i a lr a d i u s ，a n di th a ss o m et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h e r ea l em a n yf a c t o r se f f e c t sq u a l i t yo fr o u n dh o l ef l a n g i n g ，f r o mp u n c hs h a p e ， s h e e tt h i c k n e s st od i a m e t e rr a t i ot ot h eb l a n km a t e r i a lp r o p e r t i e s ，p r o d u c t i o np r o c e s s p a r a m e t e r sa n ds o0 1 1 t h r o u g ht h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ed y n a f o r m s i m u l a t e dt ot h er o u n dh o l ef l a n g i n gp r o c e s s ，a n dc h a n g et h ep u n c hs h a p ew h i c hu s e s p a r a b o l i cc o n v e xd i e ，c o n i c a lp u n c ha n das p h e r i c a lc o n v e xd i e f o rr o u n dh o l e n f l a n g i n g ，c o n t r a s t i n gw i t ht h ec y l i n d r i c a lc o n v e xd i eu n d e rt h es a m ep l a t f o r m ，a n d c h a n g ed i f f e r e n tt h i c k n e s st od i a m e t e rr a t i ot og e td i f f e r e n tf l a n g i n gl i m i tc o e f f i c i e n t , c l a r i f i e st h ed i f f e r e n ts h a p eo ft h ep u n c ha n dd i f f e r e n tt h i c k n e s st od i a m e t e rr a t i oo n f l a n g i n gl i m i tp r o d u c ed i f f e r e n te f f e c t s f o rd i f f e r e n tm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n d p r o c e s sp a r a m e t e r sh a v ed i f f e r e n te f f e c t s0 1 1 t h ef l a n g i n g ，t h ep a p e rs e l e c t sf o u rm a t e r i a lp a r a m e t e r sa n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s o nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g n , t of i n dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so nr o u n dh o l e f l a n g i n gt h i c k n e s st h i n n i n gr a t e a n du s i n gt h ef i n j t ce l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e d y n a f o r mt os i m u l a t et h ed i f f e r e n tf a c t o r s ，g e tt h em a x i m u me d g et h i n n i n gr a t e ， w h i c hw e r ec o m p a r e dt of i n dt h em o s ti n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h ef l a n g i n gs h e e t t h i n n i n g b a s e do na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ea b o v ev a r i o u si n f l u e n c ef a c t o r s ， t h e r ei sac e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c ea b o u tc h o i c eo fa l lf a c t o r so nr o u n dh o l e f l a n g i n g k e y w o r d s ：h o l e f l a n g i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h i c k n e s sc h a n g e ， i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，f l a n g i n gl i m i tc o e f f i c i e n t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 2 0 世纪6 0 年代，在计算机技术的迅速发展下，伴随着有限元理论的提出， 板料成形的计算机模拟技术也随之产生。曾经有一美国学者在早期第一次非常 幸运的完成了用计算机有限元模拟仿真薄板的冲压过程，然后经过几十年的不 断发展，出现了许许多多比较成熟的c a e 模拟软件。常常在一些工艺过程的仿 真和设计c a d 生成的模型的时候就要用到这些c a e 软件，这些软件的功能还 有确定毛坯的几何形状尺寸、比较分析零件最后的冲压成形性能、预测零件在 冲压成形过程中的成形缺陷，如起皱、破裂及回弹等、优化工艺的方案参数等。 通过模拟软件的分析，就很方便的预测模具在还没投产的前期设计当中有可能 会产生的缺陷和分析在试模的时候将会发生的问题、评定该工艺是否可行以及 改进在生产大批量产品时的产品的质量。这样既可以不断的在模具的质量方面 得到提升，其开发周期在很大程度上减小，并且还可以把研发该种模具的成本 减少。 在冲压工艺中，翻边工艺是必不可少的一个阶段，很多零件都要焊装，所 以大多数零件都要进行一些翻边的成形工艺，包括各种形状的翻边。当今社会， 由于人们在电器、车辆、飞机等等的零件产品质量抱有很高的要求使得零件的 形状也越来越复杂。随着不断变化的产品形状，我们越来越难以直接判定一些 翻边成形工艺中各部分的特性，更加难以预测翻边变形区的破裂起皱等缺陷。 然而在如今的学术研究中，大多数学者都倾向于研究弯曲和拉伸的成型工艺等 一些基本的冲压基本工序，以至于研究翻边成形工艺的这方面就比较少，所以 对于翻边成形这一工艺最重要的应该是加大力度的探讨和研究，提高人们对其 的关注度和兴趣度。 目前经过很多年的持续进步，汽车制造业越来越看重板料成形的数值模拟 技术，使得该技术在应用方面不断成熟，国内外现在已经有许许多多的单位研 发中心都在前期设计模具、冲压生产工艺中用到计算机的模拟技术，明显的促 进了相互的竞争力。德国的大众和奔驰，美国的通用和福特等这些大型的汽车 制造公司在开发产品和投入生产汽车覆盖件的时候就运用了板料成形这一模拟 武汉理工大学硕士学位论文 技术，并且有了显著的成效，收获了较高的经济效益。由于如今汽车、飞机等 制造业迅速的发展，那么它们也会越来越广泛的运用板料成形这一重要的模拟 技术。 目前，在冲压这一技术上，往往都是在运用c a e 软件来解决，但是有很多 因素会和结果相关联，例如原始坯料的形状、模具间距、压边力大小、相互的 摩擦情况等这一系列因素，它们都会关系到冲压的最后结果，除此之外c a e 软 件还有其本身的因素会产生影响，比如网格的划分情况、模型的形状设计、拉 延筋的设置方式、壳体单元的计算公式等因素，它们也会大大影响在冲压过程 中的最后成型结剁3 - 。而这些大部分的相关因子的影响的具体程度还不清楚，因 为现在的大部分成形模拟技术并不能拿来优化过程，也没有了在现实操作时候 的调试模具的过程，而仅仅还是用作模拟的实验。所以，为了加强模具在设计 时候的质量，能有效地完成整个板料冲压的过程，在冲压模拟过程中往往使用 多个参数来进行优化设计，因为对于不同参数的不同影响比较是很有必要的， 对与翻边工艺也不例外，这样可以进一步优化翻边工艺。 1 2 翻边工艺的概述及研究现状 1 2 1 翻边成形工艺 圆孔翻边是利用模具把板材上的孔缘或者是外缘翻成竖边的冲压加工方 法，翻边主要用来制作与其他零件的装配部位( 比如螺纹底孔等) ，或者是为了 提高零件的刚度，特定的加工成一定形状。如果是在大型钣金成型时还可以作 为控制破裂和折皱的手段1 4 】。 按照其工艺的特点，翻边通常可以分为内孔翻边和外缘翻边，外缘翻边又 可以分为内曲翻边和外曲翻边。如果按照变形性质可以分为压缩类的翻边和伸 长类的翻边。压缩类的翻边特点是：由于变形区的材料切向受压缩应力，所以 容易产生压缩变形，厚度会增厚而导致起皱。比如外缘翻边中的外曲翻边就是 该类型。伸长类的翻边特点是：由于变形区材料受着拉应力，所以切向容易伸 长，厚度就会减薄而导致破裂的发生。比如外缘翻边中的内曲翻边和圆孔翻边 就是该类型【5 j 。 通过对圆孔翻边的应力应变分析，根据全量理论，对平面翻边变形区的等 效应力分布规律以及极限翻边系数进行了分析研究。极限翻边系数是设计模具、 2 武汉理工大学硕士学位论文 制订工艺和选择设备的重要依据。 1 2 2 国内外板料翻边成形模拟技术的发展 国外金属板材成形的数值模拟始于2 0 世纪6 0 年代。c l o u g h 教授于1 9 6 0 年 发表的关于研究平面弹性问题的论文中首次提出“有限元疗这一名词。最早出 现的方法是有限差分法，但此类方法仅限于解决诸如球形冲头胀形等轴对称问 题，对复杂边界条件处理存在困难而未能得到广泛应用。 2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代中期，h i b b i t 在有限变形理论基础上首次采用拉 格朗日( l a g r a n g e ) 行列式描述建立了大变形弹塑性有限元方程嘲i 随后 m c m e e k i n g 等人在1 9 7 4 年采用e u l e r 理论建立了大变形弹塑性有限元方程，完 善了大变形弹塑性理论1 7 1 。1 9 8 6 年n m w a n g 则提出了弹粘塑性有限元法，用弹 粘塑性有限元法仿真了平底圆凸模和半球凸模下的拉深过程，并研究了粘性、 凸模速度对应变分布的影响【引。由此，板料冲压成形数值模拟的研究就沿着这条 道路发展了起来。板料成形技术在7 0 年代末逐步发展并日趋成熟。 如今，板料成形仿真技术领域的研究重点集中在：深入、全面揭示零件几 何形状、模具几何形状及结构、材料类型及性能参数、摩擦润滑条件、压边条 件、冲压设备、拉延筋形状、结构、布局及拉延筋模型等因素对成形结果及成 形性能的影响；发展与应用新的本构方程、破坏准则和摩擦模型，特别是对于 某些新材料的本构模型；并行处理、优化设计、模糊控制等技术，一步提高成 形模拟精度及仿真计算效率。 翻边过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程，既有材料非线性、几何非 线性，又有边界接触条件非线性变化。目前，国内外学者主要将研究集中在钣 金零件拉延过程的成形性上，对翻边过程成形的研究则相对较少。卢险峰，张 朝阁等学者就对圆孔翻边这个成形的过程进行了数值的模拟通过应用有限元分 析软件a b a q u s ，发现在翻边过程中，其变形可以分成四个步骤，进一步观察 其每个步骤的变性特点、发现了板料在不同步骤下厚度产生的增大减小过程、 原始小孔的直径不断变化的计算特点以及不同阶段等效应力位置的分布规律 等。并且做了实验，通过一定方法将常用的s p c c 这一冷轧钢板进行了翻边。将 以前的分析数据和这次的试验用来进行比较分析，这样不仅研究出了新的思路， 又加深了对以前理论的体会。这种研究表明对圆孔翻边的工艺理论基础和实践 中的发展都具备了较高的指导性意义【9 】。纪莲清，谢欢等学者们就不断研究了在 武汉理工大学硕士学位论文 圆孔翻边变形区在翻边的时候将会出现的一些变形特征，研究发现整个过程为 一种非线形的几何物理变形过程。通过所谓的主应力法理论的分析了圆孔翻边 这个工艺在模拟后其中的变形区域在模具上的力情况以及应力应变分布情况， 并且总结出了伴随着凸模斜度的不断改变翻边变形区的应变应力分布规律。并 且选择了实际例子，采用分析软件a d i n a 来进行模拟，发现了模具力的情况和 翻边变形区的应变应力分布规律，将其与理论分析比较，得到一样的结果，为 圆孔翻边时远空的半径会不断增大，变形区域的材料厚度也会不断减小，随着 凸模的斜度会增大，就需要很大的压力，也会使得圆孔边缘的等效应变增大l l o l 。 国内学者官英平，张涛等人根据全量理论以及探讨了在预冲孔翻边时应变 和应力的分布情况，并且找到了有关在变形时的翻边极限系数及应力分布的近 似方程式1 1 1 】。王海生，陈泽民等人则通过具有动力显示这一算法的在板料成形 中广泛使用的非线性的有限元分析计算软件d y n a f o r m ，并例举了零件对其进 行翻边的数值模拟，根据模拟的结果分析发现翻边系数k ，应变强化指数n 以及 各向异性指数r 都与翻边最后结果相关【1 2 1 ；刘志云，何成宏等学者就具体的分析 了外缘内、外曲翻边的应力应变状态，将有限元的数值模拟和最后的实验结果进 行对比，证实了该公式有较准确的精度，并且发现了在翻边变形过程中的变形 情况以及对原始板料的尺寸进一步完善的过程，从而进一步提高翻边成形的精 度1 1 3 】；施志大，仝茂源等人找到了圆孔翻边时采用罗带参数这一新型参数来求 解应变应力的方法。并且删除了翻边过程的弹性变形，同时使用对数应变的方 法来求解，因为在翻边过程中塑性相比起弹性的变化成型而言，塑性的变形相 对来说比较大，针对这个方法与实际相联系起来还得出了另外分析计算翻边力 的大小的方法【l 训。 国外学者w a n g n m 和w a n gc t 采用完全解析的手段分别对内凹翻 边和外凸翻边的变形分析计算模型进行了推导。y u u n g - m i n gh u a n g 贝l j 根据圆孔 翻边的有限元分析，利用模拟仿真发现翻边后的几何变形，厚度分布情况都与 实验数据相吻合。w o r s w i c km j 等利用l s - d 、a 对伸长类翻边的成形性进 行了模拟研究。h u a n g 、y o u m i n 、c h i e n 、k u o h s i u n g 运用增量式更新的拉格朗 日公式的弹塑性有限元计算机代码的分析金属片中心的带有预冲孑l z s l 径的圆孔 翻边情况，采用扩展最小比率技术来确定每个增量步的尺寸不仅取决于每一个 高斯单元的节点，还取决于工具表面的边界条件1 1 5 - 1 9 。 多年来，在圆孔翻边应力应变应变的推导和对其分布规律的探讨等的研究 中发现，其平衡方程的建立都是在翻边的过程中不考虑材料变形时厚度的变化， 4 武汉理工大学硕士学位论文 所以基本上都是按照式子，半+ ( 仃，一) = 0 来进行进一步的应用推导。虽然 办 该式子在求解的时候简单方便，但是与翻边区域厚度变薄这一事实不相符合， 同时对影响翻边成形的各种因素的估计过于粗糙，导致其计算结果和实际生产 存在很大的误差。因此，考虑变形过程中材料厚度变化这一因素，运用更实际 的圆孔翻边平衡微分方程来进行应力、板厚与径向半径的关系式的推导显得十 分必要，并且具有一定的理论意义和实际意义。 1 3 板料成形模拟技术的应用 1 3 1 国内外板料翻边成形模拟技术应用现状 目前，世界各大汽车公司对板料冲压成形模拟( c a e ) 都非常重视，在国 外经过近3 0 年的发展，板料成形的计算机模拟技术已经进入到了应用阶段，例 如欧美、日本等一些发达国家全部用仿真分析汽车覆盖件的开发，有的在国外 已经形成了许多专用的软件，市场上常用板料成形模拟软件有：d 、i a f o i w 、 a b a q u s 、a n s y s 、a u t o f o r m 、p r o m e 、c h a n i c a 、【a r c 、p f 6 l m s t f 6 l m p 矗盘 守o d 呵a f o i w 是美国l s t c 公司和e t a 公司联合开发的用于板金成型过程 模拟仿真的专用软彳牛【2 0 l 。d y n a f o r m 在长安汽车、南京汽车、上海大众汽车 公司等各种大型汽车公司都得到成功应用。软件中采用的是增量法的模面工程 ( d f e ) 模块，使得该软件具有补充自动工艺、调整冲压方向、翻边和倒角的强 大功能，其中l s d y n a 3 d 能完整直观的处理前后置功能，对于在冲压成形过 程中的回弹、破裂及起皱等缺陷也具有好的预测能力1 2 1 1 d y n a f o r m 主要包 括了三大部分： 1 ) d y n a f o r m 前处理器它的主要功能是：建立凹模( d i e ) 、凸模( p u n c h ) 、 压边圈( b 访d e r ) 和板料( b l a i l l ( ) 的几何模型，提供板金成形分析所需的与c a d 软 件的接口，并根据实际要求的板料的的计算精度和几何模型的复杂程度，进行 有限元网格划分。并且设置板料的各项性能参数，模具与板料间的摩擦系数与 润滑系数，设定压边力等。 2 ) l s d y n a 钣金成形模拟有限元求解器它的主要功能是：对有限元模型进 行单元分析，进行有限元系统的整合，求解和有限元结果的生成。判断板料在 武汉理工大学硕士学位论文 成形过程中各节点的应力、应变情况及板料厚度的分布情况，预测板料的起皱、 拉裂等缺陷的产生趋势，是软件的内核，决定了计算的准确度和计算效率。 3 ) d y n a f o r m 后处理器它的主要功能是：运用三维动态的云图和等值线 来显示工件厚薄变化，应力应变大小，整个成型的过程等；而在成形极限图上 则会动态地显示划分的各个单元的成形情况，比如局部起皱或拉裂等情况陇1 。 a b a q u s 是由美国的h k s 公司开发并且是基于弹塑性理论的软件，已在 b m w 得到广泛的应用。如今，该软件已经逐步进行完善，从线弹性静态的简单 问题到高度非线性的复杂问题，从单一零件的力学性能分析到复杂的多物理场 的耦合分析，它都能够驾驭。具体的说，该软件的功能除了有效地进行静态和 准静态的分析，接触分析，模态分析，弹塑性分析，断裂分析，几何非线性的 分析，耐久性和疲劳的分析等一系列的结构和热分析以外，还能够进行热固耦 合分析，质量扩散分析，流固耦合分析等， a b a q u s 软件以其强大的c a e 功能和有限元分析的功能，被广泛的应用到 制造业，土木工程，水利水工，船舶航空工业，生物医学，石油化工等领域。 它主要含有以下几种模块， a b a q u s 含有a b a q u s s t a n d a r d 和a b a q u s e x p l i c i t 两种主要的求解器模 块，还有一个a b a q u s 作为人机交互的前后处理模块。除此之外，还有很多为 了解决各种特殊问题的专用型模块：a b a q u s a q u a 、a b a q u s f o u n d a t i o n 、 a b a q u s d e s i g n 、a b a q u s a m s 、m s c a d a m s 及a b a q u sf o r c a t i av 5 等 产品。 1 ) a b a q u s s t a n d a r d 它是求解器中的隐性分析模块，能够进行各种各样 的工程模拟，从简单的线弹性的分析到复杂的多步骤非线性的分析都能够精确 可靠地进行求解。a b a q u s s t a n d a r d 能够很方便的配合使用其拥有的丰富的材 料模型和单元类型。a b a q u s s t a n d a r d 提供了三种求解器来进行线性摄动过程 的分析和一般的过程分析，分别是基于域分解的并行迭代求解器，动态载荷平 衡的一个并行稀疏矩阵求解器和并行l a n c z o s 特征值求解器。a b a q u s 能够大 大的减短分析时间，因为其最多能使用3 2 个处理器来同时进行运算。同时 a b a q u s 也有着良好的扩展性，并且能够通过户子程序来加强处理问题。 2 ) a b a q u s e x p l i c i t 它是求解器中的显式分析模块，能够进行各种瞬态 的动力学的分析，特别适合在处理一些冲击或者是高度不连续的问题上，也很 擅长处理接触性的问题，它可以自动找出模型中的各个零件之间的接触对来模 拟他们之间的接触，同时也能求解一些可磨损体相互之间的接触问题。 6 武汉理工大学硕士学位论文 a b a q u s e x p l i c i t 单元库是a b a q u s s t a n d a r d 的子集，所以和a b a q u s s t a n d a r d 一样同时也拥有很多材料模型和单元类型。a b a q u s e x p l i c i t 只能用于一般的过 程分析，因为它只提供域分解的并行计算。 a b a q u s e x p l i e i t 和a b a q u s s t a n d a r d 拥有各自的特性，经常运用于不同 的范围，相互配合起来就能使得a b a q u s 分析问题更强大灵活，很多工程问题 都需要两者配合。a b a q u s 分析问题时经常是以一种求解器开始，结束后把作 为初始条件的结果用来在另一种求解器中分析。 3 ) a b a q u s c a e 为a b a q u s 的求解器提供支持，是进行任务管理和前 后处理的人机交互环境。它将不同的功能集中在不同的功能模块中，这样能够 通过简单的界面操作来进行建模分析和管理评价。a b a q u s c a e 拥有强大的建 模功能，可以有效的创建所需模型，它的有限元前处理程序是唯一基于特征的 参数化建模，同时能导入各商业c a d 中建立的几何体。根据a b a q u s e x p l i c i t 和a b a q u s s t a n d a r d 中对应的材料模型和单元类型，用户可以进行分析设置来 划分网格。a b a q u s c a e 能够在模型建立，设置好边界条件之后快速有效的提 交监控分析作业。 a b a q u s d e s i g n 、a b a q u s ，a q m 、a b a q u s a m s 及a b a q u s m o u n d a t i o n 都是a b a q u s s t a n d a r d 的附加模块，a b a q u s d e s i g n 主要用来设计灵敏度的分 析，a b a q u s a q u a 使用在海洋工程，主要用于海洋立管分析、漂浮结构的研究 和基座弯曲计算。a b a q u s a m s 则能够快速的进行一些大型结构线性动力学的 分析，因为其特征求解器是采用的自动多层次的子结构。a b a q u s f o u n d a t i o n 的功能是提供a b a q u s s t a n d a r d 线性动静态分析t 2 3 1 。 a u t o f o r m 软件如今占据了很大的市场，很多汽车制造业包括上海大众，德 国大众，东风汽车等公司都是使用的该软件，因为它的计算速度很快，大大的 缩短了计算时间。a u t o f o r m 软件一般在应用的时候可供选择的单元类型有很多 种，使得其模面的设计模块就具有强大的功能，并且突破了常有的静态隐式的 计算方法，在接触处理这一算法上，更加大大的缩减了处理单元格时所花费的 时间；由于突破了自适应网格的划分，就算再细微的材料变形的时候发生的流 动状态用户也能够精确的模拟出来。 除d y n a f o r m 、a u t o f o r m 和a b a q u s 之外，还有很多板料成形模拟软 件在汽车生产企业中发挥着重要作用。 这些软件一般都可以直接的在计算机屏幕上观察到材料流动变形的详细过 程，从而了解到材料的应力应变分布、料厚变化的情况、破裂及起皱的形成经 7 武汉理工大学硕士学位论文 过，具有完整直观的前、后置处理功能，获得最终成形时所需要的载荷大小以 及回弹应力分布情况。这种虚拟的现实制造环境采用可视化技术，不仅模拟出 来零件的成形过程，而且很形象将材料的变形机理揭示了出来，从而使设计人 员根据已有的经验来及时调整工艺参数、修改尺寸和毛坯形状，缩短试模和修 模的时间，可以有效地提高产品质量和生产效率t 2 4 1 。 1 3 2 板料成形模拟技术的发展趋势 在板料的有限元模拟成形方面，国内外研究的热点主要有以下几个方面： 1 ) 接触问题：冲压成形过程中的接触摩擦与速度的相对变化有关，还与板 材模具表面相互间运动有关。板料冲压成形过程中要处理接触的界面是很复杂 的问题，它的接触是个大变形碰撞过程，并且不能预先确定相互界面间的具体 接触的各个部位。在以后的很多比较大的变形研究中，接触问题已经变成了一 个独立的研究领域。 2 ) 模具和工艺参数：模具系统包括了拉深筋的布置、压边圈和凸凹模间隙， 工艺参数有以下几种：压边力、摩擦条件等等。这些因素都对板材成形的性能 和质量有着重要的影响。而其中压边力和拉深筋的研究已经成为国内外在冲压 成形上的热点【2 5 j 。 3 ) 材料屈服模型：随着材料的不断翻新，对屈服模型的要求也更加的准 确，因为新型材料与传统材料在性能上有着很大的差异，所以毫无疑问相关的 基础实验和探索也成为了研究的一大热点。 板料成形c a e 未来的研究方向主要将集中在以下5 个方面： 1 ) 模拟可靠性与精确性的提高。一般而言，基本实验的数据决定了材料性 能、摩擦状态以及缺陷判据，从而限制整个模拟分析的可靠性以及精确性的关 键就是其真实性与准确性。由于板料的增厚率往往受到起皱这一缺陷判据的作 用，导致其误差高达3 0 左右。因此为了使模拟的可靠性及精确性得到提高， 往往要建立更加理想精确的本构方程和缺陷判据，归根结底就要对基本试验进 行有效的改善【z 6 j 。 2 ) 模拟计算速度的提高。板材成形仿真数值模拟一般会采用三种算法：静 态隐式算法、静态显式算法和动态显式算法。静态隐式这一算法比较难以解决 收缩问题，但对其中计算机模拟内存要求非常高因为其每一步的增量都会比较 大；而静态显式这一算法就非常稳定，并且不需要一步步的迭代求解，但是通 武汉理工大学硕士学位论文 常为了保证好他的计算精确度，所以每一次不同的模拟仿真过程的运算就需上 千步；动态显式这一算法就不会有收敛问题，它的计算速度非常快，但同时也 对质量矩阵的要求特别，即为对角矩阵，并且只存在单元这种级别的计算当中， 而且尽量使得速度比较少的时候才能将其所有优点发挥出来。所以在以后的模 拟计算中，分析速度是很重要的，为了将其得到更好的提九我们将会不断地 尽可能的找到更好的方法来计算。 3 ) 模具多参数优化能力和变形分析能力的提高。一般主要体现在预测能力 的提高，包括预测复杂零件以及覆盖件的起皱、破裂和回弹的能力；还有一些 追踪分析能力的提高，比如多重加载方式下的材料变形；还有就是对于翻边、 切边等工序的回弹的预测控制能力以及对拉深这- - i 序的成形仿真模拟的提高 【2 7 】 o 4 ) 有限元仿真模拟和嵌入衔接c a d 、c a m 。如果c a e 与c a d 、c a m 结 合成为完整的c a d c 撇a e 系统，在未来的数值化实际生产过程中的系统就 应该要求从初始设计、工艺设计一直到零件的大批量生产、同时与模具的制造 过程能够完美的连接起来。同时，零件模具的c a d c a m 技术与c a e 分析技术 同时进行，并且相互联系，共同进步，这样会及时的更新工艺上的各种参数， 改善模具在设计时的缺失甚至改进零件的整个构造设计。 1 4 板料翻边成形数值模拟的一般过程 由于板料成形的有限元模拟分析基本都是相同的步骤，对于翻边这种冲压 工序也不例外，都是通过几何建立模型，导入有限元模拟软件，然后通过设置 参数，划分网格，选择材料等步骤进行模拟，然后得到模拟结果，并由此来进 行应力应变及厚度缺陷等等的分析。对板料翻边成形过程进行有限元数值模拟 分析的一般过程如下图所示： 9 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 板料翻边成形有限元数值模拟分析的一般过程 1 5 本文的主要研究工作和内容 本文基于u g sn x4 三维设计软件以及d y n a f o r m ，a b a q u s 板料分析 软件，对翻边工艺进行模拟优化。 并根据分析仿真结果，与理论推导相结合， 进一步优化翻边工艺。预防翻边成形中可能出现的缺陷，以提出参数优化设计 方案，从而用于指导模具的设计和产品生产。 本文的具体内容如下： l o 武汉理工大学硕士学位论文 第一章介绍板料成形数值模拟及其国内外的发展历史和研究现状，介绍了 板料翻边成形模拟技术研究领域的发展趋势和主要的研究热点。 第二章介绍翻边成形模拟的基本理论。主要阐述了有限元的基本理论， 翻 边成形理论，材料的选择和应用，屈服准则的选择以及板料成形应力平衡微分 方程的应用等理论。 第三章介绍了当考虑板厚减薄的圆孔翻边应力平衡方程来推导了的板料厚 度随着径向半径，应力变化的关系。并通过有限元分析软件a b a q u s 对不同初 始厚度的圆孔坯料进行了翻边的模拟实验，将模拟实验数据与公式推导计算数 据进行比较以达到验证的目的。 第四章通过有限元分析软件d y n a f o r m 对不同形状的凸模( 包括锥形凸 模，抛物线型凸模，球形凸模) 圆孔翻边过程进行模拟实验。改变坯料厚度和 圆锥斜度，得到不同的翻边极限系数。并在同一条件下和圆柱形凸模进行比较， 选择最优凸模以提高翻边的极限能力。 第五章对不同的材料性能参数和工艺参数进行正交试验模拟，同样采用有 限元分析软件d y n a f o r m 得到不同参数下的翻边最大变薄率，比较分析各个 参数对最大变薄率的影响及规律。 第六章对整个文章进行了总结及展望。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章板材成形基础分析 板料成形过程是在模具各部件( 一般是凸模、凹模和压边圈) 的共同作用下， 板料发生大变形，板料成形的变形能来自强迫模具部件运动的外功，而能量的 传递完全靠模具与板料的接触和摩擦。从力学角度来看，板料成形中存在着材 料非线性、几何非线性和边界接触非线性的问题，主要体现在以下几个方面： 1 ) 板料并非理想化的塑性模型，应力应变关系非线性； 2 ) 大位移、大转动，且应变和位移的关系需要视工件几何形状来分析： 3 ) 成形的流动过程非稳态，接触条件比较复杂，边界条件也在不断变化【2 s 】。 因此，准确分析金属板料的成形的关键就在于建立合理的数学模型和物理 模型。目前，已经运用于金属板料成形分析的各种数学方法可以分为解析法和 数值法两大类。 2 2a b a q u s 弹塑性分析基本方法 2 2 1 弹塑性变形行为 在a b a q u s 中塑性材料特性一般都默认为金属材料的经典塑性理论。如图 所示：在比较小的应变时，材料的性质基本为线弹性，弹性模量e 通常为常数； 当应力超过了屈服点时，就会使其刚性下降，这时候材料应变分为两个部分： 弹性应变与塑性应变；卸载之后，弹性应变就会消失，而塑性应变也是不可以 恢复的，如果还要再次加载，就会使得材料的屈服应力提高，也就是所谓的加 工硬化【矧。 武汉理工大学硕士学位论文 生嘲 图2 1 材料的弹塑性行为 通常情况下，在单向拉伸压缩试验中，得到的数据名义应力仃嘲和名义应 变表示的，它们的计算公式为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中，是表示的试样的长度变化量， 乞试样的初始长度，f 是载荷，4 是试样的初始截面的面积。 为了精确截面面积在大变形过程中的改变，就需要使用真实应力仃毗和真实 应变s 咄，它们与名义应力应变之间的换算关系为： s 豫= j ：孚乩c 扣h c ，+ ， 协3 ， ；与： ：( 1 + ) ( 2 - 4 ) 2 j 2 再2 o + 其中，表示试样的当前长度，a 当前的试样截面面积。