（材料加工工程专业论文）板料翻边成形数值模拟及影响因素研究.pdf

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 每隧燧 日 期 垒 21 生趁 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 寻嘭膨 导师签名 害蚴愈日期 阳矽 银如 山东大学硕士学位论文 目录 目蜀芝 i c o n t e n t i v 摘要 i a b s t r a c t i i 第一章绪论 一1 1 1 引言 一1 1 2 翻边分类及其研究现状 一2 1 2 1 翻边的分类 2 1 2 2 曲面翻边工艺研究现状 3 1 3 板料成形数值模拟的发展与应用现状 一4 1 3 1 国外板料成形数值模拟研究现状 4 1 3 2 国内板料成形数值模拟研究现状 5 1 4 本课题的选题意义及研究内容 一7 1 4 1 选题意义 7 1 4 2 主要研究内容 8 第二章翻边工艺的研究方法及软件简介 9 2 1 翻边类零件几何参数及变形特点 9 2 1 1 曲线翻边的应力应变分析 9 2 1 2 翻边类零件的几何参数定义 1 0 2 2 正交试验设计方法及应用 1 1 2 2 1j 下交试验设计方法及特点 12 2 2 2 正交表的制定 1 2 2 2 3 正交试验结果分析方法 1 4 2 3 板料成形数值模拟常用软件及模拟步骤 1 6 2 3 1 板料成形常用分析软件 16 目录 2 3 2 板料翻边成形模拟的一般步骤 1 8 2 4 本章小结 2 1 第三章平面曲线及曲面直线翻边数值模拟 2 2 3 1 金属材料力学性能测试 2 2 3 1 1 标准试样 2 2 3 1 2 实验过程 2 3 3 1 3 实验结果生成 2 4 3 2 平面曲线翻边数值模拟 2 6 3 2 1 平面内凹翻边 2 6 3 2 2 平面外凸翻边 3 0 3 3 曲面直线翻边数值模拟 3 4 3 3 1 凹曲面直线翻边 3 4 3 3 2 凸曲面直线翻边 3 6 3 4 本章小结 4 0 第四章曲面曲线翻边数值模拟及影响因素研究 4 l 4 1 凹曲面内凹翻边数值模拟 4 1 4 2 凸曲面内凹翻边数值模拟 4 5 4 3 凹f h j 面外凸翻边数值模拟 5 0 4 4 凸曲面外凸翻边数值模拟 5 4 4 5 本章小结 5 9 第五章曲面曲线翻边成形极限的研究 6 0 5 1 曲面曲线翻边成形实验研究 6 0 5 1 1 实验方案制定 6 0 5 1 2 试件尺寸及实验装置 6 0 5 1 3 实验数据处理 6 3 5 2 曲面曲线翻边成形极限的数值模拟 6 5 5 2 1 凹曲面内凹翻边成形极限研究 6 5 5 2 2 凸曲面内凹翻边成形极限研究 6 7 山东大学硕士学位论文 5 2 3 凹曲面外凸翻边成形极限研究 一6 9 5 2 4 凸曲面外凸翻边成形极限研究 7 1 5 3 本章小结 7 2 第六章结论与展望 7 4 参考文献 7 7 致谢 8 0 目录 c o n t e n t c o n t e n t s c h i n e s e i c o n t e n t s e n g l i s h i v a b s t r a c t c h i n e s e i a b s t r a c t e n g l i s h i i c h a p t e rii n t r o d u c t i o n 1 1 1f o r w a r d l 1 2t h e c a t e g o r i z a t i o no ff l a n g i n ga n di t sc u l l r e n ts t a t u so f r e s e a r c h 2 1 2 1c a t e g o r i z a t i o no f f l a n g i n g 2 1 2 2s t a t u so fr e s e a r c ho fc u r v e df l a n g i n gd o m e s t i ca n da b r o a d 3 1 3d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni ns h e e tm e t a lf o r m i n g 1 3 1d e v e l o p m e n to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s h e e tm e t a lf o r m i n g a b r o a d 4 1 3 2d e v e l o p m e n to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs h e e tm e t a lf o r m i n ga th o m e 1 4m e a n i n ga n dc o n t e n t so f t h i st h e s i s 7 1 4 1t h er e a s o nt os e l e c tt h i st o p i c 7 1 4 2t h em a i nc o n t e n tc o v e r e db yt h i sr e s e a r c h 8 c h a p t e ri ii n t r o d u c t i o nt ot h er e s e a r c hm e t h o d s a n ds o f t w a r ei nf l a n g i n gp r o c e s s 9 i v 2 1t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n df e a t u r e so ff l a n g i n g 9 2 1 1t h es t r e s s s t r a i na n a l y s i sf o rc u r v e df l a n g i n g 9 2 1 2t h ed e f i n i t i o no f g e o m e t r i cp a r a m e t e r so f f l a n g i n g 一1 0 2 2o r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o da n di t sa p p l i c a t i o n 11 2 2 1o r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o da n di t sf e a t u r e 1 2 2 2 2t h ed e s i g no f o r t h o g o n a lt a b l e 1 2 2 2 3t h eg e n e r a t i o no f t h er e s u l to f e x p e r i m e n t 1 4 2 3t h ec o m m o ns o f t w a r ea n dp r o c e d u r e sf o rc o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o no fs h e e t 山东大学硕十学位论文 m e t a lf o r m i n g 16 2 3 1c o m m o n a n a l y t i c a ls o f t w a r ef o rs h e e tm e t a lf o r m i n g 1 6 2 3 2t h eg e n e r a lp r o c e d u r e so f s i m u l a t i n gs h e e tm e t a lf l a n g i n g 1 8 2 4c h a p t e rs u m m a r y 2 1 c h a p t e ri i it h es i m u l a t i o np l a n ec u r v ef l a n g i n ga n ds u r f a c es t r a i g h tf l a n g i n g 2 2 3 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s to fs a m p l e 2 2 3 1 1s t a n d a r ds a m p l e 2 2 3 1 2t e s tp r o c e d u r e 一2 3 3 1 3t h eg e n e r a t i o no f t e s tr e s u l t s 2 4 3 2s i m u l a t i o no f p l a n ec u r v ef l a n g i n g 2 6 3 2 1p l a n a rc o n c a v ef l a n g i n g 2 6 3 2 2p l a n a rc o n v e xf l a n g i n g 3 0 3 3s i m u l a t i o no fs u r f a c es t r a i g h tf l a n g i n g 3 4 3 3 1c o n c a v es u r f a c es t r a i g h tf l a n g i n g 3 4 3 3 2c o n v e xs u r f a c es t r a i g h tf l a n g i n g 3 6 3 4c h a p t e rs u m m a r y 4 0 c h a p t e ri vs i m u l a t i o no fs u r f a c ec u r v e df l a n g i n ga n dt h ei n f l u e n c e f a c t o r s 4 1 4 1s i m u l a t i o no f c o n c a v es u r f a c ec o n c a v ef l a n g i n g 4 1 4 2s i m u l a t i o no fc o n v e xs u r f a c ec o n c a v ef l a n g i n g 4 5 4 3s i m u l a t i o no f c o n c a v es u r f a c ec o n v e xf l a n g i n g 5 0 4 4s i m u l a t i o no fc o n v e xs u r f a c ec o n v e xf l a n g i n g 5 4 4 5c h a p t e rs u m m a r y 5 9 c h a p t e r vt h es t u d yo f t h el i m i to fs u r f a c ec u r v e df l a n g i n g 6 0 5 1t h es t u d yo f t h ee x p e r i m e n to fs u r f a c ec u r v e df l a n g i n g 6 0 5 1 1t h ed e s i g no f t h ee x p e r i m e n t 6 0 5 1 2t h ed i m e n s i o n so fs a m p l e sa n de q u i p m e n t 6 0 5 1 3t h ep r o c e s so f d a t a 6 3 5 2t h es i m u l a t i o no f t h el i m i to fs u r f a c ec u r v e df l a n g i n g 6 5 v 目录 5 2 1t h es t u d yo ft h el i m i to fc o n c a v es u r f a c ec o n c a v ef l a n g i n g 6 5 5 2 2t h es t u d yo f t h el i m i to f c o n v e xs u r f a c ec o n c a v ef l a n g i n g 6 7 5 2 3t h es t u d yo f t h el i m i to f c o n c a v es u r f a c ec o n v e xf l a n g i n g 6 9 5 2 4t h es t u d yo f t h el i m i to f c o n v e xs u r f a c ec o n c a v ef l a n g i n g 7 1 5 3c h a p t e rs u m m a r y 7 2 c h a p t e r v ic o n c l u s i o n sa n df u t u r e 7 4 r e f e r e n c e s 7 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 0 v 1 山东大学硕士学位论文 摘要 在汽车冲压件中存在着大量的翻边特征 很多零部件翻边高度大 几何形状 复杂 成形时很容易产生破裂和起皱等缺陷 以往对板料翻边成形的研究 大多 集中在平面坯料的曲线翻边或者曲面坯料的直线翻边上 在翻边形式越来越多样 化的情况下表现出了明显的欠缺和不完善 针对这一研究现状 本文借助板料成 形数值模拟软件d y n a f o r m 对在曲面坯料上进行曲线翻边的变形形式进行更 深入的研究 对于曲面曲线翻边 翻边变形区的应力应变状态受到翻边半径和弯曲半径两 个参数的共同影响 从变形性质上来讲是由伸长类翻边和压缩类翻边组合的复合 成形 因而曲面曲线翻边不能直观的通过变形性质进行分类 即伸长类翻边和压 缩类翻边 本文在现有的研究基础上对翻边成形工艺从理论角度重新进行了组合 和分类 归纳总结得到九种翻边类型 基本涵盖了实际中经常见到的各种翻边形 式 对九种翻边类零件进行建模并定义其关键的几何参数 通过对变形区的应力 应变分析 得到影响翻边成形性能的几个主要因素 对每一种翻边类型 在相同的翻边成形工艺下通过大量的数值模拟 研究四 个主要影响因素零件弯曲曲率半径r l 翻边曲率半径尺2 凹模圆角半径厂和板 料厚度t 对翻边成形后变形区边缘绝对值对大切向应变 的影响规律 并应用 正交试验设计方法得到这些参数中影响该类型翻边成形极限的最主要因素 此 外 针对每一种曲面曲线翻边 在保持其他参数恒定的情况下 模拟分析最主要 影响因素对翻边成形极限的影响规律 并得到一个翻边成形极限值 通过实验对 模拟结果进行验证和修正 文中得到的规律对零件及模具的设计及后续修正提供 了参考 关键词 板料成形 曲面曲线翻边 数值模拟 d y n a f o r m 正交试验设计 摘要 a b s t r a c t f l a n g i n gc a nb ef o u n dc o m m o n l yi nt h es t a m p e dc o m p o n e n t so fm o t o rv e h i c l e s m a n yo ft h e mi n v o l v ef l a n g i n gw i t hl a r g eh e i g h ta n dc o m p l i c a t e dg e o m e t r i cs h a p e s a n di t se a s yt oe n c o u n t e rc r a c k sa n dc r e a s ed u r i n gt h ep r o c e s so ff o r m i n g t h ep a s t s t u d i e so fs h e e tm e t a lf l a n g i n gh a v ef o c u s e do nc u r v e f l a n g i n go ff l a tb l a n k so r s t r a i g h tf l a n g i n go fc u r v e db l a n k s i nr e s p o n s et ot h i ss i t u a t i o n t h i sa r t i c l e b yt a k i n g a d v a n t a g eo f s i m u l a t i o ns o f t w a r ed y n a f o r m e x p l o r e st h et r a n s f o r m i n gm e t h o d s o fc u r v ef l a n g i n go i lc u r v e db l a n k f o rs u r f a c ec u r v e df l a n g i n g t h es t r e s s s t r a i ns t a t eo ft h ed e f o r m e da r e ai s d e t e r m i n e db yt w o p a r a m e t e r s t h er a d i u so ff l a n g i n ga n dt h eb e n d i n gr a d i u s a n d v i e w i n gf r o mt h ep r o p e r t yo fd e f o r m i n g i t st h ec o m b i n a t i o ne f f e c to fs t r e t c hf l a n g i n g a n dc o m p r e s s i o nf l a n g i n g t h e r e f o r e s u r f a c ec u r v ef l a n g i n gc a n n o tb es i m p l y c a t e g o r i z e db yt h ed e f o r m i n gp r o p e r t i e s i e s t r e t c hf l a n g i n ga n dc o m p r e s s i o n f l a n g i n g b a s e do ne x i s t i n gs t u d y t h i sa r t i c l ea n a l y z e sf l a n g i n gp r o c e s s e sf r o mt h e t h e o r e t i c a lp o i n to fv i e wa n d p r o p o s e san e wc a t e g o r i z a t i o nm e t h o di n c l u d i n g9 f l a n g i n gt y p e s t h i sc a t e g o r i z a t i o nm e t h o dc o v e r sm o s tf a n g i n gt e c h n i q u e si nr e a l w o r l d t h i sa r t i c l eh a sc r e a t e ds i m u l a t i o nm o d e l so f9t y p e so f f l a n g i n ga n dd e f i n e d t h e i rk e yg e o m e t r i cp a r a m e t e r s b ya n a l y s i n gt h es t r e s s s t r a i ns t a t eo ft h ed e f o r m a t i o n a r e a t h em a j o rf a c t o r st h a ti n f l u c e n c et h ef l a n g i n gp r o p e r t i e sh a v eb e e ni d e n t i f i e d f o re a c hc a t e g o r yo ff l a n g i n g t h es a m et y p eo ff l a n g i n gt e c h n i q u e sh a sb e e n t e s t e dw i t hd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so ff o u rp a r a m e t e r s t h eb e n dr a d i u so ft h es a m p l e c o m p o n e n tr l t h ef l a n g i n gr a d i u sr 2 t h ed i er a d i u s a n dt h et h i c k n e s so ft h es h e e tf t h e i ri n f l u e n c et ot h el a r g es h e a rs t r a i no ft h ee d g eo ft h ed e f o r m e da r e a8 6 i l t 戤h a sb e e n s t u d i e da n ds u m m a r i z e d t h em a i nf a c t o rt oa f f e c tt h el i m i to ff l a n g i n gh a sb e e n i d e n t i f i e db ya p p l y i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n t s t h el i m i to ff l a n g i n gh a sb e e n a c h i e v e df o re a c hm a i nf a c t o ru s i n gs i m u l a t i o nt e s tb yh o l d i n ga l lt h eo t h e r p a r a m e t e r sc o n s t a n t e x p e r i m e n t sh a v eb e e np e r f o r m e dt ov e r i f ya n dc o r r e c tt h e 山东大学硕士学位论文 s i m u l a t i o nr e s u l t s t h er u l e ss u m m a r i z e di nt h i sa r t i c l es e r v ea sr e f e r e n c ef o r t h e d e s i g na n ds u b s e q u e n tr e v i s i o n so fp a r t sa n dm o l d s k e y w o r d s s h e e tf o r m i n g c u r v e df 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 d y n a f o r m o r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d 山东大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 板料的翻边成形是指沿直线或醢线将坯料的孔边缘或外边缘的窄带区域在 模具的作用下 弯折成竖边的塑性加工方法 用翻边成形的方法可以加工形状 较为复杂 而且具有良好刚度和合理空间形状的立体零件 在以往的研究中 我们通常按照变形性质将翻边分为直线翻边 伸长类翻 边和压缩类翻边 如图l 一1 所示 1 1 a 直线翻边b 伸长类翻边c 压缩类翻边 图1 1 翻边的基本形式 伸长类翻边 坯料变形区为双向拉应力状态 沿切向作用的拉应力是最大 主应力 在该方向发生伸长变形 其成形极限主要受变形区坯料边缘开裂的限 制 压缩类翻边 坯料变形区为切向受压 径向受拉的应力状态 沿切向作用 的压应力为绝对值最大主应力 在该方向发生压缩变形 变形区失稳起皱是限 制其成形极限的主要因素 然而 在汽车 家电 航空航天产品的生产过程中 由于人们对产品质量 的要求越来越高 产品的形状也r 趋复杂化 出于焊接和装配等的需要 很多 零件都要进行复杂的翻边成形 零件形状的多样化 使我们难以对翻边变形区 的变形性质做出直观的判断 也增加了对变形区成形缺陷的预测难度 同时 在现今的研究中 相对于冲裁 拉伸 弯曲等冲压基本工序而言 关于翻边工 艺方面的研究较少 尤其是与曲面翻边有关的文献资料更为有限 因此对板料 翻边成形工艺进行更多 更全面和更深入的研究显的尤为重要 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 第一章绪论 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 f l 本丰田等大型汽车制造公司都己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 虽然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 数值模拟技术在许多具体工艺中的应用并不成熟 尤其针对曲面翻边类 的零件 研究和资料相对较少 本文在原有的理论和实践基础上 对板料翻边 成形的各种情况进行了归纳和总结 结合数值模拟技术分析翻边零件的几何参 数对翻边成形极限的影响规律及成形过程中存在的诸多问题 为生产提供参考 的依据 1 2 翻边分类及其研究现状 1 2 1 翻边的分类 按翻边坯料的形状分 翻边可分为平面翻边和曲面翻边 平面翻边 翻边 在平面坯料或坯料的平面部分进行 曲面翻边 翻边在曲面坯料或坯料的曲面 部分进行 按翻边线在翻边方向上的投影分 翻边可分为直线翻边和曲线翻边 直线 翻边 翻边线在翻边方向上的投影为直线 曲线翻边 翻边线在翻边方向上的 投影为曲线 按翻边线曲率中心的位置分 曲线翻边可分为内凹曲线翻边和外凸曲线翻 边 内凹曲线翻边 以未翻边部分为参考 翻边线的曲率中心与翻边部分在同 一方向 外凸曲线翻边 以未翻边部分为参考 翻边线的曲率中心在翻边部分 的相反方向 按曲面曲率中心的位置分 曲面翻边可分为凹曲面翻边和凸曲面翻边 凹 曲面翻边 坯料或零件的曲面部分 沿其边缘向曲面的曲率中心相反的方向翻 起竖边 凸曲面翻边 坯料或零件的曲面部分 沿其边缘向曲面的曲率中心方 向翻起竖边 2 山东大学硕士学位论文 a 平面直线翻边 d 凹曲面直线翻边 g 凸曲面直线翻边 b 平面内凹翻边 e 凹曲面内凹翻边 c 平面外凸翻边 f 凹曲面外凸翻边 h 凸曲面内凹翻边i 凸曲面外凸翻边 图1 2 翻边的分类 将经上各种关系组合 可将翻边分为九种类型 如图1 2 所示 其中a 为平 面直线翻边 即直边弯曲成形 b 为平面内凹翻边 即伸长类翻边 c 为平面外 凸翻边 即压缩类翻边 d 为凹曲面直线翻边 e 为凹曲面内凹翻边 f 为凹曲 面外凸翻边 g 为凸曲面直线翻边 h 为凸曲面内凹翻边 i 为凸曲面外凸翻边 这九种翻边基本涵盖了实际中经常见到的各种翻边形式 1 2 2 曲面翻边工艺研究现状 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 3 第一章绪论 边过程成形的研究则相对较少 胡平等利用自主开发的k m a s 软件对厚饭金件 压弯翻边成形及其回弹过程进行了分析 2 并基于离散化思想对翻边成形坯料尺 寸的计算模型进行了推导 国外学者w a n gn 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 3 4 1 l e ud k 采用有限元模拟分析 y 孑l 翻边成形过程 5 w o r s w i c km j 等利用l s d y n a 对 伸长类翻边的成形性进行了模拟研究 6 以上主要是针对平面翻边类零件成形的研究 而对曲面曲线翻边零件成形 工艺的研究很少 w a n g 等在轴对称情况下对曲面翻边的解析模进行了推导 7 1 a s n a f i 通过流动成形理论 f l u i df o r m i n g 对铝板的压缩类弯曲翻边和伸长类弯 曲翻边成形工艺进行了研究 得知与传统的刚性成形的起皱极限相比 压缩类 翻边中流动成形的起皱极限要大几倍 他还研究了伸长类翻边中的材料性能和 断裂极限之间的联系 罗应兵等采用解析计算 有限元模拟 b p 神经网络模型 等方法分析了v 形零件翻边成形过程 研究了翻边工艺参数对成形性能的影响 为曲面翻边类零件成形质量的控制提供了技术依据 8 x uf e n g t 9 等对伸长类曲 面翻边工艺参数对成形性能的影响规律进行了研究 娄利霞 lo 对曲面翻边类零 件的二次弯曲成形工艺 先弯曲后翻边工艺和一次成形工艺进行了研究 总结 了主要的零件尺寸参数对最终成形零件的切向应变的影响规律 1 3 板料成形数值模拟的发展与应用现状 1 3 1 国外板料成形数值模拟研究现状 用有限元法解决弹塑性变形问题可以追溯到2 0 世纪7 0 年代 最初是从分 析简单的轴对称问题开始的 1 9 7 3 年 l e e 第一次用有限元方法来模拟冲压成 形过程 他提出了刚塑性有限元法 并把这一方法用于分析冲压成形问题 随后 j i m m a 等用弹塑性增量型有限元法对液压胀形过程进行了模拟 l2 1 1 9 7 6 年 w i f i 在轴对称情况下用弹塑性增量型有限元法对在半球凸模作用下的圆板 深拉伸和胀形过程进行了模拟 l 引 1 9 7 8 年 w a n gn m 基于非线性薄壳理论对 金属板料的冲压成形问题采用更新的l a g r a n g e 方法进行了分析 1 4 o n a t e 基于 非牛顿流体的流动理论用粘塑性有限元法对非轴对称情形下的胀形和深拉伸过 4 山东大学硕士学位论文 程进行了分析 1 5 1 1 9 8 0 年 o h 将冲压成形过程的刚塑性有限元解与弹塑性有限 元解进行了对比 并采用刚塑性有限元法对拉延过程进行了分析 l6 1 9 8 5 年 t o h 采用板壳单元刚塑性有限元法对三维方盒形件的拉延过程进行了分析 1 7 1 1 9 8 6 年 y a n g 建立了平面塑性各向异性的刚塑性有限元列式 1 8 1 9 8 8 年 n a k a m a c h i 用弹塑性有限元法分析了方盒形拉延件 取得的结果和实验一致 1 9 t a n g 采用壳单元弹塑性方法对车门板的成形过程进行了分析 2 0 1 1 9 8 9 年 在国 际上发起的板材成形数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm e t a lf o r m i n gp r o c e s s n u m i f o r m 8 9 会议上 h o n e c k e r 对油盒成形过程进行了数值模拟 并对成形 过程中可能出现的起皱情况进行了描趔2 1 1 此后 在汽车工业领域 板料成形 过程的数值模拟研究成为热点 进入9 0 年代后 板料成形分析逐步向 c a d c a e c a m 一体化方向发展 虚拟制造系统 v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 得到开发 同时有限元的显式积分算法也逐步进入板料成形领域 并把理论研 究逐步推向了实际 1 3 2 国内板料成形数值模拟研究现状 我国在板料成形数值模拟方面起步较晚 与美 同相比晚了十几年 1 9 8 7 年曾宪章比较深入的研究了刚塑性有限元在金属塑性成形中的应用 详细的探讨 了杆 杆复合挤压及杯 杯复合挤压时的金属变形规律 并以轴对称工件冷挤压工 艺数值模拟为主 在计算机上完成了一个刚塑性有限元程序2 2 1 9 9 0 年 熊火 轮采用分析模拟系统a d i n a 对液压胀形 宽板拉延及汽车暖风罩的成形过程进 行了模拟 2 3 1 1 9 9 1 年 董湘怀采用薄膜三角形单元建立了用于板料成形分析的 有限元模型 编制的程序可以分析盒形零件和机油收集器的成形过程 2 4 1 胡平 等建立的拟流动理论可合理反映塑性变形导致的材料模量软化 并能描述由j 下交 法则向非正交法则光滑过渡的弹塑性有限变形 2 5 1 利用胡平等提出的理论 柳 玉起等将各种非经典本构模型引入弹塑性大变形有限元法中 基于h i l l 的各向 异性屈服理论 采用m i n d l i n 曲壳单元模拟了方盒拉伸成形过程突缘起皱现象 2 6 李光耀对板料成形过程的有限元显式程序进行了开发研究 并基于h i l l 各向异 性屈服准则和主仆接触算法模拟研究了s 形轨与汽车挡泥板等标准考题 2 徐 康聪应用有限元数值模拟技术分析了汽车车身覆盖件的冲压成形过程 并系统的 5 第一章绪论 研究了其中的几何形体描述 材料非线性和接触算法等 提出了并行设计概念以 及并行设计方法 2 8 此外 哈尔滨工业大学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 并分析了方盒的超塑成形 2 9 1 李顺平模拟了方 盒形件的拉深成形过程并对工艺参数的影响进行了研究 3 上海交通大学的阮 雪榆采用常剪力模型和库仑摩擦模型对在半球形冲头和柱状冲头下的圆形板料 的拉胀成形过程进行了模拟 3 i 郭刚 3 2 1 徐伟力 3 3 1 采用退化的m i n d l i n 壳单元模 拟了典型的冲压成形过程 并开发了静力隐式弹塑性程序 吉林工业大学编制了 用于板料多点成形分析的有限元专用软件队3 5 1 金朝海基于b t 壳单元理论模拟 了方盒形件及汽车发动机罩的成形过程 并开发了板料成形弹塑性动力显式有限 元数值模拟系纠3 6 1 运用基于隐式拉格朗日算法的d e f o r m 2 d 软件 方刚模 拟了板料的冲裁过程 并分析了凸凹模间隙对成形质量的影响 了7 1 雷正保通过 与上汽通用五菱汽车股份有限公司某新产品研制相结合 研究了汽车覆盖件冲压 成形c a e 技术及其工业应用 提出了在c a e 应用中关于摩擦系数 模具间隙 拉延筋模拟方法 模具网格划分 单元公式 坯料形状以及回弹分析参数确定的 参考性建议 3 8 王永志采用动力显式弹塑性有限元法对f e m s t a m p i n g 集成仿真 系统进行了开发 并深入研究了等效拉延筋处理技术及板料成形有限元数值模拟 技术 3 9 1 北京航空航天大学在有限元程序中将模具型面描述成参数曲面 对板 料成形过程中的接触摩擦和悬空区起铍进行数值模拟 并对蒙皮的拉形过程进行 了研刭删 孙琳琳对板料拉深中的拉延筋设置规律进行了研究 总结了根据拉 深件凹模口轮廓形状设置拉延筋规律 分析了拉延筋的设置位置 层数 长短对 拉深工艺参数 工件的局部尺寸影唰4 尹立雪对汽车覆盖件成形回弹数值进 行了模拟研究 分析了压边力 摩擦状态 拉延筋 模具间隙等工艺参数对于覆 盖件成形及回弹的影响 4 2 刘洋通过数值模拟及实验 对板料弯曲回弹进行预 测及控制 对非均匀回弹采用虚拟试模法 根据模拟结果修正模具 实现对模具 的非均匀补偿 达到最终控制回弹的目的 4 3 1 国内外大量的研究成果表明 近期内板料成形过程的有限元模拟技术的研究 热点主要集中于板壳理论和单元模型 本构方程 回弹模拟几个方面 6 山东大学硕士学位论文 1 4 本课题的选题意义及研究内容 1 4 1 选题意义 翻边作为板料成形中一道常见的工序 其成形质量的好坏直接关系到零件的 最终成形质量和精度 并直接影响到装配后总体的结构性能和装配效果 尤其在 汽车冲压件中存在着大量的翻边特征 很多零部件翻边高度大 几何形状复杂 成形时很容易产生破裂和起皱等缺陷 以往的主要通过变形性质对翻边进行分类 和研究的方法 即伸长类翻边和压缩类翻边 在翻边形式越来越多样化的情况下 表现出了明显的欠缺和不完善 本文在现有的研究基础上对翻边成形工艺从理论 角度重新进行了组合和分类 前文中通过归纳总结得到的九种翻边类型基本涵盖 了实际中经常见到的各种翻边形式 以前对板料翻边成形的研究 大多集中在平面坯料的曲线翻边或者曲面坯料 的直线翻边 即只考虑翻边半径或者弯曲半径单一因素影响下的翻边变形区的应 力应变状态 通过九种翻边类型的总结 主要对凹曲面内凹翻边 凹曲面外凸翻 边 凸曲面内凹翻边 凸曲面外凸翻边这四种在曲面坯料上进行曲线翻边的形式 进行研究 在这种情况下 翻边变形区的应力应变状态受到翻边半径和弯曲半径 两个参数的共同影响 从变形性质上来讲是由伸长类翻边和压缩类翻边组合的复 合成形 因此 翻边变形区的破裂和起皱等缺陷难以直观的或利用经验进行判断 需要通过模拟和实验对翻边工艺进行更多 更全面和更深入的研究 在上述理论基础上 系统研究翻边成形工艺的破裂和起皱对模具参数和工艺 参数的敏感性是十分必要的 用正交试验法找出翻边零件的几何参数对翻边成形 质量影响最大的因素 并分析给出主要因素对翻边成形极限的影响规律 得到的 规律对零件及模具的设计及后续修正有重要的指导意义 1 4 2 主要研究内容 针对存在的问题 本文借助板料成形分析软件d y n a f o r m 对不同的几何 参数的零件在相同的翻边成形工艺下进行模拟 具体内容如下 采用模拟和实验相结合的方法 提出九种翻边类型 大量模拟各影响因素对 每种翻边的成形极限的影响规律 应用正交试验设计方法得到这些参数中影响该 7 第一章绪论 类型翻边的最主要因素 针对该最主要因素 模拟分析其对翻边成形极限的影响 规律 之后通过实验对模拟结果进行验证和修正 再进行数值模拟 以期得到不 同类型翻边的变形规律 1 在翻边的发展历史和研究现状的基础上 归纳总结得到的九种翻边类 型 基本涵盖了实际中经常见到的各种翻边形式 2 通过大量的数值模拟 研究四个主要影响因素零件弯曲曲率半径尺l 翻边曲率半径r 2 凹模圆角半径r 和板料厚度t 对每种翻边成形后变形区边缘绝 对值对大切向应变的影响规律 并应用正交试验设计方法得到这些参数中影响该 类型翻边成形极限的最主要因素 3 对每一种翻边 在保持其他参数恒定的情况下 模拟分析最主要影响 因素对翻边成形极限的影响规律 并得到一个翻边成形极限值 通过实验对模拟 结果进行验证和修币 山东大学硕士学位论文 第二章翻边工艺的研究方法及软件简介 2 1 翻边类零件几何参数及变形特点 2 1 1 曲线翻边的应力应变分析 如图2 1 所示是一种典型的曲线翻边类 零件 变形区a b c d 在成形终了时的形状变d 为c d e f 可知这是一种伸长类翻边零件 由于受边界的影响 翻边的应力应变状 态非常复杂 为便于分析 先讨论轴对称情 况 如图2 2 所示 在翻边过程中 变形将 沿着翻边高度变化 l 图2 1 内曲翻边时儿何形状 尺广变形前变形区外边缘半径 r l 翻边过程 中当变形面与水平面成a 角时的变形区外边缘 半径 r 扩一翻边轮廓半径 即变形区与不变形 区的交接轮廓曲线的j 径 r 户分别为变形 区内某材料点在变形前后的位置 径 d r 出一 分别为变形区内某微小变形带在变形前后的宽 度 瑚边的直线部分的长度 图2 2 伸长类翻边 在凹模圆角处将产生既有由凹模圆角半径砌引起的曲率变化和由材料位置 半径变化引起的曲率变化 所以在此区域 0 s 口 将产生沿切向和径向两 个方向的拉伸变形 且由凹模圆角半径和摩擦引起的径向拉伸在此区域的边缘 j 巧口 处将迅速消失 9 第二章翻边 t 艺的研究方法及软件简介 在变形区 巧口 s 口 三 板坯材料将沿相同的翻边曲率变化 切向为 拉伸变形 且在翻边变形区的外边缘处切向应变阳和切向应力卯将达到最大值 由于沿凹模圆角变形的区域很小 且板料厚度远比翻边半径小 所以假定在整个 翻边过程中沿翻边高度只存在单一的应力状态 此时对于满足p l u d w i k 应力应 变硬化关系式的刚塑性硬化材料 变形区外边缘处的最大周向应力应变为 占o m x i n 糌函 泣 c r o k 彰 2 2 式中 k r 材料硬化指数 当翻边角a 9 0 0 时 有 型 l 一垒 丝 2 3 r民 斟一等 半c 生2 二l r 警川卜半础 2 7 吃 2 厂l r 吃7 r 吃j j 同时 由于受边界的影响 翻边切向应力应变沿变形区外边缘是变化的 由 前面的分析可知 切向拉应变及拉应力在变形区最外边缘g 点为最大 并沿外 边缘向两侧逐渐减区最外边缘少 而在a b 两点处为最小 a o 0 t o 0 由于 外缘内曲翻边过程中的切向应力的产生是由变形区的纤维层之间的作用引起的 因而切向应力在变形区两端为零 越靠近变形区中线 切向应力越大 又由于边 界对应力及应变的影响是连续的 离边界越近影响越大 变化梯度也越大 因此 切向应力应变沿变形区外边缘的分布是非线性的 而是成余弦分布的 2 1 2 翻边类零件的几何参数定义 由上所述 由于受边界的影响 翻边变形区切向应力应变值的大小在变形区 的两端接近为零 在变形区外边缘的中心处绝对值为最大 所以在本文的研究中 均取翻边变形区外边缘中心处的切向应变值来进行分析 以一种典型的曲面曲线翻边类零件为例 根据式 2 1 2 3 2 4 可以 预测 对于同一种材料 翻边圆弧曲率半径 凹模圆角半径 板料厚度均为翻边 l o 山东大学硕j 学何论文 变形区外边缘中心处的绝对值最大切向应变值的影响因素 此外在本文的研究 中 需要同时考虑弯曲圆弧和翻边圆弧的相互作用 因此 定义零件的几何参数 如图2 3 所示 包括弯曲圆弧曲率半径 弯曲半径 r l 翻边圆弧曲率半径 翻 边半径 r z 凹模圆角半径r 板料厚度t 翻边高度日 板 径尺2 图2 3 典型曲面曲线翻边零件的几何参数 在翻边过程中 弯曲圆弧和翻边圆弧相互作用 是使变形区边缘产生切向伸 长变形或切向压缩变形的最主要原因 从而影响冲压件的质量及其成型极限 在 绪论中总结的九种翻边类型 从形状参数并不能直观的看出以上各影响因素相互 作用的结果 即不能直观地确认是伸长类翻边还是压缩类翻边 2 2 正交试验设计方法及应用 试验设计是数理统计学的一个重要分支 多数数理统计方法主要用于分析己 经得