（材料加工工程专业论文）车身覆盖件成形数值模拟及工艺参数优化.pdf

摘要 l i i l l11 1 11 1 11 111 1 1 1iii y 19 4 2 8 6 0 摘要 汽车覆盖件的冲压成形过程是一个极其复杂的弹塑性变形过程，影响其成 形质量的因素有许多，成形过程中常出现如起皱、破裂、回弹等成形缺陷，目 前研究主要是关于成形缺陷的消除或控制。传统的常采用反复的试模修模来改 善，这种方法不仅费时费力，有时甚至会造成模具的报废。目前随着数值模拟 技术的的广泛应用，大大缩短了开发生产周期，减少成本，提高了生产效率， c a e 技术已经成为模具设计和产品的质量控制校验的重要组成部分；本研究具 有重要的理论意义和应用价值。 本文采用数值模拟软件d y n , 心 o r v l 对某轻型客车的左后侧车f - 多, l - 板的冲 压成形过程进行数值模拟，进行了模面设计，坯料设计以及拉延筋的布置设计， 建立起了拉延的有限元模型，对其起皱、破裂和回弹成形缺陷进行了研究和改 善。基于正交实验设计和响应面法，建立起了以五段拉延筋阻力系数值，摩擦 系数，压边力的七个设计变量与变形均匀程度，最小厚度，最大厚度之间的响 应面模型，分析其各因素对目标函数的影响。 以最小变形均匀程度为优化目标函数，以最小厚度，最大厚度为约束目标 的优化模型，通过遗传算法进行全局寻优，得到了近似最优的工艺参数组合， 获得了良好的拉延成形质量。根据优化后的参数，进行切边冲孔工序及其回弹 进行了数值模拟。依据其回弹量提出了回弹的控制措施，使其回弹量满足要求。 最后进行了实验论证，将数值模拟的结果与实际的冲压结果相比较，说明了数 值模拟结果的可靠性，在实际生产中具有指导作用；并可缩减研发周期，降低 生产成本，为提高企业的市场竞争能力发挥作用。 关键词：汽车覆盖件；d y n a f o r m ；响应面法；优化；回弹； a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m o b i l ep a n e l ss t a m p i n gp r o c e s si sa l le x t r e m e l yc o m p l e xe l a s t i c p l a s t i c d e f o r m a t i o np r o c e s s 1 1 1 eq u a l i t yo ff o r m i n gh a sal o to ft h ei n f l u e n c ef a c t o r s ，d u r i n g t h ef o r m i n gp r o c e s si to f t e na p p e a r sa sw r i n k l i n g ，c r a c k i n g ，s p r i n g b a c kd e f e c t s t h e c u r r e n tr e s e a r c hi s m a i n l ya b o u tt h ef o r m i n gd e f e c t st oe l i m i n a t eo rc o n t r 0 1 刀砖 t r a d i t i o n a lw a yt oi m p r o v ei su s i n gt or e p e a t e d l yt e s ta n dm o d i f ym o u l d ，i t sn o to n l y t i m e c o n s u m i n g ，a n da l s o s o m e t i m e si te v e nc a u s e sm o u l ds c r a p p e d a st h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi s a p p l i e dw i d e l y , i t sg r e a t l yr e d u c i n g t h e d e v e l o p m e n tp r o d u c t i o nc y c l e ，c o s ta n di m p r o v i n gt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y c a e t e c h n o l o g yh a sb e c o m ei m p o r t a n tc o m p o n e n td u r i n gm o u l dd e s i g na n dp r o d u c t q u a l i t yc o n t r o lc h e c k , s ot h er e s e a r c hh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d a p p l i c a t i o nv a l u e b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ed y n a f o r m ，t h i sp a p e ri sr e s e a r c h o nt h es t a m p i n gp r o c e s ss i m u l a t i o na b o u tal i g h tb u sl e f tr e a rc a l d o o rb o a r d ， i n c l u d i n gt h em o u l ds u r f a c ed e s i g n , b l a n kd e s i g n ，d r a w b e a dl a y o u td e s i g n ，a n d e s t a b l i s h i n gad r a w i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n da l s or e s e a r c ho nt h ep a r tf o r m i n g d e f e c t sa b o u tw r i n k l i n g ，c r a c k i n ga n ds p r i n g b a c kt oi m p r o v et h ef o r m i n gq u a l i t y b a s e do nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g na n dt h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d ，i t e s t a b l i s h e st h e r e l a t i o nb e t w e e ns e v e nd e s i g nv a r i a b l e sa n dm i n i m u mt h i c k n e s s ， m a x i m u mt h i c k n e s s ，u n i f o r md e f o r m a t i o nd e g r e er e s p e c t i v e l y ，a n da n a l y s e si t s v a r i o u sf a c t o r so nt h ei n f l u e n c eo ft h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ；t h es e v e nd e s i g nv a r i a b l e s c o n t a i n sf i v es e c t i o n sd r a w b e a dr e s i s t a n c ec o e 伍c i e n tv a l u e ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ， b l a n k - h o l d e rf o r c e i te s t a b l i s h e st h eo p t i m i z a t i o nm o d e la b o u tt h eo b j e c t i o nf u n c t i o na sm i n i m u m u n i f o r md e f o r m a t i o nd e g r e e ，t h em i n i m u mt h i c k n e s sa n dm a x i m u mt h i c k n e s sa s c o n s t r a i n tt a r g e t t h e ni tu s e sg e n e t i ca l g o r i t h mf o rg l o b a lo p t i m i z a t i o nt oo b t a i nt h e a p p r o x i m a t eo p t i m a ls o l u t i o n a c c o r d i n gt o t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r s ，t h ep a r t d r a w i n gs i m u l a t i o ng e t sag o o df o r m i n gq u a l i t y t h e ni ts i m u l a t e dt h et r i m m i n g p i e r c ea n ds p r i n g b a c k , a c c o r d i n gt ot h ea m o u n to fs p r i n g b a c kt o t a k ec o n t r o l i i i a b s t r a c t m e a s u r e st om a k ei t ss p r i n g b a c km e e tt h er e q u i r e m e n t s a tl a s ti ti st h ee x p e r i m e n t d e m o n s t r a t i o n , c o m p a r i n gt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t l lt h e p r a c t i c a l s t a m p i n gr e s u l t s ，a n de x p l a i n st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sr e l i a b l e i tp l a y sv e r y g o o dg u i d i n gr o l ea n dr e d u c e st h ec o s ta n dd e v e l o p m e n tc y c l e sf o r t h e a c t u a l p r o d u c t i o ni no r d e rt oi m p r o v et h ec o m p e t i t i v e n e s si n t h em a r k e t k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ep a n e l s ；d y n a f o r m ；t h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d ； o p t i m i z a t i o n ；s p r i n g b a c k ； i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 汽车产业作为国民经济支柱产业之一，同时也是衡量一个国家制造业水平 的重要标志。汽车属于产品市场周期短而产品研发周期较长的这样一类产品。 在经济全球化的大环境下，要想在汽车行业中处于有利的竞争，就必须加速产 品研发生产周期，以快速促进新车型的推出。汽车行业以较短的开发周期和较 低的生产成本，以生产质优的产品和获取最大的利润为生产目标，这不仅是汽 车行业的生产目标同时也是现代制造业不懈努力追求的目标【1 1 。 汽车一般由发动机、底盘、车身和电气设备等四个基本部分构成。其中车 身的设计与生产占整车开发周期中6 0 左右，而车身部分多属于汽车覆盖件， 由薄板冲压而成形，因此车身覆盖件的设计及生产在很大程度上决定了整车开 发的周期和成本。在车身覆盖件的设计上，目前常采用逆向工程技术，以缩短 产品的设计时间。逆向工程是将已有产品或实物模型通过相关的数字化技术， 三维模型重构技术等转化为三维数据模型，在此基础上对已有产品进行再设计 的过程。在汽车覆盖件的生产上，其主要的还是在于覆盖件的模具设计及零件 生产工艺上，通常一副大型的覆盖件模具大约需要l 2 个月的试模时间，且其 试模所需要的费用占到模具总费用的2 3 左右【2 】，对于这种传统的反复试模，修 模不仅耗时，而且使得成本大大增加，大大降低了产品的生产效率，这样的生 产工艺已经远远满足不了现在竞争激烈的汽车市场要求【3 】。 从2 0 世纪6 0 年代开始，随着对板料成形的有限元数值模拟技术理论不断 完善，板料c a e 技术应用广泛，现已成为冲压模具设计和产品的质量控制校验 的重要组成部分。目前，许多汽车厂家明确要求对于关键的冲压件，必须通过 c a e 有限元分析软件进行校验之后，才能够投入实际生产。 目前，应用板料c a e 数值模拟软件可以对冲压过程中的多道工序( 如压边， 拉深，弯曲，回弹，翻边等工序) 进行模拟；可精确预测冲压过程中的金属成 形问题( 破裂、起皱、减薄和回弹等) ，并通过改善工艺参数对起皱和破裂进 行消除，对回弹问题进行回弹补偿：快速设计模具，坯料形状尺寸估算等；利 用c a e 软件可以对板料的成形过程快速分析产品的成形性，并得出最优的或可 第1 章绪论 行的设计方案。从而减少模具开发设计时间和试模时间，降低了模具设计成本， 并提高了零件的生产质量和生产效率。 1 2 国内外板料冲压数值模拟技术研究现状 1 2 1 国外板料冲压数值模拟历史 国外最早关于板料冲压数值模拟的研究始于2 0 世纪6 0 年代，最早采用“有 限元法 一词是由r w c l o u g h 【4 】在1 9 6 0 的研究平面弹性的平面应力问题的论文 中提出。继而c o u r a n t 、a r g y r i s 等人的研究促成了早期的板料有限元的诞生。此 时采用的有是限元差分法只能处理简单的半球形冲头胀形等轴对称问题，对于 复杂边界条件进行有限元模拟较为困难。在7 0 年代，板料冲压数值模拟理论有 了较大的突破，并将这些理论应用于仿真模拟中，使得板料成形术数值模拟技 术日趋成熟。在1 9 6 7 年由p v m a r c a l 和i p k i n g t 5 】提出的弹塑性有限元法；1 9 7 0 年h i b b i t 等人采用l a g r a n g e 描述的大变形弹塑性有限元方程；1 9 7 3 年k b o y a a s h i 巾j 提出了刚塑性有限元法；1 9 7 5 年左右，m e m e e k i n g t t l 等人采用e u l e r 描述建立了 大变形弹塑性有限元方程。此后随着对大变形弹塑性有限元法理论的不断完善， 之后的板料冲压多基于弹塑性有限元法作为仿真应用主流理论。1 9 7 7 年，在美 国通用公司召开的一个研讨会上，讨论有关板料冲压成形中的力学分析问题， k o b a y a s h i ( 基于刚塑性有限元理论) 和n m w a n g ( 基于弹粘塑性有限元法理论) 分别提交了一篇关于板料成形数值模拟的文章，这两篇论文的提出，开创了板 料数值模拟的思路，使得研究学者们开始大力研究。 8 0 年代，板料冲压数值模拟进入了一个蓬勃发展时期，并开始逐步投入到 实际生产应用中。在这段时期，主要研究板料数值模拟中的几大关键问题包括： 各种单元类型( 薄膜单元、壳单元、实体单元) ，求解算法研究( 静力隐式和静 力显式、动力显式算法) ，材料本构关系及屈服模型的选择，关于接触和摩擦的 处理，拉延筋的模拟方法，关于回弹问题研究，网格的自适应划分等方面进行 研究【8 】，并开始逐步建立了一些数值模拟软件，如1 9 8 2 年，l e e 等人研究出了 一套软件，可以用来对板料成形中的缺陷进行预测。f o r d 公司的s c t a n g 9 1 等人 从1 9 8 0 年基于弹塑性有限元法理论开发出了m t l f r m 系统，并在汽车覆盖件 生产中投入使用。8 0 年代末期，动力显式示算法取得了广泛的应用，动力显式 有限元法因其对板料冲压中发生的接触问题以及大变形、大挠度、大转动等问 2 第1 章绪论 题有较强的处理能力，求解中无需迭代和求解收敛问题，使得求解效率高，速 度快，因而在板料有限元数值模拟中获得了广泛应用。 到9 0 年代中期，金属板料数值模拟技术已经日趋成熟，板料数值模拟软件 应用较为广泛，特别是在德国和日本等的制造业发达国家。此时的板料数值模 拟软件不仅可以对复杂的汽车覆盖件的成形进行模拟，同时其模拟结果较为可 靠，可以指导实际零件的生产。此时涌现出的使用较广的数值模拟软件有， m t l f r m ，a u t o f o r m ，i t a s 一3 d ，l s d y n a 3 d ，d y n a f o r m ，p a m s t a m p ， i n d e e d 等软件。目前，板料c a e 的软件的使用，可以对零件的起皱，破裂， 回弹等缺陷进行预测并进行控制。1 9 9 1 年开始，国际上发起了定期每三年召开 的板料成形三维数值仿真国际会议n i m s i h e e t ( i n t e m a t i o l l a lc o n f e r e n c eo r l n u m e r i c a ls i m u l a t i o i lo f 3 ds h e e tf o r m i n gp r o c e s s ) 更加推动了板料c a e 技术的研 究、发展及实际应用。最为突出的是在n u m i s h e e t 9 6 会议后，美国三大汽车 公司一致决定在以后的新车型的制造前都首先必须经过板料c a e 软件的检验， 否则不能进入下一步生产中。对于汽车工业来说，板料c a e 技术为企业降低了 成本以及缩短了产品的生产周期，提高了产品质量和生产效率，从而提高了企 业的市场竞争力。 1 2 2 国内板料数值模拟技术研究历史 国内开始研究板料成形数值模拟技术始于2 0 世纪8 0 年代后期，相对国外 的研究起步相对较晚，特别是研究车身覆盖件这种复杂的板料成形模拟，但是 后期研究发展迅速。早期的国内研究主要是关于国外早期的数值模拟问题方面 的研究，如研究关于半球凸模胀形或平底圆形凸模拉延这样轴对称的等二维问 题进行分析。1 9 9 0 年北航的熊火轮【l o 】运用a d i n a 程序模拟了汽车暖风罩的成 形。1 9 9 1 年，华中理工大学的董湘怀【l l 】提出了“弹性边界层 的方法，对模拟 中接触问题的计算不稳定进行了改进。1 9 9 8 年，哈工大的徐伟力【1 2 , 1 3 】等人运用 m i n d l i n 壳单元对典型的矩形盒件以及方形盒件在拉延中出现的缺陷进行模拟。 2 0 0 0 年，成都飞机工业公司的模具中心与吉林工业大学模具研究所进行合 作，运用p a m s t a m p 软件对北汽福田的中立柱零件以及上海大众的行李厢盖 零件的成形过程进行了数值模拟。经过十多年的努力，我国的板料c a e 方面也 取得了较大的进展，相继开发了几款我国自主知识产权的软件，有k m a s 软件、 f a s t a m p 、s h e e t f o r m 、c a d e m 软件等。 3 第1 章绪论 1 3 目前国内外数值模拟的研究热点问题 近年来，国内外板料数值成形模拟技术研究发展迅速，在企业生产中应用 比较成熟，但目前仍有些课需要进一步深入研究【1 4 。1 列： 1 提高模拟的准确性及可靠性：完善板料成形数值模拟理论，如单元网格 的有限元划分，摩擦接触处理算法以及求解算法，成型缺陷的评价指标等方面。 由于成形模拟中影响模拟结果准确度的因素比较多，常与使用者的理论水平及 实践经验有关，同时需提高模拟的准确性，与实际的生产更为贴近。 2 回弹的研究，起皱，破裂和回弹作为金属板料成形中三大主要的质量的 缺陷，起皱，破裂方面的已经能比较好的控制或消除。原来使用的普通低碳钢 回弹方面由于比较小，研究比较少，近年来，随着车辆轻量化的提出，使得工 业上大量使用高强度薄钢板和铝合金板材，回弹量较大，使得回弹问题的研究 愈显重要。目前对于回弹的预测以及回弹补偿等方面已经成为现在研究的一大 热点。 3 模具和工艺参数的优化：由于板料数值模拟中，影响成形质量的因素较 多，如凹凸模具圆角，模具间隙，压边力，摩擦系数，以及拉延筋的合理布置 等方面，采用一些优化方法，引入人工智能等方法。近年来关于变压边力的研 究以及拉延筋的模拟准确性，虚拟拉延筋以及真实拉延筋如何真实转换。 4 材料屈服模型：如今，在冲压成形中，新材料( 如高强度钢，镁合金， 铝合金等) 不断涌现和使用，其材料性能与原来建立的材料库中材料有一定区 别，使得需要建立起更准确合理的屈服模型，材料的屈服模型影响着材料的本 构关系，对模拟的准确性有重要的影响。 1 4 板料成形数值模拟中的优化方法运用 在汽车覆盖件方面，其优化目标函数是多样的，常见的目标函数有，毛坯 尺寸最小、最小减薄率、最小变形均匀程度、最大成形裕度、不起皱不破裂等 等。影响其因素也有许多，如单元网格大小，网格自适应等级、求解积分点的 个数、模面的设计、毛坯尺寸形状以及各工艺参数等。为了达到某个目标函数 或多个目标函数最优，就需要通过优化方法来求解，优化方法的研究及应用已 取得了良好的成就，并在航空，航天，机械，桥梁等领域的复杂工程优化设计 方面广泛应用l i 州z j 。 4 第l 章绪论 2 0 0 3 年o h a t a 等人分别运用单纯形法以及模拟退火法这两种优化方法对冲 压成形凹模模面进行了优化设计【2 3 1 。2 0 0 4 年k l e i b e r 运用响应面法对盒形件的拉 深成形失效进行了评估 2 4 1 。2 0 0 5 年j a n s s o n t 采用响应面法和空间映射技术对汽 车覆盖件的拉深成形中的拉延筋力及尺寸形状进行优化设计【2 5 】。2 0 0 5 年， b r e i t k o p f 利用移动最小二乘法建立了一个连续的响应面进行优化，并通过两个 金属板料成形实例验证该方法的鲁棒性【2 6 1 。 国内近几年优化方法的应用有，2 0 0 5 年浙江大学的张峻为减小某汽车前翼 子板的回弹量，以最小回弹量为目标函数，以压料面参数为设计变量，通过序 列响应面方法求得满足目标要求的压料面形状口7 1 。2 0 0 6 年江苏大学的张永波采 用均匀实验与回归分析相结合的方法，分别对盒形零件以及轻卡的顶盖的拉延 成形进行研究对其工艺参数进行优化【2 8 】。2 0 0 7 年浙江大学的龙仕彰采用人工神 经网络和遗传算法相结合的优化方法对模面尺寸进行优化设计，并运用人工智 能建立了回弹评价系统【2 9 】。2 0 0 7 年合肥工业大学的郑超利用神经网络算法与二 阶响应面相结合对横梁拉延中的以回弹控制为目标函数对工艺参数进行优化 3 0 1 。2 0 0 9 年合肥工业大学邹文超利用响应面法对轿车后桥悬架的成型过程进行 了优化，获得较好的优化参数，取得了较好的应用效梨3 1 】。2 0 1 0 年江苏大学的 夏建新采用基于一种改进的基于响应面模型的稳健设计对行李箱盖外板的拉延 成形进行工艺参数优化1 3 2 j 。2 0 1 0 年周林等人基于人工智能的方法对汽车油底壳 零件的冲压成形工艺参数进行优化，取得了较好的参数，使得成形条件改善【3 3 1 。 1 5 本文研究的主要内容及意义 本文基于冲压数值模拟软件d y n a f o r m ，针对某微型客车的左后侧车门外 板进行了模面设计和坯料设计，并对其拉延筋的布置进行了研究，对零件的成 形特点进行了分析，着重对零件的拉深成形中起皱和破裂缺陷进行控制，对拉 深成形中以不破裂不起皱的最小变形均匀程度为目标，针对五段拉延筋阻力系 数，压边力及摩擦系数的工艺参数作为设计变量进行了优化设计，基于正交试 验和二阶响应面法建立了设计变量与目标函数之间的响应面模型，并利用遗传 算法进行了全局寻优，得出了近似最优解。同时对零件的切边回弹进行了研究， 预测了回弹后的回弹量，从而为零件的回弹控制提供了方向，最后进行了实验 论证，将数值模拟的结果与实际冲压的结果进行对比，说明了数值模拟结果的 5 第1 章绪论 可靠性，为实际生产和试模提供了指导，发挥了重要的作用。从而减少模具开 发设计时间和成本，提高了零件的生产质量和生产效率。 1 6 各章节的主要内容 第l 章绪论。主要阐述了国内外数值模拟的研究历史以及研究现状，并提 出了目前数值模拟的研究热点，同时阐述了国内外的数值模拟中的优化方法的 应用现状，以及对本文的研究主要内容进行了简单归纳总结。 第2 章板料冲压仿真有限元理论。主要阐述冲压成形有限元的特点以及冲 压大变形弹塑性有限元的基本理论。着重阐述了冲压数值模拟理论中的几大关 键技术，材料模型，单元类型及沙漏控制，接触处理以及摩擦处理等方面。 第3 章汽车覆盖件拉延工艺关键问题分析。介绍了汽车覆盖件的工艺特点， 并对左后侧车i - l # l 板进行了工艺设计。阐述了拉延工艺设计中的几大方面的重 要设计原则，依据这些原则在u g 中设计了零件的凹模模面模型，最后介绍了几 种覆盖件的成形质量评价目标。 第4 章左后侧车i - j 乡 b 板拉延成形数值模拟。介绍了拉延成形模拟的一般流 程，同时对零件的冲压方向进行确定，并采用m s t e p 对板料进行估算，确定了 板料的成形尺寸和形状，建立了拉延工序的有限元模型。对在重力作用下的坯 料的变形过程进行了模拟，并对拉延筋的分布进行确定。 第5 章基于响应面法的拉延成形工艺参数优化。本章基于正交试验设计和 响应面法建立起了以五段拉延筋的阻力值，摩擦系数以及压边力七个设计变量 以及以不破裂不起皱的最小变形均匀程度为目标的响应面模型，最后通过遗传 算法对模型进行全局寻优，得到近似最优解，并通过模拟论证了寻优的可靠性， 为实际的生产起到指导作用。 第6 章左后侧车门的回弹模拟研究。对零件进行切边过程进行了模拟，并 对切边后的左后侧零件的回弹进行了模拟，预测了切边后的回弹量，为实际生 产的回弹量控制指明了方向，并进行了实验论证，从而说明了数值模拟结果的 可靠性。 第7 章总结和展望。针对全文的主要研究内容进行了总结，并对以后的研 究方向进行了展望。 6 第2 章板料冲压成形数值模拟有限元理论 第2 章板料冲压成形数值模拟有限元理论 2 1 板料冲压成形有限元概述 对板料进行数值模拟时，首先需要了解金属板料的真实冲压成形过程的特 点。其过程是一个同时涉及材料非线性、几何非线性以及边界条件非线性的一 个极其复杂的弹塑性变形过程的问题【3 4 1 ，其变形过程多为大变形、大挠度以及 大转动。 由上面可知，板料冲压成形的过程是一个非常复杂的过程，在实际的模拟 板料成形过程，为了能够真实的表现板料成形过程，需要遵循以下几个方面： 板料变形过程具有小应变大变形的特点，因此为了能够真实地描述其变 形过程特点，需采用有限变形理论。 板料成形过程中，除了考虑主要的塑性变形，同时也需要考虑弹性变形 和回弹，因此在计算分析中，就需要采用弹塑性材料模型，不应采用刚塑性材 料模型。 在单元类型选择时，需要考虑成形过程中发生的弯曲效应，因此，在模 拟过程当中需选用合适的壳单元类型进行模拟计算，不宜选用薄膜单元。 薄板材料一般都具有各向异性的特点，因此选择的屈服准则需要具有能 够描述材料的这一特点。 板料成形过程常有破裂和起皱的缺陷现象，应加以注意进行改善。 本论文中采用冲压有限元数值模拟软件d y n a f o r m5 7 版本，其模拟计算 由里面的l s d y n a 求解器进行实现。l s d y n a 是一款典型的非线性动力显式 的有限元软件，但它同时也包含了隐式算法。一般采用动力显式分析冲压成形 过程以后，然后再利用隐式算法进行分析回弹，从而形成了显式和隐式算法的 无缝集成求解器。 2 2 大变形弹塑性有限元基本理论 弹塑性有限元法在1 9 6 7 年由m a r c a l 和飚n g 首次提出，在基于有限变形的 理论基础上，关于大变形弹塑性有限元的建立有两种描述方式，一种是1 9 7 0 年 由h i b b i t 等人采用l a g r a n g e 描述。第二种是19 7 5 年由m c m e e k i n g 等人采用e u l e r 7 第2 章板料冲压成形数值模拟有限元理论 描述。e u l e r 描述和l a g r a n g e 描述在关于小变形问题上，这两者是相一致的。对 于分析金属板料冲压这种大变形，大转动的问题，小变形的理论已经不再适用， 常采用l a g r a n g e 描述这类需要采用大变形的弹塑性有限元理论来进行分析的问 题。 l a g r a n g e 描述有两种格式为：t l 格式( t 0 t a ll a g r a n g ef o r m u l a t i o n ) 以及u l 格式( u p d a t el a g r a n g ef o r m u l a t i o n ) 。但是无论采用哪种格式建立起的有限元格 式，其结果都是等效的p 5 1 。因为这两种表达方式经过有限元离散化之后，建立 的板料运动方程最终表达式都可以表示为： 埘+ 吼+ z = z( 2 1 ) 式中：m 、c _ 一质量矩阵和阻尼矩阵；“节点位移矢量； z 等效内力矢量；以等效节点力矢量。 采取适当的方法将m 和c 化成为对角矩阵。则r + a t 时刻的节点位移u “出， 可以由中心差分算法根据t 时刻的运动方程得到，即u “出可表示为： 圹血= ( 古m + 西1c ) 。1 z z + 等( 2 牡圹& ) + 西c 矿1 上式就是动力显式有限元格式，依据公式，则每个自由度的位移都可以求 解出来。动力显式有限元采用的是要求条件稳定的中心差分算法，因此时间步 长址需要满足式( 2 3 ) 才能够保证上式( 2 2 ) 的求解具有较高的稳定性。 a t _ z x t 口：堡 万 ( 2 3 ) 式中：有限元系统的最小固有振动周期。 动力显式格式采用的是一种条件稳定的积分求解算法，时间步长缸受到最 小步长的限制。在处理接触问题的过程中，若接触状态发生越小的变化，从而 也就可以使处理过程变得更简单。因此由于有最小时间步长的限制，从而使得 对于接触问题的处理变得较为简单方便。由此可见，采用动力显式有限元对于 非线性问题的求解具有高效性，稳健性，在求解中无需迭代，无需考虑收敛问 题，求解效率高。因为具有这些优势，动力显式有限元法常用于求解覆盖件的 拉深成形问题，然而在求解回弹中，需要采用隐式算法。 8 第2 章板料冲压成形数值模拟有限元理论 2 3 板料成形中的材料模型 为了使求解问题变得简单，在求解常见的有限元问题过程中，常基于材料 各向同性假设的基础上然后再进行求解分析，像常用的m i s e s 以及t r e s e a 这两 种屈服准则就是基于材料各向同性的假设。但是在板料冲压成形中，使用的板 料一般都是经过多次辊轧和热处理而制成的，具有明显的各向异性特点。因此 在板料成形模拟中，材料的各向异性特点就需要加以重视和考虑。选择合理的 材料模型对于板料的成形质量，以及模拟的准确性都有非常重要的关系。 有限元发展至今，材料模型已经发展了有许多种。如在软件d y n a f o r m 中就有一百多种，其中包含有金属、非金属等多种类型材料。在板料冲压成形 的有限元模拟中，通常板料的模拟采用的材料模型是弹塑性模型，而模具的模 拟采用的材料模型是刚体模型。 2 3 1 刚体材料模型 在板料成形模拟分析过程中，对于凹、凸模和压边圈通常把它们都作为刚 体来处理，因为在成形中它们的变形量均较小。对于作为刚体处理的对象，需 对其进行参数设置，但是这些参数在求解中是不参与计算的，所以是不起作用 的。在有限元求解计算中，为了体现出刚体这一特性，只要是被定义为刚体类 型的材料，那么对于其单元形状及数量的多少，以及材料参数等等这些都不予 以考虑，因为这些单元并不参与到应力应变分析的求解运算中，同时对于其历 史信息也不进行保存。对于刚体的参数设置，尽管刚体是不变形，但是相对于 板料可以有相对的运动，因此对求解接触问题中需要的参数设置需真实合理【3 6 1 。 2 3 2d y n a f o r m 中的材料模型 在板料成形模拟中，板料的模拟通常采用弹塑性材料模型。在d y n a f o r m 中，对一些常用的几种材料模型进行简单的介绍如下。1 8 号材料模型表示的是 幂指数塑性材料模型，这种材料模型由于没有考虑材料的厚向异性，一般只在 一些简单的各向同性材料中进行应用。2 4 号材料模型表示的是分段线性材料模 型，主要用于一些具有各向同性的材料冲压分析中。3 6 号材料模型是表示3 参 数b a r l a t 材料模型，这种材料模型适用于任何薄板金属成形分析，特别是对于像 铝合金的材料必须用此种材料模型分析。3 7 号材料模型是代表厚向异性弹塑性 材料模型，该模型仅适用于壳单元分析。3 9 号材料模型表示的是带f l d 的厚向 9 第2 章板料冲压成形数值模拟有限元理论 异性弹塑性材料模型，该模型仅适用于壳单元和2 d 单元。依据覆盖件成形特点， 板料具有各向异性的特点，一般选用的材料模型为3 6 号、3 7 号以及3 9 号。本 论文模拟中采用的是3 6 号材料模型，且在冲压成形以及回弹的分析中必须采用 相同的材料模型。下面我们对3 参数b a r l a t 材料模型进行详细的介绍。 2 3 33 参数b a r l a t 材料模型 3 参数b a r l a t 材料模型( b a r l a t s 3p a r a m e t e rp l a s t i c i t ym o d e l ) 是用于模拟板 料在平面应力作用下发生弹塑性变形的具有各向异性的弹塑性材料模型。与其 他的材料模型相比，其特点在于同时考虑到材料的各向异性特点以及材料的厚 向异性特点对于屈服面的影响，所以这种模型更能真实地模拟板料冲压模拟成 形鲫。 该模型采用的屈服准则是b a r l a t 屈服准则，是1 9 8 9 年由b a r l a t 和l i n a 两个 人共同提出的。其表达式如下： 厂( 盯，勺) = c r e w , ( o r l ，c r 3 ，) 一仃y ( 郇) 剑 ( 2 4 ) 其中 c = ( 弘+ 琏心肾墨吲”) i 墨= k ( q 。，吼：，q ：) = o , 1 + 厂h t y 2 2 局= k ( q l ，t r 2 2 ，q 2 ) = ( 2 5 ) 式中：占。等效塑性应变； a 、c 、h 、卜厚向异性材料常数；m 珈a r l a t 指数。 m 与材料的晶格类型有关，当材料为体心立方晶格时，建议m 一般取6 ， 当材料为面心立方晶格时，m 取为8 3 s 】。厚向异性材料参数中，除p 之外，常 数a 、c 、h 都可由各向异性参数r o o 、r 4 5 及进行确定【3 9 】。常数p 的求解如下。 根据b a r l a t 与l i a n 关于各向异性参数r 的定义可知，当与轧制方向成角 时，则此时各向异性系数心( 即为宽度方向的应变与厚度方向上的应变之比) 可表示为： 1 0 第2 章板料冲压成形数值模拟有限元理论 吩= 两两：z m 0 7 1 l 瓦+ 瓦j q 1 式中：巳与轧制方向成角时的材料在单轴拉伸下的屈服强度。当取 = 4 5 。，则r 4 5 、q 、0 2 0 - 4 5 均为已知值，令 g(p)2了c3贵。i) 一1 一心s f锄1 。 l 瓦+ 瓦j q ( 2 7 ) p 的求解可以通过迭代的方法，令上式9 0 ) = o 时求解得出。 关于材料的屈服强度q 则是由硬化模型来确定的，不同的硬化模型则有不 同的表达式，当材料为幂指数硬化模型时，则q 表达式如下： q = k e 甩= 克( + 虿p ) 行( 2 8 ) 式中：l ( _ 强度系数，i 卜强化系数，占材料的总应变，锄初 始屈服应蛮等效朔件廊蛮。 2 4 单元类型与沙漏控制 在采用有限元的方法对板料成形进行分析时，首先需要将分析的物体离散 成为许多有限的单元，在对其进行求解分析。对于这些单元的建立以及单元类 型的选取就非常重要了，因为它会直接影响我们最终的模拟精确度以及模拟效 率。在板料成形模拟中，一般较常使用壳单元进行模拟，而且壳单元中也形成 了许多种类。在d y n a f o r m 软件中，有两种薄壳单元类型常用于进行板料成 形模拟，分别为1 号h u g h e s l i u ( h l ) 以及2 号b e l y t s c h k o t s a y ( b t ) 薄壳单 元。在进行回弹分析中，一般选择1 6 号全积分壳单元。 h l 薄壳单元是由八节点实体单元退化而成，该单元公式较为复杂，在模拟 分析中计算量较大，从而在求解中需要耗费大量的时间。但是使用这种单元求 解分析时，其计算出来的精度较高。主要是h l 单元它具有可以适应各种复杂的 变形问题求解，比如当单元发生较大的扭曲，其得出的求解结果仍然较为可靠， 因此h l 单元常用于复杂拉延件的拉深成形求解分析和回弹问题求解分析中，但 由于求解时间较长，因此选择这种单元需综合考虑模拟效率和精度的问题。 b t 壳单元是针对h l 薄壳单元在计算效率方面进行修正的一种单元，是 第2 章板料冲压成形数值模拟有限元理论 l s d y n a 求解器中作为缺省的壳单元类型，由于其计算效率高，在处理接触碰 撞等复杂问题分析中，b t 单元是最常用的一种单元。与h l 单元相比，b t 单元 有较高的计算效率，但在精度方面要比h l 单元较低一些。b t 单元在运算分析 中运用单点积分算法，与h l 单元不同的是，无需计算j a u m a n n 应力，从而 简化了计算求解过程，使得求解的效率大大提高。但是在使用b t 单元求解中， 需要注意沙漏的控制，所谓“沙漏 是指在计算过程中出现零能量模式。沙漏 会导致计算结果失真，因此需要对其进行控制。一般情况下，采用b t 单元或采 用h l 单元求解，其两者求解的结果一般都是相一致的【4 0 删。 在c a e 分析软件中，在其内部求解计算时，都采用了一些控制方法对沙漏 进行控制。沙漏控制的基本方法可概括为以下两方面：一是通过增加刚度以阻 止沙漏。二是抑制沙漏的生长速度【4 3 l 。 在本文应用的是d y n a f o r m 软件，其l s d y n a 求解器采用了b e l y t s c h k o 沙漏控制方法以及e n g l e m a n n 和w h i r l e y 的沙漏控制方法。这两种沙漏控制方法 相比较，b e l y t s c h k o 沙漏控制法在效率方面要比e n g l e m a n n 和w h i r l e y 的沙漏控 制方法稍高些。 2 5 接触处理与摩擦处理 2 5 1 接触处理 板料冲压成形有限元分析中，接触处理作为其关键技术之一，其模具与工 件之间的接触面之间的接触处理的准确模拟对最终成型模拟的结果的准确性和 可靠性都具有非常重要的影响。目前常用于接触问题的处理方法主要包括三种 分别为：罚函数法，l a g r a n g e 乘子法，增广l a g r a n g e 法。n a k a m a c h i 和j k l e e 等 人研究比较了上述三种不同的算法，发现采用罚函数法处理薄板冲压成形中的 接触问题较其他两种方法具有更好的效果。 在l sd y n a 软件中的接触处理类型的种类达二十多种，可以处理多种接 触类型，例如，两变形体之间的接触处理、单_ 面接触、变形体与刚体之间的 接触处理等。在薄板冲压成形分析中，处理接触问题常用的接触方式有两种， 一种是双向接触方式的是f o r m i n g s u r f a c et os u r f a c e ，另一种是单向 接触方式的f o r m i n g _ o n e _ w a y _ s u r f a c et os u r f a c e 。其两者区别是单 向接触方式只检查从节点是否穿透主接触面。而双向接触方式，既检查从节点 1 2 第2 章板料冲压成形数值模拟有限元理论 对主接触面的穿透，同时又要检查主节点对从面的穿透，比起单向接触方式， 双向接触方式需要计算得时间更长，接近于其两倍的时间代价，但模拟的准确 度更高。对于单向接触，这里的主面必须是刚体，也就是模具，从接触面一般 是指坯料，对于双向接触的方式，主从面的指定就无所谓了。 2 5 2 摩擦处理 在薄板冲压成形过程中，摩擦现象的处理非常重要，在进行冲压成形中， 一般都需要对摩擦现象加以研究。摩擦在冲压过程中既有有利摩擦，也有有害 摩擦。因此对于有利摩擦作用时，如可以增大压边力，有时为了减小摩擦作用 时，可以进行必要的润滑。摩擦在冲压成形中主要对材料的流动有一定的影响， 因此对于摩擦力的准确计算就能够对薄板冲压成形有着起着重要的影响。 常用的摩擦定律是经典库伦摩擦定律，该定律是在“只有当切向应力达到 了某一临界值时，则接触表面才会发生局部运动 这一假设的前提下的，这个 理论一般对于刚体间的摩擦行为描述较为适合。但是在板料成形分析中，板料 在成形中作为一个变形体，而对于变形体来说，无论多么小的摩擦力，都会使 之产生一定的微小相对位移。因而，板料成形中使用的摩擦定律需要在经典库 伦摩擦定律的