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基于Dynafrom的阶梯形圆筒件回弹分析 基于 Dynafrom 阶梯 圆筒 回弹 分析

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桂林理工大学毕业设计（论文）独创性声明本人声明所呈交的设计（论文）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了设计（论文）中特别加以标注和致谢的地方外，设计（论文）中不包含其他人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得桂林理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对设计（论文）的研究成果做出贡献的个人和集体，均已作了明确的标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。设计（论文）作者签名： 日期： 年 月 日桂林理工大学设计（论文）使用授权声明本设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅或借阅。本人授权桂林理工大学可以将本设计（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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本设计（论文）。设计(论文)作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日学 号： 3110314206 题目类型： 论文 (设计、论文、报告)桂林理工大学GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科毕业设计(论文) 题目： 基于Dynafrom的阶梯形圆筒 件回弹分析 学 院： 机械与控制工程学院 专业(方向)： 机械设计制造及其自动化 （模具设计与制造） 班 级： 机械11-2班 学 生： 黄基欢 指导教师： 黄晓珍 覃天 2015 年 5 月 31 日本科毕业设计(论文)过 程 材 料 学 院：机械与控制工程学院 课题名称：基于Dynafrom的阶梯 形圆筒件回弹分析 专业(方向)：机械设计制造及其自动化 （模具设计与制造） 班 级： 机械11-2班 学 生： 黄基欢 指导教师： 覃天 整理日期： 2015年5月31日 桂林理工大学本科毕业设计论文摘要阶梯形圆筒件的拉深回弹分析在相关的参考资料中介绍的很少，技术人员在进行该零件的拉深后常常会根据经验来判断零件切边前后的回弹变化情况，这就导致了零件在拉深成形后出现难以预测的回弹现象。因此，探究切边前后对阶梯形圆筒件回弹的影响是非常有必要的。 本文利用一种专业的板料冲压CAE分析软件ETA/Dynafrom对结构相对复杂的阶梯形圆筒件进行回弹数值模拟分析。通过选取阶梯形件产生产生明显回弹的部分进行回弹量变化的数据采集和比较，着重探究零件切边前后对回弹量的影响情况。本文采取两套方案，第一方案就是在使用软件对切边前的阶梯形圆筒件进行回弹模拟之后，通过选取该零件的几个截面位置的截面线，并对其分段获取回弹前后的回弹量数值。对回弹前的数据进行分析比较，找出影响零件回弹的因素。第二方案则是对切边后的零件进行回弹数值的模拟计算，同样也是在前一方案中剖切相同截面，并获取几条截面线，对截面线的各段部分节点间的距离采集数据。然后比较回弹前后的回弹量变化情况，分析影响这种变化的原因。最后分析切边工艺对零件回弹量的影响规律以及研究拉深的因素和零件成形后回弹量的关系。 本文经过对阶梯形圆筒件的回弹数模拟，得出切边工序对零件回弹量有影响，而且回弹量与零件的切边工艺有关，即是零件的切边会引起其结构形状发生变化，导致应力应变重新分布而影响回弹量的变化。切边前回弹量比切边后的总体小。这对有效地控制阶梯形圆筒件在成形过程中的回弹，降低模具调试时间和生产成本，并最终获得成功的产品有着重要的意义。关键词: 阶梯形圆筒件；数值回弹模拟；Dynafrom软件Base dynafrom on stepped cylindrical parts about rebounding analysisStudent:HUANG Ji-huan Teacher:QIN TianAbstract:Stepped cylindrical parts drawing springback analysis in relevant references rarely described, the technical staff after carrying out this part of the drawing is often based on experience to judge the rebound change parts before and after edging cases, this led to parts in the deep drawing appears difficult to predict springback phenomenon. Therefore, before trimming to explore the impact of stepped cylindrical member rebound it is very necessary. In this paper, a sheet metal stamping professional CAE analysis software ETA / Dynafrom relatively complex structure of a stepped cylindrical member to simulate springback analysis. By selecting stepped member rebound generate significant portion springback changing data collection and comparison of parts before trimming inquiry focuses on springback effect situation. This article take two options, the first software program that is used for trimming of the stepped cylindrical member before springback simulation by selecting the position of the section line of cross sections of the part, and its sub-get Rebound before and after springback value. Rebound data were analyzed and compared before to identify factors that affect Part Spring. The second program is carried out on the part after trimming resilience numerical simulation, is also cut from the same previous program section and get a few cross sections, each segment portion of the distance between the node section line collection data. Then compare before and after springback springback changes, analyze the impact of this change causes. Finally after effect relationship trimming process on the part of the law of springback and research drawing elements and parts forming springback. This article rebound after several simulation stepped cylindrical member, come trimming process on the part springback impact, and the extent of the amount of springback and parts of plastic deformation during the forming process related, that is drawing the board The higher the degree posted mold material, the smaller the amount of parts rebound after trimming. This effectively control the stepped cylindrical member during the forming process resilience and reduce debugging time mold and production costs, and, ultimately, the success of the product has an important significance. Keywords: tepped cylindrical parts; numerical springback simulation; Dynafrom software目次摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2国内外板料冲压成形的技术现状11.3板料冲压成形的缺陷分析21.4本课题的研究的内容32 冲压变形中塑形变形的基本规律33 板料成形软件的综述44 回弹数值模拟的方案54.1引言54.2零件剖切位置的选取74.3板料回弹分析的步骤85截面A-A的回弹数据分析95.1切边前回弹数据分析95.2切边后回弹数据分析135.3回弹分析及小结166 截面B-B的回弹数据分析196.1切边前数据分析196.2切边后数据分析236.3回弹分析及小结277 特征尺寸的分析318 总论33致谢34参考文献35IV1 绪论1.1 课题研究的背景和意义 零件拉深产生的回弹现象不仅是学术界一个关注的热点问题，而且也是工业实际生产中所遇到的工程难题。从NuMISHEET93(第二届板料成形三维数值模拟国际会议)开始,每届会议都有关于回弹预测的标准考题(BENCHMARK),在NUMISHEET99上,专门有一个关于回弹预测和回弹误差控制的会议专题，其中文章达到了10篇,约占全部会议文章的11%1。随着有限元板料数值模拟技术的引入,为解决更复杂的成形件回弹问题提供了有利的工具。随着近年来冲压件市场的大量需求和使用的广泛性，传统的板料已经被铝合金板料和高强度钢板料所取代，然而这些材料的机械性能和传统的低碳钢板料有着很大的差异，在进行冲压成形之后零件回弹量很大的现象更加突出。这对复杂零件的成形工艺提出更高的要求。在这样的背景下，板料成形的数值模拟技术应运而生并且得到了快速发展。近些年来，计算机技术的应用和发展使得板料成形数值模拟技术变得更加成熟，能够更快、更准、更细地模拟冲压件的成形过程。然而对于复杂的冲压件的有限元分析技术还停留在初步发展的阶段。对于成形零件的质量缺陷的预测和判断技术还不够完善。在进行实际的板料成形中，往往是凭着经验对板料的成形性能做出预测。 本文要研究的阶梯形圆筒件所能参考的资料少之甚少，特别在该零件的回弹分析方面几乎是空白。因此此次希望通过本课题的研究，找出切边前后零件的回弹变化规律，从而发现零件的成形质量问题并进行有效地控制，这对减少调模修模次数、提高制件的精度要求和改善优化生产中的成形工艺参数提供重要的帮助作用。1.2 国内外板料冲压成形的技术现状分析软件的开发水平和应用程度是衡量CAE技术的重要标志之一。这方面的CAE软件技术已经在一些发达国家达到了非常成熟的阶段并已经实现了商业化，如ANSYS、DEFORM、DYNAFORM、MOLDFLOW、AUTOFORM等2。这些软件具有强大的动态和静态过程分析以及线性和非线性分析的功能，已经在欧美等一些发达国家的机械、材料、航空、汽车、电气工业等许多领域得到了广泛的推广和应用。近年来，我国的CAE技术才开始蓬勃发展起来，在一些相关行业和领域取得了一定的成绩。但总体而言，研发和实用化的水平还不是很高，在某些方面的技术水平与发达国家还是存在一定的差距。主要体现在CAE技术的研究和应用分布的地区和行业是有限的，大部分是集中在一些经济实力较强的企业或研究机构。同时，我国的CAE技术的一个薄弱环节就是计算机分析软件的开发水平，这就严重地制约了我国CAE技术的发展。计算机软件属于高科技术的商品，目前这些已为美国等发达国家所垄断。未来的CAE技术将向集成化、智能化、网络化的方向发展，这是其必然的发展趋势。板料成形数值模拟技术已经在汽车、日用五金品、国防、电子电器等领域得到了广泛地应用。国内外对板料成形的研究方法主要有数值模拟法、人工智能法、试验法、理论计算法等方式。其中有限元数值模拟方法在板料成形中得到广泛的运用。即是针对不同的工艺参数控制方式进行有限元数值模拟计算，然后对比成形的效果来确定成形工艺参数的优化。利用计算机的数值模拟技术,将板材成形的变参数技术应用于板材成形回弹的预测与控制。传统的板料加工基本都是靠着技术员的经验，缺少准确的定量计算分析，使得在探究冲压工艺参数对零件成形质量的影响时必须经过反反复复的调模试模或修正模具，其结果造成材料的浪费，提高了生产的成本和延长了生产的周期，对企业造成不可预知的经济损失，甚至包括失去市场的竞争力。目前国内外的主要工作集中在对圆锥、圆筒形件以及方盒形件等回转体拉深的研究，但对阶梯形圆筒件的拉深质量分析的探究比较少。1.3 板料冲压成形的缺陷分析 （1）起皱 在冲压加工过程中，金属材料受到外力的施加，在凸缘部分尤其是外缘部分产生复杂的应力应变状态，一旦材料的内应力超过了其板厚方向的失稳极限，金属板料在板厚方向就不能保持稳定的变形而产生失稳的现象，这种现象的产生就会引起金属板料的起皱。金属在冲压成形的过程中产生的起皱现象会影响到零件的质量效果。对于拉深件来说，起皱轻的部分会沿着金属变形的流动方向在侧壁的地方保留下来，然而起皱严重的部分就会致使材料的起皱程度过大而无法顺利进入到凸凹模的间隙当中，从而有可能导致金属板料拉裂现象的产生。这样就会导致冲压模具的加剧磨损，减少模具的使用寿命。在采用Dynafrom软件对金属板料进行计算时，可以通过软件后处理的成形极限图和厚度分布云图的增厚率来预测和判断在所给定的冲压加工工艺参数的条件下冲压零件可能会引起的起皱情况。并可以以此作为依据，通过修改板料毛坯的尺寸、形状，压边力大小、冲压速度等冲压工艺参数和模具的结构参数的方法来消除起皱的现象。 （2）破裂 金属板料在成形的过程中，随着变形程度的变化，其承载面积则不断减少，当冲压力过大，就会在承载能力最弱的位置产生细颈，继而发生板料的破裂现象。在拉深件中，由于拉深力过大而导致凸模圆角危险断面处易被拉断的情况，我们称之为拉裂；而对于在产生严重起皱的拉伸件凸缘部分则会发生皱裂的现象。在拉深的过程中，破裂就会直接导致工零件的报废。因此我么在制定冲压工艺、设计模具结构时就要充分地考虑到如何在金属板料最大变形程度的情况下，能够避免工件出现起皱和破裂的现象，使得冲压成形能够顺利进行。在利用Dynafrom软件进行板料成形数值模拟时，我们可以通过软件的成形极限图和材料厚度减薄率的方式来观察和预测冲压零件的破裂情况，从而了解在冲压成形中金属板料成形的流动状况和工件的应力应变大小及分布的变化情况。以此为我们判断所给定的冲压工艺参数是否符合生产实际要求和是否发生破裂缺陷的现象提供了重要依据和帮助作用。（3）回弹 板料在冲压成形过程结束之后，当施加板料的外力载荷逐步卸载时，储存在板料内部的弹性势能就会释放出来，使得冲压零件的形状和尺寸沿着与加载方向的相反方向变化，引起应力的重组，进而导致工件的外形尺寸发生变化的现象被称为回弹。产生回弹的原因主要有两个：因为当板料内外边缘表面纤维进入塑性变形状态时，而冲压板料中心仍然处于弹性状态，这时当凸模上升去除外载荷之后，金属板料产生回弹的现象。因为金属冲压板料在进行塑性变形时总伴随着弹性变形的消失，所以金属板料在冲压成形的过程中，特别是在弯曲成形时，即使内外层纤维完全进入塑性变形的状态，当凸模上升卸载后，弹性变形消失了，也会出现回弹的现象3。板料的回弹缺陷是在冲压成形的过程中不可避免的现象，其会对冲压成形的零件精度造成影响，进而给修模调摸增加了成本，加大了生产的工作时间，这对生产效益的提高起到了阻碍作用。常见的控制回弹方式基本有两种，其一就是改变冲压加工的工艺条件，如毛坯尺寸、摩擦润滑条件、压边力大小及分布等；其二就是修模或修正生产的工序。目前可以通过Dynafrom软件的数值计算模拟，可以对金属板料的成形过程进行演示模拟，以此观察和预测回弹的产生，从而有效地控制回弹1.4 本课题的研究的内容从现有的文献资料来看，国内外主要对弯曲零件的回弹变化规律研究得比较深入，而对阶梯形圆筒件的回弹研究比较少。因此本课题主要探究零件在切边前后的回弹量变化规律，找出影响回弹的因素。利用计算机数值模拟软件Dynafrom对阶梯形圆筒件在切边前后条件下进行数值回弹模拟仿真，分析零件回弹量的影响因素，根据回弹数值的变化规律，进而有效地减小回弹量，为同类的零件分析及模具设计提供一定的理论依据。本课题具体的研究内容如下：（1） 了解国内外有关阶梯形圆筒件板料成形过程中的研究现状，熟悉研究的各种方法，学习板料成形过程的基本原理和弹塑性体的有限元分析理论。（2） 对板料数值模拟软件进行大体介绍，并知道其功能模块的使用，知悉回弹分析的数值模拟操作步骤，为后文的零件回弹分析打下基础。（3） 根据零件结构形状特点，建立有限元模型并确定零件的回弹分析方案，明确零件分析的位置。（4） 依据设定的回弹分析方案，利用数值模拟软件对零件进行回弹过程的数值仿真模拟，获取零件回弹前后的回弹量数值，分析零件回弹量的影响因素，确定切边前后对零件回弹的影响情况。（5） 通过回弹模拟分析的结果，明确切边前后零件回弹量的变化规律，从而确定合理的回弹工方案，获得零件的切边对回弹量的影响情况，进而提出控制回弹量的措施，改善零件成形的回弹量。2 冲压变形中塑形变形的基本规律(1)加工硬化规律一般而言，金属在冲压加工的过程中，会产生塑形变形，而在金属塑形变形的过程中，金属内部的组织机构发生了变化，因而金属的成形性能也会跟着发生相应地变化。这是金属在塑性变形中体现的一个重要特征，也是强化金属性能的重要方法，对改善金属板料成形的性能有积极的作用。而在金属板料成形产生塑形变形的过程中，金属的性能发生了如下的变化：金属的机械性能随变形的程度而增大，体现在金属的强度和硬度不断地增加，而金属的韧性和塑形则逐渐减小。金属的晶粒沿着变形方向形成纤维组织，使得材料产生各向异性。在塑形变形的过程中，会在金属材料的内部产生残余内应力保留在材料内部。(2)卸载回弹金属在受到外力加载而进入塑形变形后，如果此时再卸载外力，塑形变形被保留了下来，而弹性变形却完全恢复，我们把这种现象称之为卸载回弹或弹复4。(3)最小阻力定律 在冲压加工时，板料在变形过程中总是沿着阻力小的方向发展，这就是塑性变形中的最小阻力定律5。板料金属在产生塑性变形的过程中，其整体的稳定性发生破坏，冲压板料金属质点被强制流动，有往不同方向流动的可能时，而它就会向流动阻力最小的方向移动。最小阻力定律向我们解释了板料金属在产生塑性变形的过程中流动的趋势，可以通过控制金属流动的方向来改变金属材料变形的趋向。金属流动的方向是受材料本身的属性和所处的应力应变状态影响的，而应力应变状态则与冲压相关的工艺参数（如冲压工艺的性质、模具结构的参数设计、冲压的速度、压边力的大小及分布等）有关，这对我们通过控制冲压的相关工艺参数来指导金属板料的冲压生产提供了重要的作用。3 板料成形软件的综述目前，CAE板料冲压成形技术已经达到了相当高的水平，在许多领域和行业得到了广泛地应用。而且这些技术在一些发达国家进入了实用化、工业化、商品化阶段。特别地，国外研发出的这几款软件是比较成功的，如DYNAFROM、DEFORM、AUTOFORM、ANSYS等。AUTOFORM软件是瑞士研发与全球市场中心和德国工业应用与技术支持中心联合开发的用于板料成形模拟的专用软件6。其主要应用于复杂的板料拉深成形数值模拟设计以及成形方案参数的改良优化、材料消耗的最小化评估。而DEFORM则是针对复杂金属成形过程的三维金属流动分析的功能强大的过程模拟分析软件。其适用于冷热变形的分析、材料温度流动的过程、板料缺陷的产生、模具应力的分析等7。ANSYS公司开发的ANSYS软件是集材料结构、流体运动、电磁场分布、和耦合场分析于一体的功能强大的通用型有限元分析软件。它包含了分析金属板料成形所需要的与CAD软件的接口，实现数据的转换和共享。而对于由美国ETA公司和LSTC公司联合开发的DYNAFROM 软件则是基于金属板料成形数值模拟仿真的专业软件。它集合了LS-DYNA求解器和ETA/Dynafrom软件前、后置处理器的三大功能模块。作为专业的板料成形分析软件，Dynafrom不但具有良好的实用性，而且包含了许多功能强大的、智能化分析工具，在许多的板料成形分析问题上都得到方便而快速地解决 。Dynafrom的求解器之采用世界上最著名的通用显式动力分析程序技术，通过这项技术可以帮助我们模拟现实世界里许多难以解决的诸如爆炸、物体高速碰撞、金属板料成形过程等非线性动力冲击问题，并被广泛地应用于许多的工业领域。在板料成形的过程中总会产生各种不同的质量缺陷问题，而这些问题对零件的尺寸精度、表面质量要求、机械性能使用等产生严重地影响。所以这就要求我们对金属板料成形过程进行有效地预测和分析，从而能够更大程度地减少模具调试的时间，降低生产的成本，评估板料成形性能、为模具的设计提供参考和优化。在这一方面Dynafrom为我们提供了很大的技术帮助。Dynafrom软件能够帮助我们模拟板料成形过程中的各种工艺条件，可以预测成形中出现的起皱、破裂、回弹等缺陷问题，为产品的设计提供可行性分析，从而避免了板料冲压材料的浪费和调模的时间的加大，在一定程度上为企业节约了更多的成本和提高了生产效益8。Dynafrom软件有三部分构成：前置处理模块、求解器分析计算模块和后置处理模块。在前置处理中，通过对曲面造型的命名编辑、单元网格划分及检查、工艺参数定义等完成板料冲压的设置之后，将设置的分析计算参数提交求解计算器进行求解。然后在后置处理器中打开求解器计算完成的文件，通过成形极限图可以观察零件的成形全过程，了解材料应力应变的信息，在厚度分布云图中可以知道零件的厚薄变化情况，从而预测板料成形的缺陷，为优化工艺方案提供了可能。在本次对阶梯形件的分析中，采用Dynafrom软件进行回弹数值模拟，通过分析的结果来了解零件切边前后的回弹量变化情况。4 回弹数值模拟的方案4.1 引言在金属板料的成形过程中，对于一些形状相对复杂的零件来说，回弹现象是成形的主要问题。当回弹量超过了允许要求的差值后，其就会成为成形件的质量缺陷了，严重地影响了阶梯形件的尺寸精度和性能要求。因此回弹一直是制约薄板壳类零件成形质量的重要因素。本文要分析的阶梯形件是一个外形相对复杂、拉深深度较高、变形程度较大的板料成形零件（如图1所示）。这种零件的拉深过程与圆筒件的拉深基本相似，其每一的阶梯的成形就等同于对应的圆筒件的拉深，因此在各变形区的应力应变的情况基本和圆筒件的相同。但由于在该件的的腹部有个突起的部分，所以在拉深成形的过程中，在该部位的受力变形情况、金属材料的流动规律是较复杂的，比较容易发生回弹量过大的现象。图1 阶梯形圆筒件的结构示意图图2 阶梯形圆筒件相关尺寸图 如图2所示为阶梯形圆筒件的结构尺寸图。此次回弹模拟的毛坯板料使用的是st16拉深钢，材料厚度是1.0mm，板坯的直径为280mm。拉深的凸凹模间隙取板料厚度的1.1倍，即是1.1mm的拉深间隙。根据相关文献资料查找表格，采用的是0.125的摩擦系数。依据采用压边圈的条件：（t/D）1001 ，m0.8式中：t表示板坯料的厚度尺寸，mm；D表示板坯料的直径尺寸，mm；m表示拉深系数。显然建立的曲面模型代入相关的数值计算，得出是满足上面使用压边圈的条件的。因此在阶梯形件进行拉深的过程中要采用压边圈进行压边。此次回弹数值模拟的阶梯形圆筒件是在完成拉深成形后进行的。该零件是在压边力为20000N，虚拟冲压速度为3500mm/s，冲压间隙为1.1mm的拉深工艺条件下拉深成形的。经过反复的拉深数值模拟，该零件基本没有出现起皱和破裂的现象。所以可以对其进行回弹数值的模拟，分析零件的回弹变形情况，从而能够有效地控制零件的回弹，为解决此类的零件回弹问题提供参考依据。4.2 零件剖切位置的选取 为了能够更好地说明阶梯形件的回弹变化情况，本文需要选取变形程度较大的部位进行剖切截面分析。本文采取切边前后各选取两个相同截面截取剖切线进行回弹分析。图3所示为阶梯形圆筒件切边前截面选取部位示意图。图3中A-A截面为零件切边前的一条剖切线，B-B截面为零件切边前的另一条剖切线。图4 所示为阶梯形圆筒件切边后截面的选取示意图。图4 中的A-A截面为零件切边后的一条剖切线，B-B截面为零件切边后的另一条剖切线。后文将对这些截面剖切线的每一变形几何元素部分进行分段分析，期具体回弹分析将在后文中详细介绍。通过对回弹数据的采集和比较，并分析其中的原因，以期能够从中得到有意义的规律和结果。图3 零件切边前截面选取示意图图4 零件切边后截面选取示意图4.3 板料回弹分析的步骤 曲面造型。 根据课题要求，在CAD软件（如UG、Pro/E、Solidwork）中建立起阶梯形件及对应模具、压边圈的曲面模型。并将它们保存为IGES格式文件。 导入模型。 将上步建立的曲面造型以IGES的格式要求导入Dynaform软件中。编辑并修改各零件层的名称。 单元网格划分。 利用软件Preprocess功能模块中的Element Surface Mash对毛坯、工模具零件进行单元网格划分，并利用软件提供的网格检查修补功能对单元网格进行检查且予以修补（包含法线方向、网格缺陷，网格节点等）。 定义属性。 在软件里选择Setup/Autosetup命令中的Sheet forming，定义板坯的材料及相关力学性能属性。设定工模具的相关工艺参数（如摩擦系数、载荷压力曲线、运动曲线等）。 自动定位。 对板坯、凹模、凸模、压边圈在开模时的相对位置进行自动初始定位设置，选择自动定位的参考基准工具以及确立工模具相对于参考基准工具沿着拉深方向移动的距离。 提交计算。 进行回弹分析的设置，提交LS-DYNA求解器计算。 后处理分析。 将前处理模块中提交计算的结果数据导入Dynaform的后处理程序中进行动态模拟演示，利用截面剖切方式获取截面线，并予以分析回弹的情况。分析结果。 对回弹的模拟结果分析评估，探究影响阶梯形件零件回弹的因素，并对结果数据的文件输出、整理。5 截面A-A的回弹数据分析5.1 切边前回弹数据分析 模拟计算结果完成之后，在板料分析软件Dynaform 的后处理器中, 打开模拟计算结果的d3plot文件，由于本次的回弹计算运用的是单步回隐式算法，因此在随后打开的文件中只是回弹前和回弹后的两帧数据。为了能够更清楚地观察和分析零件的回弹变化情况，要沿着图截面线上的每一个不同几何元素进行分段，本节数据分析的零件共截取a-v段，如图5所示。后文对零件的回弹数值分析也是采取这样的方式逐段的分析数据。 图6为该阶梯形圆筒件切边前的A-A截面线细节图。图中深色的部分为零件回弹前的轮廓，浅色部分为零件回弹后的轮廓。图中的a段为阶梯形件的外缘压边圈部分，有向下回弹的现象，从左至右回弹量逐渐收敛，回弹的最大回弹量为0.285mm。而b段的凹模圆角变形区，回弹的方向是向外的，往模底的方向回弹量减小，最大回弹为0.058mm。在c段部位，回弹量基本变化不大，回弹呈现向内的现象，最大回弹量为0.016mm。在d段变形区域，回弹的方向是向内的，回弹量基本没有发生改变了，最大回弹量为0.023mm。同样地，在阶梯形零件的e段，回弹量也是呈现较小变化的现象，回弹是向内的，最大回弹量的地方为0.037mm。f段部位的零件回弹量呈现较小的增大，回弹方向是向内的，最大回弹量为0.068mm。在g段区域，零件回弹方向向内，最大回弹量为0.078mm。在h段零件的回弹量先是增大然后减小，回弹是朝内的，最大回弹量为0.113mm。在i段的变形区，回弹呈现向内现象，最大回弹量为0.053mm。阶梯形件的j段的回弹方向为向内，中间有向上凹的倾向，回弹量先增大后减小，最大回弹量为0.074mm。在k圆角变形段，回弹向内，最大回弹量为0.080mm。在l段部位，回弹呈现向内的现象，从左至右回弹有减小的趋势，最大回弹量为0.090mm。在m段圆角变形区，回弹呈现向内现象，回弹量基本没有变化，最大回弹量为0.061mm。在n段侧壁，零件回弹方向是向内的，最大回弹量为0.054mm。在o段凹模圆角变形区，回弹方向是向内的，最大回弹量为0.056mm。在p段区，回弹呈现向内的现象，从下至上回弹量逐渐收敛，最大回弹量为0.056mm。在q段零件侧壁，回弹量先是增大后减小，回弹方向是向内的，最大回弹量为0.073mm。在r段凹模圆角区，回弹量基本不发生改变，回弹方向是向内的，最大回弹量为0.054mm。在s段凸模圆角区，回弹方向向内，最大回弹量为0.053mm。在t段，回弹方向先向内后向外，回弹量变化很小，最大回弹量为0.042mm。在u段，回弹呈现向外现象，从左至右回弹量逐渐变大，最大回弹量为0.086mm。在零件的外缘压边区v段，回弹方向是向下的，最大的回弹量在最外侧为0.272mm。图5 阶梯形圆筒件切边前A-A截面线 （a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h） （i） （j） (k) (l) (m) (n) (o) (p) (q) (r) (s) (t) (u) (v) 图6 阶梯形圆筒件切边前A-A截面线细节图5.2 切边后回弹数据分析 为了能够更清楚地观察和分析零件的回弹变化情况，同时也为了能够与切边前该零件各段一致，所以对该零件的截面线分c-t段，如图7所示为该零件切边后截面A-A的截面线图。图8为该阶梯形圆筒件切边后的A-A截面细节图。图中深色的部分为零件回弹前的轮廓，浅色部分为零件回弹后的轮廓。在零件的左侧壁c段，回弹呈现向外的方向，回弹量基本不发生多大的变化，最大回弹量为0.212mm。在d段圆角区，回弹方向出现向外的现象，从左至右回弹量是微小的增大的，最大的回弹量为0.229mm。对于e段，回弹量是先微小地增大然后微小地减小，回弹方向是向外的，最大回弹量为0.235mm。在f段，回弹方向朝外，沿着底部的方向，回弹量是呈现减小的趋势，最大回弹量为0.228mm。对于g段，回弹方向向外，回弹量基本无变化，最大回弹量为0.180mm。在h段，随着零件的变形，回弹方向向外，回弹量发生较大的增大，在靠近零件底部的地方，回弹量最大为0.216mm。对于靠近底部的圆角变形区i段，回弹向外，回弹量变化小，回弹量最大为0.216mm。在零件的底部区域j段，回弹方向出现由向外转内的现象，回弹量先是减小至零然后继续向另一个回弹方向增大，最大的回弹量在最右侧为0.232mm。对于k段部位，回弹量从左至右明显有减小的趋势，回弹方向向内，回弹量最大在最左侧为0.232mm。在l段，回弹方向向内，远离底部的方向回弹量是增大的，增大至最大回弹量为0.236mm。对于m段的变形区，回弹方向是朝内的，沿着向上的方向回弹量有微小地减小，最大回弹量为0.236mm。在n段，回弹方向向内，最大回弹量为0.225mm。在o段区，回弹方向向内，回弹量基本无变化，最大回弹量为0.22mm。对于p段回弹有向内的现象，回弹量变化很小，最大回弹量为0.217mm。在q段变形区，回弹方向为内，回弹量有明显的变化，在向上的方向回弹量是减小的，最大的回弹量为0.206mm。在r段的部位，回弹方向向内，回弹量基本无变化，最大回弹量为0.170mm。同样地，对于s段，回弹方向为内，回弹量变化微小，最大回弹量为0.170mm。在零件的最右侧壁t段，回弹方向向内，最大回弹量为0.169mm。图7 阶梯形圆筒件件切边后截面A-A的截面线 (c) (d) (e) (f) (g) (h) ( i ) (j) (k) (l) (m) (n) (o) (p) (q) (r) (s) (t)图8 该阶梯形圆筒件切边后的A-A截面细节图5.3 回弹分析及小结 由上节对零件截面线A-A各段的数据回弹分析，可以得出零件切边前后回弹方向的对比，如表1所示。由此表1可知，该零件在A-A截面处的回弹情况是比较复杂的，由于各部位的应力应变状态各不相同的，且切边线附近的应力应变较大，所以导致零件切边后在靠近外缘的部位附近的回弹方向发生了不一致的变化。表1 A-A截面切边前后回弹方向对照表 特征位置切边前切边后A外B外C外向内外D内外E内外F内外G内外向内H内内I内内J内内K内内L内内M内内N内内O内内P内内Q内内R内内S内外T内向外外U外V外由前面对截面线A-A的各段进行最大回弹量的分析所得数据汇总成表格，如表2所示。此处选取最大回弹量分析，是由于该零件产生回弹量大的部位，所受到的应力应变是最大的，对该零件的回弹影响也是最大的，因此有必要对其最大回弹量分析。根据表2的数据，得到如图9所示的截面线A-A各段切边前后最大回弹量情况对比图。通过图9可知，切边后零件截面线各段的最大回弹量整体地比切边前的大，由此可知，切边回弹对零件的回弹会造成一定的影响。切边前最小的最大回弹量为0.016mm，切边后最大的的最大回弹量为0.236mm。切边前后最大回弹量的最大差值为0.220mm。切边前零件的外缘部分回弹量非常大，主要是其受到的应力很大所致。结合零件的结构特点分析，在该零件的不同部位上产生的回弹变化量不同，变形的程度越大，则所产生的回弹越明显。在零件的凸缘部分，材料的回弹变形量都是最大的，此处受到材料的径向拉应力和切向压应力，所以一旦卸载外力之后，凸缘处的应力应变没有外力的平衡而使零件发生向外回弹的现象。而零件的切边后导致了零件的结构形状发生了变化，内应力应变出现了重新分布，所以在靠近外缘切边线的附近，回弹量的变形是非常明显的。而对于凹凸模圆角的变形区，此处会收到径向、切向、厚向的三重应力作用，材料应力相对集中明显，材料有收敛的现象，因此基本回弹是向内的。总之，截面A-A的零件在切边前后的回弹情况基本是一致的。切边后的零件回弹量总体比切边前的大。表2 截面线A-A各段切边前后最大回弹量统计切边前/mm切边后/mm回弹变化量/mma0.2850b0.0580c0.0160.2120.196d0.0230.2290.206e0.0370.2350.198f0.0680.2280.16g0.0780.180.102h0.1130.2160.103i0.0530.2160.163j0.0740.2320.158k0.080.2320.152l0.090.2360.146m0.0610.2360.175n0.0540.2250.171o0.0560.220.164p0.0560.2170.161q0.0730.2060.133r0.0540.170.116s0.0530.170.117t0.0420.1690.127u0.0860v0.2720图9 截面线A-A各段切边前后最大回弹量情况对比图6 截面B-B的回弹数据分析6.1 切边前数据分析 对零件的截面线分a-y段，如图10所示为该零件切边前截面B-B的截面线图。图11为该阶梯形圆筒件切边前的B-B截面细节图。图中深色的部分为零件回弹前的轮廓，浅色部分为零件回弹后的轮廓。在零件的外缘压边区a段，回弹呈现向下的现象，从左至右回弹逐渐减小，发生最大回弹的地方为最外侧，其回弹为0.196mm。在b段的凹模圆角区，零件回弹方向是向外的，回弹量变化幅度小，在靠近法兰的地方发生较大的回弹，最大的回弹量为0.084mm。在c段侧壁，零件回弹方向由外向内变化，回弹量先向外减小至零然后向内增大，最大的回弹量为0.033mm。在d段部位，从左至右回弹量逐渐增大，回弹是向内的，最大回弹量发生在靠近底部的部位，其值为0.034mm。在e段凹模区，回弹方向向内，回弹量发生较小的变化，最大回弹量为0.045mm。对于f段的侧壁，回弹方向向内，回弹量基本没有变化，最大回弹量为0.047mm。凸模圆角g段，回弹方向为内，回弹量发生不明显的增大，最大回弹量为0.058mm。在h段，回弹方向向内，最大回弹量为0.058mm。在左侧壁i段，回弹呈现向内的现象，最大回弹量为0.051mm。在凸模圆角变形区j段，回弹量基本不发生变化，最大回弹量为0.051mm。对于斜侧壁k段，回弹方向向内，从左至右，回弹逐渐增大，接近底部的地方回弹很大，最大回弹量为0.056mm。在l段，从左至右回弹是减小的，回弹方向为内，最大回弹量在最左侧，为0.056mm。对于阶梯形圆筒件的底部m段，回弹方向向内，往右的方向回弹量增大，最大回弹量为0.053mm。在凸模圆角n段，回弹向内，从左至右回弹量增大，最大回弹量为0.071mm。对于o段，回弹方向向内，回弹量基本无变化，最大回弹量为0.078mm。在p段，回弹方向向内，回弹量从下至上先是增大后减小，最大回弹量为0.085mm。在q段，回弹方向向内，回弹量先是增大后减小，最大回弹量为0.086mm。对于凹模r段，回弹呈现向内的现象，最大回弹发生在远离底部的方向，最大回弹量为0.082mm。在s段回弹的方向也是向内的，回弹有逐渐收敛的趋势，最大回弹量为0.082mm。对于t段，此侧壁的回弹是向内的，最大回弹量为0.084mm。在u段凹模变形区，从下至上回弹是变小的，呈现向内回弹的现象，最大回弹量为0.084mm。对于v段，回弹方向向内，最大回弹量为0.076mm。在w段的右侧壁，回弹是向内的方向的，从下至上有减小的趋势，最大回弹量在最下侧为0.054mm。在凹模的变形区x段，从左至右回弹量是增大的，回弹方向是向外的，最大回弹量在靠近外缘的地方为0.045mm。在y段的右侧外缘区，从左至右回弹逐渐增大，回弹方向向下，最大回弹量在最右侧为0.182mm。 图10 阶梯形圆筒件件切边前截面B-B的截面线 （a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h） （i） （j） （k） （l） （m） （n） （o） (p) (q) (r) (s) (t) (u) (v) (w) (x) (y) 图11 阶梯形圆筒件切边前的B-B截面细节图6.2 切边后数据分析 为了更加清楚地对切边后的零件回弹分析并与切边前的各段回弹分析情况保持一致，对该零件的截面线B-B分c-w段，如图12所示为该零件切边后截面B-B的截面线图。图13为该阶梯形圆筒件切边后的B-B截面细节图。图中深色的部分为零件回弹前的轮廓，浅色部分为零件回弹后的轮廓。在该零件的c段，回弹方向为内，回弹量基本保持不变，最大回弹量为0.053mm。对于d段，回弹呈现向内的现象，回弹量变化很小，最大回弹量在中间地方为0.060mm。在e段，零件回弹方向向内，从左至右回弹量呈现较小地增大，最大回弹量为0.054mm。在f段部位，回弹方向是向内，从上至下回弹量呈现减小的趋势，最大回弹量在最上侧位0.071mm。在g段，回弹呈现向内的方向，回弹量基本不发生较大的变化，最大的回弹量为0.042mm。对于h段的位置，回弹量从上至下是减小的，回弹方向是向内的，最大回弹量为0.036mm。在i段，回弹方向发生了改变，呈现向外的现象，回弹量往底部方向是增大的，最大回弹量为0.034mm。对于j段，回弹方向是向外的，回弹量不发生较大改变，最大回弹量为0.036mm。在k段区域，回弹方向外，回弹量呈现较小地增大，最大的回弹量在尾端为0.063mm。l段变形区，回弹变形变化较小，回弹方向向外，最大回弹量在靠近底部的位置为0.081mm。对于零件的底部m段，零件的回弹方向是多变的，先是向外然后向内，最后方向为外，回弹量先是减小至零，然后再增大，最大回弹量为0.081mm。在n段，回弹方向变成向内，从左至右回弹量有微小的增大，最大回弹量发生在最右侧为0.084mm。在o段，回弹方向向内，回弹变形量大，最大回弹量为0.128mm。对于p段，回弹呈现向内的方向，回弹量发生较小的变化，最大回弹量为0.133mm。在q段变形区，回弹量变化小，方向向内，最大回弹量为0.138mm。对于r段的部位，回弹方向向内，回弹量远离底部方向有增大的趋势，最大回弹量为0.149mm。在s段，回弹量变化很小，但变形量大，回弹是向内的，最大回弹量为0.151mm。在t段的变形区，回弹是向内的，当回弹量发生显著地变化，从下至上的方向回弹量是明显增大的，最大回弹量为0.207mm。在u段，回弹方向向内，回弹量保持不变，最大回弹量为0.199mm。在凹模圆角变形区v段，回弹方向向内，最大回弹量为0.209mm。最后在零件的端口w段，零件的变形量很大，回弹方向向内，最大回弹量为0.209mm。图12零件切边后截面B-B的截面线图 (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) (l) (m) (n) (o) (p) (q) (r) (s) (t) (u) (v)(w)图13该阶梯形圆筒件切边后的B-B截面细节图6.3 回弹分析及小结根据前文对零件切边前后的数据回弹分析，将零件的回弹方向情况汇成如表3所示。对比截面A-A的回弹数据分析情况，截面B-B的回弹结果呈现不同的地方。零件切边前后在截面B-B产生的回弹是不一致，在g-k段零件切边后的回弹方向与切边前相同的区段是不一致的，主要是由于切边造成其回弹方向发生改变。 通过前述对截面线B-B的各段进行最大回弹量的分析，并将所得数据汇总成表格，如表4所示。根据表4的回弹量数据，得到如图14所示的截面线B-B各段切边前后最大回弹量情况对比图。通过图14可知，除了外缘部分，切边后零件截面线各段的最大回弹量平均地比切边前的大,而且最大回弹量的变化幅度大，由此可知切边对零件的回弹量会造成很大的影响。切边前最小的最大回弹量为0.033mm，切边后最大的的最大回弹量为0.209mm。切边前后最大回弹量的最大差值为0.176mm。切边前零件的缘凸缘部分，由于在拉深过程中受到多重的应力作用，材料沿着应力应变的方向发生变形，回弹方向向外，回弹量小。然而零件切边之后，导致零件的结构形状变化，内部的应力应变发生重新分布，零件的回弹量变大。切边前零件侧壁部分在拉深中受到拉应力，致使材料向内收敛，回弹方向向内。切边后零件侧壁受到的主要拉应力失去平衡，致使材料向两边张开，导致其向内回弹。而对于凸凹模的圆角变形区，一般都会受到径向拉应力、切向压应力和凸凹模圆角的反作用力及弯曲变形成形的厚向压应力，材料应力集中，无论切边前后回弹是向内收敛方向的。总体而言，零件切边前的回弹量比切边后的相对小些。表3 B-B截面切边前后回弹方向对照表特征位置切边前切边后a外b外c外向内内d内内e内内f内内向外g内外h内外i内外j内外k内外向内l内内m内内n内内o内内p内内q内内r内内s内内t内内u内内v内内w内向外内x外y外表4 截面线B-B各段切边前后最大回弹量统计特征位置切边前/mm切边后/mm回弹变化量/mmA0.1960B0.0840C0.0330.0530.02D0.0340.060.026E0.0450.0540.009F0.0470.0710.024G0.0580.042-0.016H0.0580.036-0.022I0.0510.034-0.017J0.0510.036-0.015K0.0560.0630.007L0.0560.0810.025M0.0530.0810.028N0.0710.0840.013O0.0780.1280.05P0.0850.1330.048Q0.0860.1380.052R0.0820.1490.067S0.0820.1510.069T0.0840.2070.123U0.0840.1990.115V0.0760.2090.133W0.0540.2090.155X0.0450Y0.1820图14 截面线B-B各段切边前后最大回弹量情况对比图7 特征尺寸的分析如图15所示，选取零件上几组特征尺寸L1、L2、R1、R2进行回弹前后的尺寸对比，并分析回弹的变化情况。在经过回弹数值的模拟之后，可得到这些特征尺寸回弹前后的数值大小。如表3所示为阶梯形圆筒件切边前主要特征的尺寸，表4为阶梯形圆筒件切边后主要特征的尺寸。经过这两张图表的数据分析，可知切边前回弹变化量较小，切边后则较大些，最大的回弹变化量没有超过允许的1mm，且变化率控制在3%以内，回弹控制在有效的范围内。切边前后R1和R2回弹变化情况相同，零件回弹后尺寸一致减小，即向内收缩。切边前L1和L2在两个不同截面处回弹呈现一致回弹的趋势，但切边后引起的应力重布使其发生改变。图15 零件特征尺寸的选取表3 阶梯形圆筒件切边前主要特征尺寸比较项目主要特征尺寸截面A-A截面B-B回弹前/mmL1141.033141.005L2132.806132.918R12.6141.859R21.8572.422回弹后/mmL1140.998140.972L2132.887133.038R12.6121.847R21.8312.379回弹变化量/mmL1-0.035-0.033L20.0810.12R1-0.002-0.012R2-0.026-0.043回弹变化率/%L10.02480.0234L20.06090.0902R10.07650.6455R21.40011.7753表4 阶梯形圆筒件切边后主要特征尺寸比较项目主要特征尺寸截面A-A截面B-B回弹前/mmL1141.024140.723L2132.981132.765R12.8251.841R21.8732.426回弹后/mmL1140.973140.979L2132.907133.017R12.8221.82R21.8392.377回弹变化量/mmL1-0.0510.256L2-0.0740.252R1-0.003-0.021R2-0.034-0.049回弹变化率/%L10.03610.1819L20.05560.1898R10.10621.1407R21.81532.01988 总论 本文通过Dynafrom软件对阶梯形圆筒件的回弹进行数值模拟分析，能够对我们的实际生产节约生产成本，提高生产效率，缩短调模试模的时间和对产品的参数优化产生重要的作用。经过此次的回弹数值模拟分析，可知阶梯形圆筒件的变形情况和圆筒形件的变形状况是相似的，阶梯形件的每一个阶梯对应于每一次的圆筒件的拉深。零件的切边对其回弹是有影响的，切边前的回弹量比切边后的回弹量整体的要小