板料冲压拉深理论.doc

本科生毕业设计（论文）目 录第一章 前 言11.1 引言11.2 国内外研究现状11.2.1 国外板料成形及模具数值模拟研究状况11.2.2 国内板料成形及模具数值模拟研究状况31.3 板料冲压仿真发展概况41.3.1 国内应用现状51.3.2 发展趋势51.3.3 ANSYS/LS-DYNA介绍61.4 本课题的研究内容71.4.1 研究材质81.4.2 研究内容81.5 本课题的研究意义8第二章 板料冲压拉深理论分析92.1 板料的冲压成形性能92.1.1 成形极限92.1.2 成形质量102.2 板料力学性能与冲压成形性能的关系102.3 板料拉深成形接触力计算122.4 板料拉深的力学分析13第三章 板料冲压计算机仿真模型153.1 引言153.2 冲压成形有限元模型153.3 计算结果及分析173.3.1 同一冲压深度，不同时间分析173.3.2 同一冲压深度，不同部位分析22第四章 板料拉深计算机仿真模型234.1 概述234.1.1 仿真原理234.1.2 仿真步骤254.1.3 显式动力有限元分析主要流程254.2 求解与分析304.2.1 同一加载路径，不同时刻分析304.2.2 不同加载路径下分析比较354.3 凸凹模圆角半径对板料冲压成形的影响414.4 摩擦系数对板料冲压成形的影响444.5 小结48第五章 结论49参考文献50致 谢52第一章 前 言1.1 引言板料冲压是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。因多数情况下板料无须加热，故亦称冷冲压，又简称冷冲或冲压。常用的板材为低碳钢、不锈钢、铝、铜及其合金等，它们塑性高，变形抗力低，适合于冷冲压加工。板料冲压易实现机械化和自动化，生产效率高；冲压件尺寸精确，互换性好；表面光洁，无需机械加工；广泛用于汽车、电器、仪表和航空等制造业中。汽车工业生产中的冲压加工是一种少、无切削的加工方法，其先进性在于基本上无需传统的切削过程，就可以直接用板料冲出完整的零件。汽车零件中冲压件的比例一般为 45%-60%。以拉深、成形、辊形代替浇铸、锻打毛坯和切削加工，以冲孔代替钻孔，以冲切细缝代替铣切细缝，以整修模冲压法代替铣削和磨削，以冷挤压或立体冷冲压代替机床加工等。其结果可以大大减轻零件重量、减少材料消耗并减少劳动力，提高生产效率。此外，采用经济合理、加工性能好的钢板材料、润滑油、焊剂、表面涂料、表面处理材料以及工艺装备和设备、合理地利用原材料等，都是降低成本、提高生产效率的基本途径。而这些目标的实现，在很大程度上取决于对冲压生产中材料成形特性的深入理解。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外板料成形及模具数值模拟研究状况板料成形模拟技术的发展是建立在有限元技术发展基础之上的。50 年代中期，M.J.Turner 和 R.W.Clough 等人用简单受载铰接的平板三角形单元进行了飞机的结构分析，该工作被认为是有限元法的创始。Courant、Argyris、Turner、Clough 和 Zienkiewicz 的五组论文促成了有限元法的诞生，奠定了早期有限元法的理论基础。此后，有限元模拟技术得到了很大的发展，但只能处理弹性力学问题，其应用仅仅局限于结构计算和结构动力分析。直到 1959 年，R.Hill 开展了大变形的理论基础研究，弹塑性有限元法才被提出。但该方法真正在塑性加工领域开始应用则是在 1967 年，P.V.Marcal教授和 I.P.King 首次推导了弹塑性有限元格式，并用来求解弹塑性变形问题。1968 年，Y.Yamada (山田嘉昭)推导了小变形问题弹塑性矩阵的显式表示，大大推进了小变形弹塑性有限元法的发展和应用。以小变形理论为基础的弹塑性有限元法只适用于分析板料成形的初期阶段，随着变形量的增加会出现明显的误差。因此，人们又致力于发展大变形弹塑性有限元法。1970 年，Hibbit、Marcal 和 Rice 首次提出了基于有限变形理论的大位移、大应变弹塑性有限元法，采用全量拉格朗日(Lagrange)格式(Total Lagrange Formulation，T.L.格式)，并根据虚功率增率原理，导出了有限元列式。此后，McMeeking 和 Rice 在 1974 年建立了更新的拉格朗日格式(U.L.格式)的大变形弹塑性有限元法。1973 年，Oden、Bhandari、Yagewa 和 Chung 建立了热粘弹塑性大变形有限元方法。对于金属塑性成形而言，由于弹性变形远小于材料的塑性变形，因此在某些情况下可以忽略弹性变形。Kobayashi 和C.H.Lee 认真分析了这个问题，于 1973 年提出了刚塑性有限元法(rigid-plastic FEM)。至此，在经过上述学者的共同努力下，应用于大变形分析的弹塑性有限元理论系统已建立了起来。1977 年， N.M.Wang 提出了弹粘塑性有限元法 (Elastic-visousplastic FEM)，并用该方法模拟了平底圆凸模和半球凸模下的拉深过程。次年，N.M.Wang 和 Budiansky 用弹塑性大变形 T.L.格式分析了任意几何形状模具的冲压成形问题，标志着板料成形技术已逐步走向成熟。从 70 年代末，大变形弹塑性有限元法被逐步应用于板料成形分析。由于板料成形有限元数值模拟研究不断取得突破性进展，人们开始考虑把有限元方法应用于汽车覆盖件板料成形的分析之中。70 年代末，N.M.Wang建议 Ford 公司的 S.C.Tang 针对覆盖件板料成形的特点来研究其有限元仿真问题，首先研究“压边圈成形”问题。在 Wang 的建议下，Tang 利用弹塑性理论，在小应变、大转动和忽略板料横向剪切应力应变的假设下，首先研究了轿车行李厢盖(Trunk deck-lid)板料成形过程中的“压边圈成形”过程，并在1981 年首次完成了车身覆盖件之一行李厢盖板料成形的有限元仿真分析。接着，Tang 又完成了轿车前翼子板板料成形的有限元分析。随后，Tang 等人发表了一系列论文，系统地研究了用有限元方法分析覆盖件板料成形问题，有力地推动了有限元方法在覆盖件板料成形仿真分析中的应用。受S.C.Tang 和 N.M.Wang 的影响，此后许多学者如 Wagoner、Nakamachi 和Makinouchi 等人也开始研究有限元方法在覆盖件板料成形中的应用问题。美国通用汽车公司 F.J.Arlinghaus 等人采用弹塑性薄膜单元有限元程序对 CAMARO 车的门窗成形进行了分析。日本的 Nakamachi 基于弹塑性壳理论，对汽车车门和车尾箱底板的成形进行了模拟，并显示了成形过程中的起皱现象。从此，车身覆盖件板料成形有限元数值模拟研究在工业化国家全面展开了。80 年代末期，有限元的显式积分算法开始进入板料成形领域，并把理论研究逐步推向了实际应用。1990 年，韩国汉城大学的 Huh Hooh 等人用弹塑性大变形更新拉格朗日格式有限元法模拟了方形盒的成形过程。此外，H.B.Shim等人采用蜕化壳单元，用弹塑性有限元法模拟了胀形过程。D.Lee 应用弹塑性有限元方法，对轴对称问题进行了计算，预测材料在成形过程中破坏的可能性，以代替物理实验。Kamfillis 采用弹塑性有限元法，分析了板料成形中的回弹量。Nagai 采用广义的 Kirchhoff-Love 假设，提出了“等效曲率”的方法计算板料的弯曲变形。总之，成熟的有限元技术的发展为金属塑性成形分析，特别是为板料成形分析提供了不可或缺的条件。1.2.2 国内板料成形及模具数值模拟研究状况国内板料成形技术起步相对国外较晚。从 80 年代后期，国内的有关学者才开始金属塑性成形分析的研究。1987 年，上海交通大学的曾宪章对刚塑性有限元在金属塑性成形中的应用作了比较深入的研究，对杯-杯复合挤压及杯-杆型复合挤压时的金属变形规律作了详细的探讨，并在微机上完成了一个轴对称工件冷挤压工艺数值模拟。同年，华中理工大学肖景容等人推广了 Kirchhoff提出的刚塑性变形时外力边界与相对速度有关的广义变分原理，给出了刚塑性变分原理的新形式，对刚塑性有限元中的约束进行了分析，分析了对两种不同摩擦条件下的镦粗过程。1990 年，北京航空航天大学的熊火轮采用 ADINA 程序模拟了宽板的拉延，液压胀形以及汽车暖风罩的成形过程。由于 ADINA 程序主要是用于非线性结构计算分析，处理接触边界的能力有限，不能直接用来模拟板料成形过程，文中采用了一种“分步修正法”处理板料成形过程中的动态接触条件。1991 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，提出了弹性层的方法处理接触边界，并编制了程序对盒形零件和机油收集器的成形过程进行了分析。1995 年，吴勇国根据Kirchhoff 假设和 Hill 各向异性屈服理论，分别推导出厚向异性和各向异性板料的弹塑性本构模型，对显式积分、动力松弛以及接触摩擦问题进行了深入研究，并模拟了汽车覆盖件的拉延成形过程。哈尔滨工业大学的张凯峰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，并已得到工业应用。吉林工业大学的胡平领导的研究小组在前人工作的基础上，建立了可合理反映塑性变形导致材料模量软化，并能描述由正交法则向非正交法则光滑过渡的弹塑性有限变形的拟流动理论。并用这个理论模拟了圆板的胀形、圆筒件、盒形件、锥形件和红旗 488 轿车油底壳的拉深等过程，模拟了盒形件拉深过程中突缘的起皱，锥形件拉深过程中的侧壁起皱，并用空单元技术模拟了材料的破裂过程。1998 年，徐伟力采用静力隐式弹塑性有限元分析了方盒形件、矩形盒件、圆锥圆筒等典型拉深件，模拟出了成形过程中的起皱、突耳等缺陷，并对压料面进行了研究，并模拟了压边过程。湖南大学工程软件研究所的李光耀在国家自然科学基金的资助下，开展了板料板料成形过程的动力显式有限元分析程序的开发和研究。徐康聪等也在LS-DYNA3D 上对深拉延进行了分析，模拟了起皱。清华大学的研究人员开发了一种“修正自适应动力松弛方法”，可节省内存，减少计算量，改善收敛性，还可用来分析一般情况下板料成形中的起皱问题。上海交通大学汽车工程研究所近年来与一汽、上海大众、上海宝钢等单位合作，使用 Dynaform 完成了小红旗轿车、桑塔那系列轿车等若干覆盖件的板料成形仿真。成都飞机工业公司模具中心与吉林工业大学模具研究所合作用PAM-STAMP 对北汽福田的侧立柱等进行了模拟。一汽模具制造有限公司在对汽车左右翼子板进行模具设计的过程中利用 Optris 对其进行了分析，在此基础上一次试模成功。改革开放以来，我国冲压模拟仿真技术得到了突飞猛进的发展，经过国内诸多学者的不懈努力，由华中科技大学的柳玉起教授带领开发出具有自主知识产权的模拟仿真软件 FASTAMP，基本上满足工业需要。与此同时，学者们对前人研究的结果进行了总结和发展，如 KBE(Knowledge-based Engineering)技术的应用，多点成形技术的探讨与应用，变压边力技术的发展与应用，板料成形的模拟分析并行计算等先进技术。因此，从整体上来看，板料成形有限元模拟技术的发展大体上可分以下四个阶段：第一阶段：50 年代到 80 年代初。在此期间有限元方法、计算机软硬件水平、材料模型、单元模型还处于发展初期，这一阶段主要是建立有限元模型和一些简单的应用，包括计算平面问题和轴对称问题。这个阶段大多采用的是薄膜单元，还没应用到板料成形分析。第二阶段：80 年代初期和中期。板料成形在有限元分析基本上没有多大的发展，这段时间人们主要在材料模型方面进行了一些研究，相继出现了一些新的材料本构关系，比如基于细观力学的结晶塑性模型，速率敏感材料模型，刚-粘塑性模型，弹-粘塑性模型等。第三阶段：80 年代末期到 90 年代初。各国开始进行三维板料成形分析的研究，各种三维板壳单元被用于板料成形分析。第四阶段：90 年代以后。有限元显式积分算法也逐步进入了板料成形分析领域并显示了良好的发展前途。随着有限元技术的发展及计算机技术的不断进步，数值模拟技术在板料冲压模具制造中的应用变得非常成熟，把数值模拟技术应用于板料成形工艺设计，使试模时间减少 50%以上。数值模拟技术逐渐成为国外大型汽车和模具企业必不可少的工具。1.3 板料冲压仿真发展概况板料冲压仿真分析CAE是CAE大家族中应用非常广泛的一个分支，它包括塑性成形CAE、铸造成形CAE、塑料注射成形CAE等， 应用于工程实际，可以帮助确定毛坯几何形状尺寸，预测零件成形过程中的破裂、起皱及回弹等成形缺陷，还可以分析零件的冲压成形性能，对工艺方案和工艺参数进行优化等。 随着计算机技术的迅速发展和数值计算方法的改进，有限元法已成为能处理几乎所有连续介质和场问题的一种强有力的数值计算方法，它在金属塑性加工方面也得到了日益广泛的应用。在金属塑性成形工艺的数值模拟中，有限元法是应用最广泛的数值计算方法之一。利用有限元法分析塑性成形工艺，能够较好地处理模具形状、工件和模具之间的接触摩擦、材料的硬化效应、温度及各种工艺参数对成形过程的影响；可以获得变形体在成形过程中任意时刻的变形力学信息，包括应力场、应变场、位移场、速度矢量场、温度场等，为合理设计模具、制定塑性成形工艺等提供理论依据。塑性有限元分为两大类：一类为流动型塑性有限元（Flow Formulation），包括刚塑性有限元和刚粘塑性有限元。这类有限元法基于小应变的弹性变形，须考虑材料在塑性变形过程中体积不变条件。刚塑性有限元采用 Levy-Mises 方程为本构方程，满足体积不变条件，求解出单元节点的速度增量；刚粘塑性有限元则将塑性变形体看作非牛顿流体，适用于热成形工艺的模拟。另一类为固体型塑性有限元（Solid Formulation），包括弹塑性有限元和弹粘塑性有限元。这一类有限元在考虑塑性变形的同时也考虑了变形体的弹性变形。弹塑性有限元采用 Prandtl-Rauss 方程为本构方程，以节点的位移增量为未知量求解。另外，弹塑性有限元又分为小变形弹塑性有限元和大变形弹塑性有限元。1.3.1 国内应用现状 20世纪90年代，板料冲压仿真分析应用的重点逐渐转移到复杂型面覆盖件的工艺分析上，在这个时期，国际上出现了众多的商品化软件。 当前，板料成形仿真领域的研究集中在几个方面：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等各种因素对成形结果及成形性能的影响；通过引入知识工程等技术，进一步提高成形模拟精度及仿真计算效率；此外，随着对冲压产品的环保、高质、轻型化要求的提高，业界提出了“第二代虚拟冲压仿真”软件的概念。 我国关于板料冲压仿真技术的研究始于20世纪80年代后期，经过十几年的发展，取得了许多有价值的研究成果，相继开发了具有我国自主知识版权的板料冲压成形仿真软件，如吉林大学同拓金网格模具中心开发的KMAS软件、北京航空航天大学的Sheet Form、湖南大学的CADEM软件等。 纵观板料成形CAE技术在我国的研究、发展及应用情况，可以看出，在我国该项技术仍主要集中在各高校之中，缺少研究部门和工业部门之间的密切合作，这种情况大大限制了该项技术在我国的推广及应用。另外，大多数板料成形仿真软件在实际使用过程中，需要操作者具有一定的专业知识、理论水平、模拟技巧和经验，尤其对于复杂覆盖件的成形仿真，仿真结果的正确性对操作者的依赖性更强。这些特点使此类软件更多的是面向专业分析人员，而非广大的产品、工艺及模具设计人员，从而使其解决实际问题的能力受到了很大限制，也限制了该项技术在我国大多数中、小型企业中的广泛应用。 1.3.2 发展趋势 现代工业生产对冲压产品的“精、省、净”要求，以及先进冲压成形技术的形成和发展，为新一代冲压成形仿真技术提出了一系列新的要求，总的来看，该项技术的发展趋势包括： 进一步提高仿真精度和效率。重点突破残余应力计算及回弹预测的准确性；发展快速有限元仿真技术，实现“当天工程”、甚至“2小时工程”；同时，加强基础理论及相关的实验研究，以更好地解决复杂变形路径等基础性问题。 加强初始化设计环节的研究。初始方案作为计算分析的起点和方案修改的基础，至今仍靠有经验的技术人员来完成。迫切需要将知识库工程（KEB）、专家系统（ES）、人工智能（AI）、现代设计方法等与有限元仿真软件相结合，实现智能化初始方案的确定，减少对工艺专家的依赖。加强与基础试验的结合。材料性能参数、摩擦状态、起皱与破裂判据等数据都来自试验，其真实性、准确性是限制仿真分析精度和可靠性的重要因素之一。尤其对某些新材料，更需要依赖大量的基础试验建立和确定能精确描述其变形行为的本构模型。 提高成形分析的能力。主要是提高对复杂形状结构覆盖件的起皱、破裂、回弹的预测能力；提高对非比例及循环往复加载等复杂加载方式下材料变形的跟踪分析能力；不仅提高对拉深工序的成形仿真及回弹预测能力，而且提高相应翻边、切边等工序的回弹预测能力。 提高工艺条件的优化能力。借助神经网络、遗传算法、现代优化设计方法、敏感度分析等数学方法来实现对主要工艺参数的优化，对板材成形，尤其是复杂覆盖件的成形过程进行分析，并得到有关坯料几何形状、压边力、拉延筋布局及尺寸等的优化工艺条件，用于指导工艺条件的优化调整。1.3.3 ANSYS/LS-DYNA介绍ANSYS/LS-DYNA有限元软件动力显式算法进行圆筒件拉深分析。ANSYS程序是一种分析能力非常强大的大型通用有限元程序，目前该程序己得到广泛的应用，在机械、航空、土建、地质、水利、动力、核能等结构分析中发挥着巨大作用，受到国内外工程界和学术界的欢迎。它可用于结构力学问题、热力学问题、流体(CFD)问题、电场问题、磁场问题，以及以上学科的静态(或稳态)、瞬态、调谐、模态、谱、扰度、子结构分析及各问题的耦合。1996年LSTC公司和ANSYS公司合作，将ANSYS的功能进一步扩大，在以下领域也能广泛应用:金属成形(物料的滚压、挤压、挤拉、超塑成形和板料的拉深成形)、爆炸载荷对结构作用的动力响应分析、高速碰撞模拟、机械零部件碰撞的动力分析等。ANSYS/LS-DYNA程序是将显式积分非线性动力分析程序LS-DYNA与ANSYS程序的前处理PREP7和后处理POSTI和POST26连接成一体。这样既能充分运用LS-DYNA程序的强大的非线性动力功能，又能很好的利用ANSYS程序完善的前后处理功能来建立有限元模型与观察计算结构，它们之间的关系如图1-1所示。ANSYS前处理PREP7ANSYS/LS-DYNAANSYS后处理POST1,POST26Jobname.DBJobname.HISJobname.RSTJobname.K图1.1 ANSYS的LS-DYNA流程图由于三元模拟可以揭示金属成形过程中复杂的变形规律，已成为目前者的研究热点。它能预先进行有关成形过程的主要影响因素的优化工作，使可成形性与工艺设计问题在产品的设计阶段就能好的解决，大大减少反复试制、调整所带来的浪费。目前国际型的面向工程的有限元通用程序多达几百种，专门用于板料成元分析的软件有几十种，见表 1-1 所示。表1.1 板料成形有限元分析软件分类软件名称刚塑性静力隐式SHEET-3、MFP2D、 FORMSYS-SHEET、MFP3D、CASHE、 DEFORM等。弹塑性静力隐式 MTLFRM、 Dieka、 LAGAMINE、 CALEMBOUR、 ABAQUS、PLECHE、LS-NIKE3D、 AutoForm、 BEND1、INDEED、 PROFIL、 DEFORM、MARC等。静力显式ROBUST、 ITAS3D、 ITAS-2D等。动力显式LS-DYNA3D、 ABAQUS-Expict、 RADIOS、PAM-Stamp、Optris、 CES-3D、 DynaForm、 FAST-FORM3D、 MSC/Dytran等1.4 本课题的研究内容1.4.1 研究材质冲压薄板采用不锈钢304相当于GB/T3280-1992的0Cr18Ni9钢板。 各元素含量如下：C0.08 % ；Si1.00% ；Mn2.00 %；Cr：18.0%-20.00%性能参数： 抗拉强度520 MPa； 屈服强度205MPa； 延伸率40； 硬度HB187；弹性模量E = 200Gpa；泊松比= 0.3；密度p=7850kg/m2；屈服极限= 300M Pa；正切模量E=763M Pa1.4.2 研究内容1、针对板料浅盘冲压过程，建立有限元模型，并利用ANSYS/LS-DYNA进行模拟，分析冲压过程中应力和应变的分布情况。2、针对板料拉深为杯形件的成形过程，建立有限元模型，并编程模拟其加工过程，并分析过程中应力和应变的分布情况。1.5 本课题的研究意义基于连续介质力学及有限元理论，运用动力显式算法建立有限元模型，基于该有限元模型和ANSYS/LS-DYNA软件平台，建立三维有限元分析模型。分别探讨了板料浅盘冲压不同冲压深度对于冲压过程的影响，以及圆形板料拉深问题，主要在三种不同加载路径下，研究圆形板料在拉深方向的最大应力和板料厚度的变化规律，以及不同加载方式对板料成形质量的影响，并基于拉深成形过程中节点处的接触状态从微观上分析了板料在不同部位的内应力变化。所得结果可为冲压工艺参数的优选提供依据，并且对生产实际提供指导。第二章 板料冲压拉深理论分析2.1 板料的冲压成形性能 板料对各种冲压成形加工的适应能力称为板料的冲压成形性能。具体地说，就是指能否用简便的工艺方法，高效率地用坯料生产出优质冲压件。冲压成形性能是个综合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有两个主要方面：一方面是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一方面是要保证冲压件质量符合设计要求。下面分别讨论。 2.1.1 成形极限 在冲压成形中，材料的最大变形极限称为成形极限。对不同的成形工序，成形极限应采用不同的极限变形系数来表示。例如弯曲工序的最小相对弯曲半径、拉深工序的极限拉深系数等等。这些极限变形系数可以在各种冲压手册中查到，也可通过实验求得。 依据什么来确定极限变形系数呢？这要看影响成形过程正常进行的因素是哪些。冲压成形时外力可以直接作用在毛坯的变形区（例如胀形），也可以通过非变形区，包括已变形区（例如拉深）和待变形区（例如缩口、扩口等），将变形力传给变形区。因此，影响成形过程正常进行的因素，可能发生在变形区，也可能发生在非变形区。归纳起来，大致有下述几种情况： 1、属于变形区的问题 伸长类变形一般是因为拉应力过大，材料过度变薄，局部失稳而产生断裂，如胀形、翻孔、扩口和弯曲外区等的拉裂。压缩类变形一般是因为压应力过大，超过了板材的临界应力，使板材丧失稳定性而产生起皱，如缩口、无压边圈拉深等的起皱。 2、属于非变形区的问题 传力区承载能力不够：非变形区作为传力区时，往往由于变形力超过了该传力区的承载能力而使变形过程无法继续进行。也分为两种情况： （1）拉裂或过度变薄；例如拉深是利用已变形区作为拉力的传力区，若变形力超过已变形区的抗拉能力，就会在该区内发生拉裂或局部严重变薄而使工件报废。 （2）失稳或塑性镦粗：例如扩口和缩口工序是利用待变形区作为压力的传力区，若变形力超过了管坯的承载能力，待变形区就会因失稳而压屈，或者发生塑性镦粗变形。非传力区在内应力作用下破坏：非变形区不是传力区时，由于变形过程中金属流动的不均匀性，也可能产生过大的内应力而使之破坏。根据发生问题的部位不同，可分为： （1）待变形区拉裂或起皱：例如在盒形件的后续拉深工序中，待变形区金属流入变形区的速度不一致，靠直边部分流入速度快，角部金属流入速度慢。在这两部分金属的相互影响下，直边部分容易发生拉裂，角部则容易沿高度方向压屈起皱。 （2）已变形区拉裂或起皱：如薄壁件反挤时，若金属从变形区流到已变形区的速度不均匀， 则速度快的部位易因受附加压应力而起皱，速度慢的部位易受附加拉应力的作用而开裂。 综上所述，不论是伸长类还是压缩类变形，不论问题发生在变形区还是非变形区，其失稳形式无非两种类型：受拉部位发生缩颈断裂，受压部位发生压屈起皱。为了提高冲压成形极限，从材料方面来看，就必须提高板材的塑性指标和增强抗拉、抗压的能力。 2.1.2 成形质量 冲压零件不但要求具有所需形状，还必须保证产品质量。冲压件的质量指标主要是厚度变薄率、尺寸精度、表面质量以及成形后材料的物理力学性能等。 金属在塑性变形中体积不变。因此，在伸长类变形时，板厚都要变薄，它会直接影响到冲压件的强度，故对强度有要求的冲压件往往要限制其最大变薄率。 影响冲压件尺寸和形状精度的主要原因是回弹与畸变。由于在塑性变形的同时总伴随着弹性变形，卸载后会出现回弹现象，导致尺寸及形状精度的降低。冲压件的表面质量主要是指成形过程中引起的擦伤。产生擦伤的原因除冲模间隙不合理或不均匀、模具表面粗糙外，往往还由于材料粘附模具所致。例如不锈钢拉深就很容易有此问题。 2.2 板料力学性能与冲压成形性能的关系 板料力学性能与板料冲压性能有密切关系。一般来说，板料的强度指标越高，产生相同变形量所需的力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；刚性指标越高，成形时抗失稳起皱的能力就越大。对板料冲压成形性能影响较大的力学性能指标有以下几项：1、屈服极限s小，材料容易屈服,则变形抗力小，产生相同变形所需变形力就小，并且屈服极限小，当压缩变形时，屈服极限小的材料因易于变形而不易出现起皱，对弯曲变形则回弹小。2、屈强比sb小，说明s值小而b值大，即容易产生塑性变形而不易产生拉裂，也就是说，从产生屈服至拉裂有较大的塑性变形区间。尤其是对压缩类变形中的拉深变形而言，具有重大影响，当变形抗力小而强度高时，变形区的材料易于变形不易起皱，传力区的材料又有较高强度而不易拉裂，有利于提高拉深变形的变形程度。3、伸长率，拉伸试验中，试样拉断时的伸长率称总伸长率或简称伸长率。而试样开始产生局部集中变形（缩颈时）的伸长率称均匀伸长率u。u表示板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，它直接决定板料在伸长类变形中的冲压成形性能，从实验中得到验证，大多数材料的翻孔变形程度都与均匀伸长率成正比。可以得出结论：即伸长率或均匀伸长率是影响翻孔或扩孔成形性能的最主要参数。4、硬化指数n，单向拉伸硬化曲线可写成s=Ken，其中指数n即为硬化指数，表示在塑性变形中材的硬化程度。n大时，说明在变形中材料加工硬化严重，真实应力增加大。板料拉伸时，整个变形过程是不均匀的，先是产生均匀变形，然后出现集中变形，形成缩颈，最后被拉断。在拉伸过程中，一方面材料断面尺寸不断减小使承载能力降低，另一方面由于加工硬化使变形抗力提高，又提高了材料的承载能力。在变形的初始阶段，硬化的作用是主要的，因此材料上某处的承载能力，在变形中得到加强。变形总是遵循阻力最小定律，既“弱区先变形”的原则，变形总是在的最弱面处进行，这样变形区就不断转移。因而，变形不是集中在某一个局部断面上进行，在宏观上就表现为均匀变形，承载能力不断提高。但是根据材料的特性，板料的硬化是随变形程度的增加而逐渐减弱，当变形进行到一定时刻，硬化与断面减小对承载能力的影响，两者恰好相等，此时最弱断面的承载能力不再得到提高，于是变形开始集中在这一局部地区地行，不能转移出去、发展成为缩颈，直至拉断。可以看出，当n值大时，材料加工硬化严重，硬化使材料强度的提高得到加强，于是增大了均匀变形的范围。对伸长类变形如胀形，n值大的材料使变形均匀，变薄减小，厚度分布均匀，表面质量好，增大了极限变形程度，零件不易产生裂纹。5、厚向异性指数，由于板料轧制时出现的纤维组织等因素，板料的塑性会因方向不同而出现差异，这种现象称塑性各向异性。厚向异性系数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变之比,即： （2.1）式中、宽度方向、厚度方向的应变。厚向异性指数表示板料在厚度方向上的变形能力， 值越大，表示板料越不易在厚度方向上产生变形，即不易出现变薄或增厚, 值对压缩类变形的拉深影响较大，当值增大，板料易于在宽度方向变形，可减小起皱的可能性，而板料受拉处厚度不易变薄，又使拉深不易出现裂纹，因此值大时，有助于提高拉深变形程度。6、板平面各向异性指数，板料在不同方位上厚向异性指数不同，造成板平面内各向异性。用表示： （2.2）式中 、纵向试样、横向试样和与轧制方向成45试样厚向异性指数。越大，表示板平面内各向异性越严重，拉深时在零件端部出现不平整的凸耳现象，就是材料的各向异性造成的，它既浪费材料又要增加一道修边工序。2.3 板料拉深成形接触力计算板料拉深成形中的接触力包括接触法向力和接触摩擦力。求解接触法向力主要有两种方法，拉格朗日乘子法和罚函数法。在显式算中，常采用罚函数法，此法既考虑了接触力，又不增加系统的自由度，具有较高的计算效率。由透入量d可判断接触状态。若d0，则认板料上的节点与模具接触，接触点处必然产生接触力。1、接触法向力的计算采用罚函数计算接触法向力。可以认为两物体在接触时可以相互透入，这就能近似地满足位移边界条件。引入一弹性介质来模拟接触点处两物体间的相互作用力，即法向压力，它与节点的透入量成正比Pn=dn。是罚因子，dn是透入量法向分量。罚因子可以根据弹性体积变化的原理求出。模具可以看成是高强度的弹性材料。根据弹性理论，体积弹性模量力Kp/e。p为静水压力，e为弹性体积变化。记A为接触面面积，V为接触单元体积则有 （2.3）因此，接触面上的总压力为 （2.4）则罚因子，即压入单位深度的压力为 （2.5）2、接触摩擦力的计算若采用库仑摩擦定律，则当相对速度很小，而在计算中其方向又发生变化，或接触点发生粘着状态与滑动状态相互转化时，都容易引起数值计算的不稳定.引人光顺函数可修正摩擦定律。选取具有很好渐进性的双曲正切函数作为光顺函数，即 （2.6）其中为板料与模具接触点的相对滑动速度。得修正的库仑摩擦定律为 （2.7）2.4 板料拉深的力学分析板料拉深时各区的应力应变状态。如图2-1，法兰区受径向拉应力和切向(圆周方向)压应力，并在径向和切向分别产生伸长和压缩变形，板厚稍有增大，在法兰外缘厚度增加最大。在凹模园角处，材料除受径向拉深外，同时产生塑性弯曲，使板厚减少。材料离开凹模圆角后，产生反向弯曲(校直)。圆角侧壁受轴向拉伸，为传力区。圆筒底部处于双向拉伸。在凸模圆角处，板料产生塑性弯曲和径向拉伸。图2.1 板料拉深时各区的应力应变状态图图2.2 圆筒件任一扇形单元开始变形瞬间图在最初阶段，凸模对毛坯中心部分加压，使毛坯产生弯曲。如图2-2，随着凸模下降，凸、凹模对毛坯的外力作用点将沿径向移动，外力构成的力矩，在毛坯中引起径向拉应力，使毛坯法兰部分产生塑性变形，并逐渐进入凹模口部，产生弯曲和校直(反向弯曲)，最后变成圆筒壁部。由于毛坯外径不断减少，故法兰部分在圆周切线方向产生压应力0。因法兰上没有外力作用，且板厚远远小于毛坯直径，故法兰处于两向异号的平面应力状态。第三章 板料冲压计算机仿真模型3.1 引言建立有限元分析模型的一般过程通常一个有限元数值模拟分析需要经过以下几个步骤：1、零件产品三维几何模型的建立；2、模具及坯料的三维几何建模；3、有限元模型的建立；4、有限元分析计算；5、仿真结果的后处理；6、仿真结果的分析及应用。其中，有限元模型的建立是整个有限元数值模拟分析的关键，正确、合理的将产品的几何模型转化为有限元分析模型将直接影响有限元求解的最终结果。3.2 冲压成形有限元模型冲压薄板采用高级不锈钢相当于GB/T3280-1992的0Cr18Ni9钢板, 凸模、凹模、压边圈用冷作模具钢Cr5Mo1V。其相关参数见表3.1：表3.1 有限元模型参数密度（kg/m3）弹性模量(N/m2)泊松比屈服应力(Pa)切线模量(N/m2)板料78502.0e80.33.0e57.63e5凸模78402.1e80.3凹模78402.1e80.3本文进行数值模拟试验的冲压成形零件是薄盘面板，有限元模型的建立步骤如下：建立几何模型，如图3.1，板坯直径为0.3m，厚度为0.005m的圆形板料，凸凹模为圆盆形，外沿直径为0.3m，内沿直径为0.24m，圆盆底直径为0.18m，冲压深度0.03m。板料材质为高级不锈钢，其材料特性选取双线性随动张化模型。板料凹模凸模图3.1 模具及冲压板料整体几何模型选择SHELL163单元，Belytschko-Wong-Chiang算法。在ANSYS/LS-DYNA中有两种建立有限元模型的方法，一种是生成几何模型，然后再通过网格划分生成有限元模型；第二种是直接通过手工定义节点生成有限元模型。由于第二种方法非常复杂，本文选择用第一种方法。其网格划分如图3.2:图3.2 凸模板料网格划分施加载荷曲线，确定约束和边界条件。凸模、凹模在模拟成型过程中将凹模定义为刚体，约束所有自由度，凸模也定义为刚体，约束了X、Y方向的平动自由度以及X、Y、Z三个方向上的转动自由度。坯料为自由体，没有设定任何自由度的约束。对凸模施加-Y方向的位移加载，其加载曲线如图3.3，凹模和坯料没有任何加载条件。图3.3 凸模位移-时间加载曲线前处理完成后，提交求解器。不同类别的成形过程采用不同的求解算法。对于准静态的成形过程，应尽可能选用静力算法求解，以避免采用动力算法时人为地引入的惯性效应，同时静力算法求得的应力应变场也更为准确，有利于回弹预测的准确性；对于高速成形过程，应采用动力算法求解，以便考虑惯性效应的影响。本文采用静力算法进行求解。后处理通常是通过读入分析后处理通常是通过读入分析结果数据文件激活的。分析软件的后处理模块能提供零件变形形状、模型表面或任意剖面上的应力应变分布云图、变形过程的动画显示、选定位置的物理量与时间的函数关系曲线、沿任意曲线路径的物理量分布曲线等，使用户能方便地理解模拟结果。除此以外，成形软件的后处理模块还提供一些专门的手段用以预测成形质量和成形缺陷。3.3 计算结果及分析3.3.1 同一冲压深度，不同时间分析图3.4到图3.9为同一冲压深度，不同冲压时间的等效应力分布图，等效应变分布图：图3.4 冲压深度为0.03，time=0.0049986时的等效应力分布最大应力分布图3.5 冲压深度为0.03，time=0.0067982时的等效应力分布图3.6 冲压深度为0.03，time=0.0092时的等效应力分布图3.7 冲压深度为0.03，time=0.01时的等效应力分布图3.8 冲压深度为0.03，time=0.0049986时的等效应变分布图3.9 冲压深度为0.03，time=0.0067982时的等效应变分布最大应变分布图3.10 冲压深度为0.03，time=0.0092时的等效应变分布图3.11 冲压深度为0.03，time=0.01时的等效应变分布由图3.4到3.8可以看出在冲压过程中板料所受最大应力和最大应变均分布在凸模压下圆角处所接触的板料的环形带，随着冲压深度的增加最大应力有明显的增加，应变变化不明显，圆盘底部应力和应变最小。随着冲压过程的进行，其最大应力区逐步分布于冲压大变形区，当然，其应力也随应变的增大而增大。而在曲面的边界处，板材应力值最小。这主要是由于应力的大小与板材的变形程度有关，在覆盖件中间位置处，曲率变化较大，因而应力大，相反，在边界处曲率变化小，因而应力小。由上述图形显示可以看出，曲面在受载荷作用时，应力较大处相对应的应变值也较大，在曲率变化较大处，应变之较大，相反，曲率变化小时，应变也相对较小。在曲面较为平坦处也有应变，但相比很小，总体应变也较小。盘状冲压件的成形工序大都可以认为是在平面应力状态下进行的，垂直板料方向的应力一般为零，因此板料的变形方式基本分为两大类:以拉伸为主的变形方式和以压缩为主的变形方式。在以拉伸为主的变形方式下，拉应力过大会造成板料过度变薄甚至拉断，产生破裂；在以压缩为主的变形方式下，压应力过大会造成板料厚度过度增加，从而产生起皱。3.3.2 同一冲压深度，不同部位分析图3.12 冲压深度为0.001m的等效应变曲线(A、B、C、D是从板料中心向外分布的四个点)由图中可看出在冲压过程中板料所受最大应力和最大应变均分布在凸模压下圆角处所接触的板料的环形带，随着冲压深度的增加最大应力有明显的增加，应变变化不明显，圆盘底部应力和应变最小。图3.12为冲压深度为0.003m的等效应变曲线，为了更清楚的看到整个冲压过程板料各个区域的应变变化情况，图中A、B、C、D分别取圆盘中心，凸模圆角接触板料处、凹模圆角接触板料处、和圆盘边缘处所取的四个节点。从图中观察，A、D两点的应变变化最小，B、C两点应变变化最大。第四章 板料拉深计算机仿真模型4.1 概述传统的拉深成形工艺与模具设计方法不仅耗时多、费用高，而且产品质量往往难以保证。根源在于无法合理计算拉深过程中板料的弹塑性变形。拉深成形的原理，是使毛坯材料按一定方式产生永久的塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的零件。这一过程的实现是通过模具对工件的法向接触力和切向摩擦力来完成的。因此拉深成形过程包含了非常复杂的物理现象，涉及力学中的三个非线性问题：1、几何非线性(板料产生大位移、大转动和大变形)；2、物理非线性(又称材料非线性，指材料在拉深中产生的弹塑性变形)；3、边界非线性(模具与板料产生的接触摩擦引起的非线性关系)。这些非线性现象的综合，加上不规则的工件形状，使得拉深成形过程的计算非常棘手，是传统方法无法解决的问题。计算机技术和有限元方法(FEM)的同步发展，为复杂的工程计算问题提供了崭新的途径。理论上有限元方法能对任意复杂的问题求解，只要有限元网格不断细分，所得解的精度便能够不断提高。但由于计算机的舍入误差和计算机本身的容量限制，有限元网格的细分程度和所得解的精度总会受到限制。然而从工程的角度讲，一个问题的解只要达到一定精度就够用了，解的精度的进一步提高，意义不大。所以，有限元方法在不同的计算机硬件条件下都能提供相适用类型问题的有工程意义的解。4.1.1 仿真原理由于在板料拉深成形过程中，模具的刚性通常远远大于板料的刚性，因此模具的变形相对板料的变形来说极小，可以忽略不计。在拉深成形过程计算机仿真中应考虑的问题就可归结为如下几个方面：1、板料的大位移、大转动和大应变条件下的弹塑性变形的描述和计算；2、板料与模具间法向接触力的计算；3、模具的几何描述和运动计算；4、压力机加载过程的描述和模拟。可将板料拉深成形过程抽象成这样一个力学过程，它包含四种特性不同的运动物体，如图4.1所示，板料为弹塑性变形体，其余三种均可作为刚体看待，但三种刚体的运动特性各不相同。上模作为对板料加载的主动体，其运动状态主要由压力机控制，按一定的频率作上下往复拉深运动。压边圈在压边力作用下基本固定不动，但当压边力不够时工件可能在压边处产生起皱，从而使压边圈作小幅度的上升运动和轻微的转动，同样当压边圈处板料厚度减小时，压边圈可能作轻微的下降运动。由此可见，压边圈的运动严格说来与板料的变形状态有关。下模通常是固定不动的。基于上面的分析可假设上模和下模的运动是给定的压边圈上的压边力也看作是给定的并且压边圈只作刚体运动。这样一来板料拉深成形的计算问题就可粗略地表达为如下力学问题：设定：1、上模、下模和板料的几何特性；2、上模的运动特性；3、压边圈的质量分布；4、板料的初始几何特性；5、板料的弹塑性变形特性；6、板料与上模、下模及压边圈间的摩擦特性，求出板料的弹塑性变形过程。1、上模 2、压边圈 3、板料 4、下模图4.1 拉深模型要求出板料的弹塑性变形过程，就必须求解作用在板料上的各种外力。从受力分析可知，作用于板料上的外力主要有三个来源，如图4.2所示，其中F1为压边圈对板料的作用力；F2为上模对板料的作用力；F3为下模对板料的作用力。上述作用力中又包括法向接触力和切向摩擦力，其中切向摩擦力又与法向接触力以及两接触表面间的摩擦系数有关。除了上面提到的接触力和摩擦力外，板料还受到重力的作用，但由于重力与作用在板料上的接触力和摩擦力相比小得多，对于小零件可忽略不计。对于汽车覆盖件这类大零件，重力作用应予考虑。图4.2 作用在板料上的外力（不计重力）F1压边圈对板料的作用力 F2上模对板料的作用力F3下模对板料的作用力4.1.2 仿真步骤从上述分析可知板料的弹塑性变形是由于接触力和摩擦力所引起的，而这两种力又与两接触表面的相对运动有关。因此，要计