基于ABAQUS显隐式联合求解的多步拉深件强度分析VIP

2016 SIMULIA 中国区用户大会 1 基于基于 ABAQUS 显隐式联合求解的多步拉深显隐式联合求解的多步拉深件件强度分析强度分析 江丙云 李礼 上海澎睿信息技术有限公司 上海 200063 摘要摘要 一种新颖的基于多步拉深成形历程的钣金件结构强度分析方法被提出 以更精确合理 地计算钣金件结构强度 此方法把冲压成形与结构分析顺序耦合 先应用Abaqus Explicit 对板料进行多步拉深成形模拟 获得钣金件的形状 非均匀厚度 残余应力以及加工硬 化的材料性能 再把此非均匀厚度的钣金件导入Abaqus Standard 同时映射残余应力作初 始条件 并使用硬化后的材料属性 本文以电子产品的外壳椭圆筒件为例 应用上述方法 对筒件合理 精确的进行结构强度分析 关键词关键词 Abaqus 显隐式联合求解 多步拉深成形 映射残余应力 强度分析 Strength Analysis for Multi step Drawing Metal Parts Based on Co simulation of Explicit and Standard Jiang Bingyun Li Li Shanghai Prinfo Information Technology Co Ltd Abstract A novel analysis method based on the history of multi step stamping is proposed to analyze the structural strength of metal part accurately and reasonably This proposed method combines multi step stamping forming and structure analysis together the metal blank is multi step stamped simulation using Abaqus Explicit to obtain the shape thickness residual stress of stamped parts firstly and hardening material then the non uniform thickness shape and residual stress obtained are used in subsequent structure strength analysis with hardening material using Abaqus Standard Taking elliptical cylinder part of electron component as an example in this paper its strength is analyzed using above proposal method for reasonable and accurate simulation Keywords Abaqus Co simulation of explicit and standard Multi step drawing forming Mapping residual stress Strength analysis 1 引言引言 当前电子产品具有更新换代快 开发周期短的时间要求 对电子产品的钣金零件进行 循环 修改 完善 的传统设计方法难以满足现代设计要求 先进的有限元方法就成为支持 产品设计的行之有效的工具 1 但目前对钣金件的结构强度有限元分析中 是把钣金零件 当成理想设计形状进行有限元建模 2 其分析结果极不合理 因对电子产品的钣金件制造 大多采用多工位级进冲压成形 而多步成形中伴随着板材厚度变化 应力残余以及材料变 化 3 特别是加工硬化引起的包辛格效应 4 等影响成形零件的结构强度 2 2016 SIMULIA 中国区用户大会 同时 随着电子零部件越来越小 提高钣金制造精度的同时 对其强度的需求也愈加 强烈 如图 1 所示的筒形钣金件 其强度必须足以保护内部电子元器件不受外界挤压破损 对其分析也必然要求更高的有限元分析精度 故本文提出一种基于多步拉深成形历程的钣 金件结构强度分析方法 能够更精确合理地计算钣金件结构强度 如图 2 所示流程 此方 法把冲压成形与结构分析顺序耦合 先应用 Abaqus Explicit 对板料进行多步拉深成形模拟 获得钣金件的形状 非均匀厚度 残余应力和加工硬化 包辛格效应 材料属性 再把 此非均匀厚度的钣金件导入 Abaqus Standard 并映射残余应力 材料属性作初始条件 精确 进行结构强度分析 本文以图 1 所示的电子产品的椭圆筒外壳为例 应用上述方法分析其结构强度 并依 此进一步优化冲压参数提高其强度 指导模具设计提高成形质量的同时增强结构强度 以 最终实现产品设计的可行性 图图 1 椭圆筒形钣金件椭圆筒形钣金件 2016 SIMULIA 中国区用户大会 3 图图 2 耦合冲压历程的强度分析流程耦合冲压历程的强度分析流程 2 模具模具设计设计 本文图 1 举例的为电子连接器的椭圆形外壳件 内径长轴 a 7 0mm 内径短轴 b 6 0mm 板料厚度 t 0 30mm 拉深高度 h 4 5 mm 材料为低碳钢 SPCC 弹性模量为 2 07E5MPa 泊松比为 0 28 屈服强度为 211 42MPa 此钣金椭圆壳件采用精密级进冲压模多步拉深成形 基于能量最小法 对此钣金件进 行逆向一步展开 获得毛坯尺寸 5 如图 3 a 依据此毛坯进行带料排样 在成形过程 中定位孔与拉深件之间的连接载体 如图 3 b 会对板料的流动造成极大的影响 必须 把此影响降到最低 所以才会设计图中所示的多弧段连接 便于材料流动 除此之外 也 需预留少许切边余料 a 毛坯展开 b 带料排样 图图 3 毛坯展开及其带料排样毛坯展开及其带料排样 依照理论计算 6 此椭圆壳体需进行两次拉深成形和一步圆角整形 3 多步拉深多步拉深成形分析成形分析 3 1 多步拉深建模多步拉深建模 多步拉深成形模拟过程如图 4 所示 为便于各工步的边界设置 对级进模的数值模拟 采用类似单工序模的单个凸 凹模建模方式 但与单工序模拟有极大的不同 在级进冲压建模中 因定位及送料的需要 图 3 b 所示的带料定位孔及载带必须保 留 创建到有限元模型中 真实反应板料的全局流动性能 如图 4 a 同时 如图 4 c 为了准确模拟级进冲压过程 必须把上一工步的成形板料信息 厚度变化 应力和 应变分布等 传递到下一工步作初始条件 7 并在每步冲压成形后反向卸载模具以考虑回 弹 4 2016 SIMULIA 中国区用户大会 a 1 4 板料 b 第 1 步拉深模型 c 第 1 步拉深后的板料 d 第 2 步拉深模型 e 第 2 步拉深后的板料 f 第 3 步圆角整形模型 图图 4 多步拉深成形有限元分析模型多步拉深成形有限元分析模型 2016 SIMULIA 中国区用户大会 5 3 2 材料和边界设置材料和边界设置 本文多次拉深成形采用 Abaqus Explicit 进行求解 因其具有求解速度快且收敛性良好 特点 且材料定义采用式 1 所示的 Ziegler 随动硬化模型 8 9 1 0 0 0 1 其中 为背应力 为背应力增量 为等效塑性应变增量 C 随动硬化模量 为 流动应力 0为零塑变时的流动应力 在图 4 所示拉深模型中 凸模 凹模和压料板均设置为离散刚体 仅板料为变形体 因板料为对称结构 只需对 1 4 板料进行分析 需定义图 4 a 所示的对称边界 另外对 定位孔还需特别定义限制其 X 和 Y 方向自由度 10 以图 4 b 第 1 步拉深模型为例详细说明模具的边界和接触条件 凹模固定不动 压 料板施加 Z向压力 200N 凸模 Z向位移 4 5mm并返回原位以考虑板料回弹 其中接触对 有 3 对 凸模 板料 压料板 板料和凹模 板料 摩擦系数设为 0 125 此第 1步拉深后的 板料带有应力 应变和厚度等信息 传递到第 2 步拉深中作初始板料 依此顺延至第 3 步 整形结束 3 3 多步多步拉深结果拉深结果 3 3 1 冲压力与内能 由图 5 的凸模冲程 冲压力曲线图 可知第 1 步拉深成形 所需冲压力最大 其值乘以 冲程即为凸模所做的功 冲程所做的功与图 6 所示的板料内能增量相对应 即第 1 步拉深 成形的内能增幅最大 由图 6 还可知 后一步的板料内能始于前一步的内能终点 即前文 所述的板料多步成形的传递与继承 图图 5 凸模冲程凸模冲程 冲压力曲线冲压力曲线 图图 6 凸模冲程凸模冲程 内能曲线内能曲线 6 2016 SIMULIA 中国区用户大会 3 3 2 厚度分布 由图 7 a c 可知 随着各步凸凹模圆角的减小 板料厚度逐渐减小 特别是 在凹模圆角处 厚度变化梯度较大 极易引起法兰起皱 如图 7 d 所示 a 第 1 步拉深厚度分布 b 第 2 步拉深厚度分布 c 第 3 步整形厚度分布 d 第 3 步整形沿路径的厚度曲线 图图 7 第第 1 3 步拉深件厚度分布步拉深件厚度分布 4 结构强度分析结构强度分析 结构强度分析采用 Abaqus Standard 进行模拟 其非线性静力求解更为精确 图 8 所示 为应用本文所提出的方法所建立的结构分析模型 首先 如图 8 a 示意把冲压成形后的 材料厚度和残余应力等映射到钣金零件上 8 再对此钣金件进行结构强度分析 边界条件 如图 8 b 所示 法兰区固定 分析底面中心位移 0 25mm 所需要的力 即为此钣金件强 度的考量依据 2016 SIMULIA 中国区用户大会 7 a 映射应力 厚度 b 强度分析工况 图图 8 耦合冲压历程的结构强度分析模型耦合冲压历程的结构强度分析模型 5 强度强度分析结果分析结果 强度分析结果如图 9 a 所示 使用本文新提方法分析得到的作用力值比传统方法大 这是由于考虑了板材在冲压历程中其材料的加工硬化及初始应力 见图 9 b 故本文所 提出的结构强度分析方法更具逻辑性和精确性 从另一方面也说明了 拉深壁厚的减薄不 一定会削弱结构的强度 a 反作用力 位移曲线 b 应力分布 图图 9 结构强度分析结果结构强度分析结果 8 2016 SIMULIA 中国区用户大会 6 结论结论 1 以融合制造工艺与产品设计为一体 将多步拉深成形的冲压历程考虑到结构分析 中 更为合理准确的对钣金件强度进行分析 2 充分发挥显式算法与隐式算法的各自优点 将显式求解的成形结果文件 厚度 应力和材料属性 映射到隐式求解的结构分析中 这一方法的提出打通了制造模拟与结构 模拟之间的鸿沟 3 考虑冲压历程的钣金件强度分析结果表明 由于成形对材料性能的加工硬化及残 余应力的增强 拉深壁厚的减薄不一定会削弱结构的强度 7 参考文献参考文献 1 赵柏森 王怀建 李海峰 金属塑性成形工艺有限元数值模拟技术 J 热加工工 艺 2010 39 07 86 90 2 柳建安 肖亮 刘佳杰 圆筒件拉深成形过程数值模拟研究 J 制造技术与机床 2010 5 129 131 3 安治国 李正芳 裴佑伦 轿车加油口盖多工步成形工艺数值模拟及优化 J 热加工工艺 2015 44 09 145 147 4 季筱玮 温彤 郜瑞 金属板材包辛格效应曲线测试方法研究综述 J 材料导报 2012 26 1 175 177 5 陈伟 板金属冲压成形快速模拟算法研究 D 吉林 吉林大学 2013 6 翁其金 徐新成 冲压工艺及冲模设计 M