基于CADCAE的桶形件变压边力冲压成形工艺研究

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 I 页 共页目 录1 绪论 .11.1 选题背景 .11.2 桶形件变压边力冲压成形国内外研究现状 .21.2.1 变压边力的加载模式 .21.2.2 变压边力的技术的实验研究 .31.2.3 变压边力的有限元数值模拟研究 .31.3 主要研究目标及内容 .41.4 论文的组织结构 .42 桶形件冲压成形工艺理论分析 .52.1 桶形件冲压过程及特点 .52.2 桶形件拉深工艺 .72.3 常见桶形件拉深缺陷 .82.4 影响桶形件成形的主要因素 .83 基于 CAD/CAE 变压边力分析理论及方法 .103.1 基于 CAD/CAE 变压边力分析 .103.2 仿真实验流程图 .113.3 仿真模型的建立 .143.3.1 模具 CAD 建模 .143.3.2 前处理步骤具体设计 .153.3.3 变压边力的加载模式及影响因素 .174 变压边力桶形件冲压仿真与分析 .204.1 变压边力曲线选择 .204.2 后处理分析方法简介 .214.3 不同变压边力加载方式下桶形件冲压仿真 .224.4 不同变压边力加载方式的冲压性能对比和分析 .314.5 小结 .34结束语 .36致 谢 .37参 考 文 献 .38 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 39 页1 绪论1.1 选题背景板料冲压成形作为金属塑性加工的基本方法之一，主要用于加工板料，因此又称为板料冲压。冲压是在常温下，利用冲压模在冲压设备上对板料或型材施加压力，使其产生塑性变形或分离，从而获得所需形状，尺寸和性能零件的一种压力加工方法。对于某些非金属材料，也可以采用冲压工艺制造零件。冲压加工可以提高生产效率高、可以改善材料内部的结构和缺陷、提高零件的机械性能、减轻零件重量更可以提高材料利用率，由于其独特的优势广而被广泛应用于航空航天、汽车、摩托车、电器开关、家电、农用机械、医疗器械等行业，在工业生产中占有不可替代的地位。近年来，随着板料成形理论的深入研究以及计算机信息技术、控制技术及自动化技术的快速发展，板料冲压技术也得到了前所未有的发展 1。传统的生产方式与板料冲压技术相比有以下几个不同点：(1)传统的生产方式工艺流程较复杂工序较多生产效率低，冲压技术一般采用一次成形或者几次成形生产效率大幅提高，且操作简单，劳动强度低。(2)传统生产方式一般采用车铣刨磨的去除材料法原材料利用率不高而板料冷冲采用非去除材料法原材料利用率提高 30%左右降低了生产成本。(3) 板料冲压技术能满足更多复杂形状零件的生产要求，还能有效控制其加工精度满足生产要求。(4) 板料冲压技术生产过程中的实时可控性较强，可以改变工艺系统中的冲压速度压边力等参数来达到生产要求。(5) 冲压加工的尺寸精度是由模具保证的，因此尺寸稳定，互换性好。(6) 废品破坏形式不同，板料冲压的主要报废形式是起皱和破裂。近年来，汽车工业在中国发展非常迅猛，汽车制造商要不断地采用新制造工艺来降低汽车制造成本，这使得冲压技术得到很好的发展机会得到了极大的推广。二十世纪八十年代以来，汽车覆盖件的拉深工艺和压力机已经取得了突破性的进展。以工作台内的液压拉深垫代替压边滑块，从而单动液压机代替了双动液压机，大大简化了液压机的结构，降低了设备投资，提高了劳动生产率和拉深件的质量，这对汽车覆盖件的生产具有重大意义。环保适当今世界的主题，较少原料、减轻车重、减少油耗的目标位冲压技术提供了很大的舞台。因此板冲压技术在汽车工业中得到 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 39 页了广泛的应用 4。桶形件冲压在冲压成形技术中是十分典型的也是极具代表性的一种生产工艺方式，桶形件是板冲压中最基本的一种，是研究其他冲压形式的基础，因此本课题即以简单的轴对称零件桶形零件为研究对象进行基本的板冲压的模拟仿真，得出其主要的影响因素如压边力、冲压深度、冲压速度与模具间的摩擦等。通过运用Dynaform对某些条件进行假设通过控制变量法对桶形件进行简单的有限元仿真分析，找出其中的主要因素对桶形件冲压成形的影响，通过实验仿真比较得到优化的方案，并对各实验结果作出一定的解释。对桶形件成形过程中的一些工艺参数及其可行性进行讨论。1.2 桶形件变压边力冲压成形国内外研究现状到目前为止，对桶形件成形技术的研究还不够充分，而且多数停留在试验的阶段，国内的姜银方、林忠钦、陈炜和郭伟刚等人对桶形件的冲压成形进行了较多的研究，但这些研究不但多是停留在实验的阶段，而且多是对成形性能和变形进行分析和研究，而对影响桶形件成形的另外一些因素的分析和研究很少。1.2.1 变压边力的加载模式国外从 20 世纪 80 年代开始研究可调节边装置，直到现在一直处于改进和使用阶段，尚未在生产中普及开来，目前实际生产中应用的主要还是传统的压力方法 2。一般讲，压边力控制曲线的加载模式有 4 种，分别为恒定压边力加载模式，典型的控制曲线加载模式还有增加模式，减小模式和混合模式。如图 1.1 所示。图 1.1 压边力的加载模式第一套可调控的压边力控制设备由 Hardt 等人设计的，用来得到恒定的单位压边力。单位压边力自始至终被保持在不起皱的最小值上防止破裂。随后 Hardt 又单独进行了独立的研究。他用冷轧钢板成形杯形件，做了大量的实验并通过一个 PI 控 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 39 页制器，利用反馈值控制给压力圈施力的伺服器，更可靠地达到控制拉深过程中压边力恒定的目的 3。国外的许多学者对简单的桶形件，锥形件进行了研究，通过研究发现，适当的控制压边力在拉深加工中的数值，能够更好的控制制品成形的质量。但是上升曲线好还是下降曲线好目前尚未确定 4。1.2.2 变压边力的技术的实验研究国外对变压边力的控制研究相对于国内进行的比较早。20 世纪 90 年代，变压力的研究成为一个热点。1993 年德国斯图加特大学的 K.Vsigrer 等人在单动液压机上用 4 个液压缸在 4 个角点处施加压边力，建立了计算机数值控制多点压边力控制系统。接着他们提出了将压力圈分成几段的新的分段压力概念，在盒形件拉深成形时，将压力圈分成 8 个部分如图 1.2 所示，利用分别用法兰流入量和板材与压力圈及凹模之间的摩擦力来控制整个成形过程。虽然分段的压力圈结构更趋合理有效，但没有给出可行的压边力控制曲线 Murrata 和 Matsui 近期的研究结果表明使用分段力压圈的结构，即使角部和边上的 HBF 保持定长时，分段压力圈还是要比刚性的单片的压边圈所的到的产品的拉深深度要大。图 1.2 拉深模具压边圈的分段结构1.2.3 变压边力的有限元数值模拟研究数值模拟技术作为 CAE 的关键技术之一，是金属塑性加工工艺设计和模具设计的主要辅助工具。过去 10 年里，板料成形的数值模拟技术突飞猛进，压边力的研究领域也逐步引进了有限元数值模拟技术。DYNAFORM 是采用动态显示式算法，以LSDTNA 为其解算器冲压 CAE 软件，能对高速非线性，大变形的冲压过程进行精确的模拟。该软件具有功能强大，操作简单，计算精确准确等特点。冲压 CAE 技术应 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 39 页用是让我们在产品设计的初期，对产品的成形性进行分析，及时发现产品设计中的缺陷，或者对不同的设计结构进行成形性的对比，作为结构设计部门对产品进行改进或方案确定的依据 5。Sim.S Yossifon、胡建国等对轴对称件的成形过程进行了有限元数值模拟，他们只是以保持压边力在拉深过程中的定常值为目标，还没有引入压边力的加载模式，对变压边力控制进行了研究，发现变压边力控制能更好的控制制成品成形的质量。但究竟是上升模式，还是下降模式、阶梯状更具现实意义到目前尚未有定论。1.3 主要研究目标及内容桶形件由于是简单轴对称件，本文主要通过对桶形件进行有限元数值模拟，比较几种不同情况下成形桶形件的成形质量，得出成形效果较好的参数形式。本课题的主要内容归纳如下：（1）分析课题的研究背景，确定本课题的研究内容；（2）研究并分析桶形件的成形理论和其成形缺陷，如起皱、破裂、局部过薄，确定其影响因素：变压边力，冲压速度，冲压深度等。但本文根据任务书的要求只对变压边力的影响进行了探讨。（3）选择板料及模具的参数，使用 Pro/E 建立板料及模具三维模型，利用Dynaform 导入三维模型生成模具、压边圈、板料的有限元模型，选定合适的试验参数；（4）在冲压速度，冲压距离及摩擦系数都确定的情况下，采用变压边力方式仿真分析，得出变压边力的优化方案，找到合适的变压边力。1.4 论文的组织结构论文在前人研究的基础上，对影响桶形件冲压成形的因素进行综合的分析和研究，用 DYNAFORM 进行数值模拟，力求全面地分析各种因素对桶形件的冲压的影响过程进行分析并得出如何控制，以对现实的生产起到指导的作用。论文框架结构如下：第 1 章绪论：简要介绍了课题研究的背景和意义，分析了国内桶形件冲压成形相关技术的研究现状，确立了课题的研究内容和目标，阐述了论文的结构安排。第 2 章桶形件冲压成形工艺理论分析：介绍了桶形件冲压成形的特点及拉深工艺。简单说明了影响桶形件成形的因素和形成的缺陷。第 3 章影响桶形件冲压成形性能关键因素的分析与研究：介绍影响桶形件 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 39 页冲压成形的关键因素变压边力，并在数值模拟的基础上对这些因素进行分析。第 4 章桶形件冲压成形压边力的研究：用 DYNAFORM 对不同形式的压边力曲线控制下的桶形件成形过程进行了仿真分析，并确定了合适压边力控制曲线。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 39 页2 桶形件冲压成形工艺理论分析拉深 6是把平面形状的毛坯，借助于模具的作用，制成开口空心形状零件的一种冲压工艺方法。它是冲压基本工序之一，用拉深方法可以制成多种类型的零件，如桶形件、球面形件、盒形件、锥形件、阶梯形件等。如果与其他冲压成形工艺配合，还可以制造出其他形状复杂的零件。如日常生活中常见的拉深制品有：汽车灯壳，汽车油箱，拖拉机工具箱，汽车覆盖件等。拉深件的可加工尺寸范围相当广泛，从几毫米的小零件直到轮廓尺寸达 23 米，厚度达 200300 毫米的大型零件 7，都可以用拉深方法制成。桶形件是拉深中最简单最典型的，因此本文选取桶形件作为研究起点。另外，拉深的加工精度也比较高，可达 IT10 级精度，如果加上精整工序，可以达到 IT8 级，表面质量近似于磨削加工。近年来，由于板料成形技术的快速发展和它的高生产率，切削加工件、铸件等均有明显地向板料件转化的倾向，这对板料成形技术提出了越来越高的要求，其研究的基础就是板料的拉深成形 8。2.1 桶形件冲压过程及特点图 2.1 为圆桶件拉深成形过程示意图，圆形平板坯料置于拉深凹模之上，拉深凸模和凹模分别装在压力机的可动部分(即冲头)与固定部分(即台面)上，当凸模向下运动时凸模的平底首先压住圆形坯料中间部分凸模继续下行，将圆形坯料的环形部分法兰逐步拉入凹模模腔内法兰材料便不断转化为零件的桶壁。由此可见拉深成形的实质就在于法兰部分的变形拉深成形过程就是使法兰逐步收缩形成为零件桶壁的过程。图 2.1 圆桶件拉深成形过程示意图在最初阶段，凸模对毛坯中心部分加压，使毛坯产生弯曲。随着凸模下降，凸， 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 39 页凹模对毛坯的外力作用点将沿径向移动 ，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) 最后变成圆桶件的壁部。由于毛坯外径不断减小，故法兰部分在圆周切线方向产生压应力，如果此时在法兰上没有外力作用，且板厚远远小于毛坯直径，则法兰部分处于两向异号的平面应力状态。无压边圈的拉深只有当法兰尺寸能够满足不会起皱的条件时才有可能被采用 毛坯越厚 法兰越不易失稳。一般地，首次拉深时，法兰不会起皱的条件为 Dd(1822)t 式中。D 为毛坯直径，d 为圆桶直径,t 为间隙。若 Dd(1822)t。则需采用压边圈以防止起皱对于带压边圈的拉深，因毛坯边缘变厚。故压边力 Q 不是均匀分布在全部法兰面积上而是集中作用在离毛坯外缘一定距离处的环形面积上，其余部分则无压边力作用。此外，压边应力与屈服强度相比，可以忽略不计，故对带压边圈的拉深，仍可当作平面应力状态看待。作用于环形面积上的压边力 Q ，将增大毛坯中的径向拉应力根据拉深成形基本理论 ，法兰部分，凹模圆角部分，桶壁部分。凸模圆角部分以及桶底部分是圆桶件零件的五个基本区域。拉深开始，法兰部分的材料在凸模拉深力的作用下不断被拉入凹模模腔，圆形坯料外缘直径不断缩小，由于该区域的应力状态是径向受拉。切向受压， 因此在径向和切向分别产生伸长和压缩变形，坯料厚度略有增加且在法兰外边沿处增厚程度最大坯料的法兰部分。材料在切向压应力的作用下，可能因受压失稳而产生起皱现象，坯料起皱严重后。由于不能通过凸模与凹模之间的间隙而被拉裂，造成废品 。即使轻微起皱的坯料勉强通过了模具间隙，但也会在零件的桶壁上留下皱痕，影响零件的表面质量。因此，一般来说，拉深过程中的起皱现象是不允许的必须设法加以消除，为防止法兰部分材料起皱。通常在拉深成形时都要加一压边装置，压边力的存在引起法兰材料变形时产生较大的摩擦阻力，增加了材料的变形阻力。对拉深成形过程是不利的通常的处理方法是在拉深成形时，将压边力设定为保证法兰不致起皱的最小值 9。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 39 页2.2 桶形件拉深工艺在实际冲压生产中拉深件的种类很多，如桶形件、盒形件、曲面形状零件等，由于它们的几何形状特点不同，虽然它们的冲压过程都称拉深，但是变形区的位置、变形的性质、变形的分布、毛坯各部分的应力状态和分布规律等都有相当大的差别，所以确定工艺参数，工序数目与顺序，以及设计模具的原则和方法都不同。在毛坯上取一扇形区域 A0B0O 进行分析，在拉深过程中，其形状与尺寸的变化如图 2.2 所示，其中（a ）图表示拉深前的毛坯， （b）图表示拉深过程中某一时刻毛坯的形状， （c）图表示拉深完成后的杯形件。变形过程中形成的凸缘部分 A1B1EF（ b 图中）是变形区，在拉深过程中它的尺寸不断发生着变化。拉深中形成的侧壁部分 EFCD（b 图中）是已经经历过变形的已变形区，在以后的拉深过程中，它的形状不再发生变化。与凸模端面相接触的毛坯底部 OCD 是几乎不产生塑性变形的不变形区。拉深变形区内的切向变形是压缩变形，弧长 AB（c 图中）小于弧长A0B0（a 图中） ；而拉深变形区的径向变形是伸长变形，AC（c 图中）的长度大于 A0C（a 图中）的长度。毛坯在凹模圆角区范围内的变形是比较复杂的，如图 2.3 所示。毛坯在进入凹模圆角区时，在径向产生弯曲变形，由平面形状变成为曲率半径为 rd的曲面形状；当毛坯由凹模圆角区退出时，毛坯又从曲面状态变成为垂直的侧壁，产生反弯变形。弯曲变形和反弯曲变形都发生在凹模圆角区入口和出口的边界 EF 和CD 上。变形毛坯一旦进入凹模圆角以后，直到出口位置，它的曲率不再发生变化，所以当毛坯沿凹模圆角图 2.2 拉深过程中毛坯的变形图 2.3 凹模圆角区的变形 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 39 页表面滑动时，它的径向曲率半径不再发生变化，表明没有弯曲变形发生。当毛坯进入凹模圆角区以后，在另外一个垂直的方向上，即圆周方向上也会产生弯曲变形，毛坯由原始的平面形状，在凹模圆角的作用下，变成直径为 ，曲率d半径为 的杯形件的侧壁。这个弯曲变形不是在凹模圆角区的边界上完成的，相反地，r它是毛坯通过凹模圆角区的全过程中逐渐完成的 10。总的来说板料在凸模与压边圈要有足够的摩擦力但又要保证有一定的流动性，同时摩擦力还受到压紧力、圆角半径和冲头速度的综合影响，而这些参数都会随着冲头行进而发生变化，因此凹凸模圆角半径、压紧力就成了本文的主要研究对象。2.3 常见桶形件拉深缺陷桶形件拉深的两个主要缺陷是凸缘起皱和桶壁的破裂 11。起皱主要是由于凸缘切向压应力超过了板材临界压应力所引起的，与压杆失稳类似（如图 2.3） 。凸缘起皱不仅取决于切向压应力的大小，而且取决于凸缘的相对厚度。切向压应力越大越容易失稳起皱；另外凸缘区材料本身的抵抗失稳的能力，凸缘宽度越大，厚度越薄，材料弹性模量和硬化模量越小，抵抗失稳能力越小。破裂的原因是桶壁总拉应力 F增大，超过了桶壁最薄弱处（即桶壁的底部转角处）的材料强度时，拉深件产生破裂，当桶壁拉应力超过桶壁材料的抗拉强度时，拉深件就会在底部圆角与桶壁相切处“危险断面”产生破裂，要防止桶壁的拉裂，一方面要通过改善材料的力学性能，提高桶壁抗拉强度；另一方面是通过正确制定拉深工艺和设计模具，合理确定拉深的变压边力。 （图 2.4） 。图 2.3 失稳起皱 图 2.4 转角破裂起皱破裂 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 39 页2.4 影响桶形件成形的主要因素根据桶形件的成形特点及缺陷可知，造成桶形件成形缺陷的主要影响因素有模具圆角，压边力大小及形式，冲头速度和冲压深度。由于本课题的模具圆角、冲压速度、冲压深度都是是确定的，因此本文主要研究变压边力的影响 12。在冲压成形过程中，压边力是主要是用来增加材料中的拉应力，控制材料流动的，是影响冲压件成形质量的重要工艺参数。合理的压边力可以在保证质量的前提下改善材料的成形极限。压边力是影响冲压件起皱、破裂的主要因素，主要表现在：（1) 通过对板料施加法向压力和切向摩擦力来控制板料的流动，使材料产生充分的塑性变形，提高零件的刚度；（2) 防止和减小法兰部分的起皱。一般来说压边力过小，无法有效地控制材料的流动，板料容易出现起皱缺陷；压边力过大，虽然可以避免起皱，但破裂的趋势会明显的增加，同时，模具和板料液容易产生表面划伤，影响模具寿命。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 39 页3 基于 CAD/CAE 变压边力分析理论及方法3.1 基于 CAD/CAE 变压边力分析在板材成形生产中，一般用于试制模具需要近 3 年的时间，而在市场竞争日益激烈的情况下，对缩短开发周期，降低生产成本，提高产品质量有越来越迫切的要求。冲压 CAE 技术应用是让我们在产品设计的初期，对产品的成形性进行分析，及时发现产品设计中的缺陷，或者对不同的设计结构进行成形性的对比，作为结构设计部门对产品进行改进或方案确定的依据。DYNAFORM 是采用动态显示式算法，以 LSDTNA 为其解算器冲压 CAE 软件，能对高速非线性，大变形的冲压过程进行精确的模拟。该软件具有功能强大，操作简单，计算精确准确等特点 13。在 DYNAFORM 的实际应用中，计算结果的仿真模拟是确定合理的工艺参数，指导模具设计的依据。因此，计算结果的准确性是数值模拟技术的首要问题。而计算结果的准确性是由有限元模型的准确性决定的。有限元建模过程包括选择适当的网格单元对几何模型离散化，以获得有限元网格模型；以合理的方式获得仿真中准确的材料参数，摩擦润滑参数，工艺条件和各种约束条件等，建立一个可直接用于仿真计算的完整有限元模型 11。其中，有限元网格质量是决定计算效率和计算精度的主要因素。网格单元小则结果精确，但单元格数目多则计算量大，浪费计算时间：网格尺寸大则计算量大，但误差较大。不能真实反映模型特征。根据模具和板材在数据模拟下的不同特点，网格划分为如下两种：（1）在冲压成形的仿真模拟过程中，由于模具变形量很小，因此模具被视为刚体。显示算法中，这些单元都不参与运算，也不保存其历史信息。因此模具单元的大小不会影响求解运算时间。另一方面，模具表面比较复杂，曲面较多，如果网格单元尺寸过大，则网络模型无法表现模具的表面特性，造成与实际生产中的差距，如图 3.1。因此在实际应用中，应将模具的网格尺寸设置的小一点。要充分表现零件的几何形状，例如模具圆角处至少要有 35 个网格单元过渡 14。图 3.1 网格模型与模具圆角不匹配 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 39 页（2）在成形过程中，板料要经过弹性变形和塑性变形过程，因此被视为弹塑性模型。板料单元尺寸越小，结果误差越小。是板料完全成形后对模具有理想的贴模性。然而板料网格单元是参与运算的主体，是影响数值计算时间的主要因素。由于有限元控制方程的中心差分算法解的稳定条件为：tt ct=lmin 式中： 为材E料密度；E 为材料杨氏弹性模量t 为时间步长；t cr为临界时间步长 15。由（1）可知，板材网格尺寸增大 n 倍，则临界时间步长增大 n 倍，相应的计算时间缩 Z 短 n 倍。而且过小的临界时间步长将导致稳定条件的不成立，使求解运算无法进行。因此在实际应用过程中，板料网格尺寸的大小应在满足精度要求的前提下尽量大，并尽可能采用自适用网格划分 16。本文选用Dynaform来对桶形件的冲压成形进行仿真研究，因为Dynaform作为板料冲压成形的专用软件，和其他几个比较流行的软件相比，无论在易操作性、前处理、后处理和模拟的准确性上都具有很大的优势，主要表现在以下几个方面： 1) Dynaform具有功能丰富的前处理器。它具有强大的图形文件导入功能，能够方便而无数据丢失地读入IGES格式文件以及UG、Pro/E、CATIA等主流CAD软件的图形文件，同时用户也可以在Dynaform中很方便地创建点、线、面等几何模型。2) Dynaform的求解器采用了业界非常著名的非线性动力显式有限元软件Ls-Dyna。Ls-Dyna是采用显隐结合的算法进行板料成形模拟的最具有代表性的软件，计算稳定，效率高，模拟结果准确性很好。虽然Ls-Dyna也能够进行仿真，但是其材料库相对Dynaform而言就有一些欠缺，软件的易操作性也较差。3) Dynaform具有强大的后处理功能。eta-Post是ETA公司开发的一款专门针对Dynaform的后处理软件，它可以方便用户直观地得到求解结果。在eta-Post中新增加的GRAPH模块中，用户可以利用曲线图表功能来显示拉深过程中各种参数随时间变化的曲线。3.2 仿真实验流程图对桶形件冲压成形进行计算机仿真，主要包括两部分：第一，建立桶形件及冲压模具的 CAD 模型，就目前而言，几乎所有的有限元仿真软件的都具有较强的前处理功能但不具备建立复杂几何型面的功能，因此，一般情况下运用现有的大型 CAD软件（如 UG、Pro/E 等）建立桶形件与模具的曲面模型，再以一定的数据格式（如IGES 等）将零件导入仿真软件。第二，在建立好的 CAD 模型的基础上建立有限元模 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 39 页型，进行有限元的前处理、有限元分析和仿真结果分析。利用仿真软件对桶形件成形过程有限元仿真的具体操作步骤如下：(1)在三维建模软件（如 UG、Pro/E 等）中建立零件的曲面模型，然后将零件模型，然后将零件模型导入冲压仿真软件中；(2)根据所使用的冲压设备设置拉延类型，并定义接触方式和接触间隙；(3)在冲压过程的力学模型基础上划分有限元网格、网格检查、模面设计等，构建有限元模型；(4)根据选择的拉延类型，定义成形工具(如凹模、凸模、压边圈等)，建立分析模型；(5)根据零件的材料选择合适的材料模型及单元公式，然后进行毛坯尺寸计算； (6)定义拉延筋；(7)设置成形参数(如载荷、模具的运动控制、边界条件以及时间步长的设置等)；(8)提交求解器，分析计算；后置处理，包括查看材料的成形图、极限图、应力应变图、以及厚度变化图，并通过对这些图形的分析板料的成形效果，评估仿真结果，并根据此结果修改模型，直到计算结果满足要求 18。其流程图如 3.2 所示。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 39 页用 P r o / E 建 立 桶 形 板 件 板 料 及 模 具 的 几 何 模 型以 I G E S 格 式 将 零 件 模 型 导 入 D Y N A F O R M选 择 拉 延 类 型 及 接 触 算 法模 具 有 限 元 网 格 划 分 及 修 补 模 具 网 格 （ 除 毛 坯 ）定 义 成 形 工 具 （ 凹 模 、 凸 模 、 压 边 圈 等 ）定 义 材 料 属 性 、 选 择 材 料 类 型 及 单 元 公 式划 分 毛 坯 网 格 （ 自 适 应 网 格 划 分 ）建 立 桶 形 模 型设 置 加 载 曲 线 （ 渐 增 、 渐 减 等 ）设 置 成 形 参 数 （ 冲 压 速 度 、 压 边 圈 等 ）求 解 器 仿 真 计 算应 力 应 变 、 厚 度 分 析成 形 极 限 图 （ F L D ）材 料 流 动 （ 分 析 增 厚 率 、 减 薄 率 ）设 计 结 果 是 否 满 意后处理前处理不 满 意满 意开 始结 束图 3.2 在 DYNAFORM 中对拼焊板冲压成形仿真流程图 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 39 页3.3 仿真模型的建立3.3.1 模具 CAD 建模在桶形件冲压成形工艺过程仿真中，首先采用参数化设计得到不同得模具设计集合模式。它通过建立三维标准件库和常用件库，由于数据库管理系统进行管理，将所有模具典型结构中的标准件，常用件计算机化。即转化为计算机可以识别的 形式存储起来。建立起三维图形库，以供在进行模具 CAD/CAM 工作过程中调用 19。功能如下：（1）提供设计方案及内容；（2）设计过程的零部件自动装置；（3）干涉的自动处理；（4）在三维造型基础上，正确，方便，自动地生成各个零件的工程图纸；（5）当生成零部件的工程图纸时，应实现平面绘图的参数化；（6）完成所设计产品的管理；本课题借助 PRO-E 建立桶形件凸凹模 CAD 模型。桶形件冲压成形要考虑工件几何参数、模具几何参数、磨具和板料的干涉性、材料性能、压头速度、压边力等因素的影响，因此要获得正确的实验结果，就应建立合理的模型，步骤如下： 在 PRO/E 中建立凸模（图 3.4） 、凹模(图 3.5)、板料的模型，在草绘状态下绘制凸模、凹模、板料的尺寸图。初定尺寸为板料 100*10 凸模 56.8*80 凹模60*60 压边圈 100*60 拉深生成三维模型图后分别对凹模凸模到不同圆角并分别另存为一个文件以便实验调用以作比较。表 3.3 板料及模具尺寸毛坯 凸模 凹模直径d（mm）直径dp（mm）圆角半径rp（mm）直径Dd（mm）圆角半径rd（mm）100 56.8 5 60 5 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 39 页3.4 凸模图 3.5 凹模图3.3.2 前处理步骤具体设计（1）利用 PRO/E 对每一个生成的实体模型单击文件，分别保存副本，在文件类型选择*igs，修改名称，单击确定，在输出 IGES 窗口，选取曲面，坐标缺省，这样就能把相应的模型转换为*igs 文件，供 Dynaform 调用。（2）打开Dynaform软件，单击文件，选择导入项，找到刚才保存好的*igs文件，依次将凹模、压边圈、板料、凸模导入。（3）打开零件层选项，选取编辑指令，分别更改凹模，压边圈，板料，凸模的名称。（4）打开前处理选项，选取曲面指令，在选取删除指令，分别对凹模，压变圈，板料，和凸模进行删除操作。同时为了方便可以使用关闭零件层指令，提高工作效率和准确度。（5）打开前处理选项，选取单元指令，在选取曲面网格化指令，对刚才修剪过的图形凹模，压边圈，凸模进行网格化，板料不进行网格化。划分完网格如下图3.6。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 39 页图 3.6 修剪过并划分完网格的模拟图（6）在工作区右下角有个当前零件层命令，选取此指令，并且设置板料为当前层。打开工具菜单中的毛坯生成器选项，选择曲面选项把板料进行网格重新划分。（7）打开工具选项，选取定义工具指令，选择用户自定义指令，分别新建名称，凹模，压边圈，板料，凸模的选择项，在分别将这四个图形添加到包含零件层列表。工具框如下图示（3.7）图 3.7 凹凸模单元网格化参数图（8）打开工具选项，选取定位工具中的移动工具选项，设置凸模和压边圈分别向Z轴的正方向移动0.5mm，设置凹模向Z轴的负方向移动0.5mm。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 39 页（9）打开工具选项，选取定义毛坯指令，添加板料到包含零件层列表，到材料库中选择自己所要的材料，和相应的属性。如下图所示（图3.8。3.8 板料性能参数表（10）打开工具选项，选取定义工具指令，选择用户自定义选项，在用户定义工具名称中选择凸模设置定义载荷曲线，设置方向是沿Z轴，设置死亡时间是自动，设置速度是2000m/s，冲压距离为-20mm。选择冲压力为10KN。再在用户定义工具名称中选择压边圈同上定义载荷曲线，选择作用力选项，设置死亡时间为自动，输入自己实验的相应作用力。（11）单击分析选项，用 LS-DYNA 进行运算分析，设定各运算参数、运算内存，文件名称，以便后处理分析查阅使用。分析类型为 Full Run Dyna，选择重力载荷和 Dyna 输出选项，选择仅定义工具，指定工程 ID，专用内存选项。并更改保存名称。进行分析处理查阅使用。3.3.3 变压边力的加载模式及影响因素在薄板冲压成形过程中，为了防止起皱，通常对冲压件施加一定的变压边力，板料冲压成形过程中不同时期的压边力大小的要求不同，特别对车身覆盖件等形状复杂的零件往往需要对零件的不同部位施加不同的压边力。由于传统的压力机在冲压过程中，压边力一般为恒定，不能随凸模行程而改变，从而制约了板料的成形性 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 39 页能，同时影响冲压件的尺寸精度。变压边力控制技术作为改善车身覆盖件成形质量的一种简单而有效的控制手段，日益受到国内外学者的关注。变压边力是指在薄板成形过程中，压边力大小随压边圈位置和凸模行程而变化。它不仅可以显著提高冲压件的成形性能，减少和消除成形过程中的起皱、开裂和回弹的等缺陷，而且可以增强冲压成形过程中的稳定性，减少冲压件的尺寸波动。特别是随着汽车轻量化的步伐不断的加大，新材料、新工艺在车身上的使用量逐渐的增加，导致成形性能下降、回弹打、定型性能差，采用传统的恒压边力控制措施难以获得多需要的冲压质量，因而使得变压边力的控制技术对改善这些材料的成形性能，提高其成形精度的作用越发的明显 20。（1）变压边力技术可以增大成形工艺的调整范围，目前，一些机构对变压边力进行了研究，建立了一系列变压边力控制方法，并在德国、美国等发达国家得到了应用。一般来讲，目前比较典型的变压边力加载方式主要有四种：渐增型、渐减型、先增后减型和先减后增型，如图3.9所示。压边力凸 模 行 程21431渐增型 2渐减型 3先增后减型 4先减后增型 图3.9压边力控制曲线(2) 摩擦系数摩擦系数的大小对拉深成形过程的影响具有两面性。从减少板料在拉深过程中的摩擦损耗，减少桶形件壁传力区的负担来讲，凹模与压边圈和板料接触的工作表面应比较光滑，尽量减小摩擦系数，有利于改善盒形件金属流动条件，有利于材料的拉深成形。另一方面，凸模与桶形件壁之间的摩擦可以增大拉深能力。一般来说，随着摩擦系数 的增大，破裂临界压边力减小。当摩擦系数 增大时，则有板料法 兰变形区的径向拉应力增大，相应地切向拉应力减小。因而 增大时，拉深中的起皱临界压边力则减小，有利于降低起皱的可能性 21。本文根据设计书的要求取0.125。(3) 冲压速度冲压速度因其成形方式、成形条件不同而不同，因此要根据具体问题具体分析。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 39 页在现实生产中，为了提高生产效率，冲压速度一般取较大值。本文中为了研究的方便取冲压速度为2000mm/s。在设置完冲压速度和冲压距离后，打开工具选项，选取定义工具指令，选择用户自定义选项，在用户定义工具名称中选择压边圈设置定义载荷曲线，设置方向是沿Z轴，设置死亡时间是自动，选择冲压力为100KN。单击确定退出。单击修改选项修改曲线，根据加载曲线的方式设置X、Y轴的数值。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 39 页4 变压边力桶形件冲压仿真与分析4.1 变压边力曲线选择采用压边力对板料拉深成形进行控制时，初始压边力存在安全区，即位于起皱压边力和破裂压边力之间的区域（如图4.1所示） 。一般认为：在此安全区域内采用任何变压边力控制曲线均能满足拉深零件的成形要求，使成形零件即不产生起皱也不产生破裂。在此基础上，本文采用固定间隙法（即固定压边圈和凹模法兰区的间距） ，利用凸模向下运动，造成法兰区的材料和压边圈发生力的作用，从而测得拼焊板冲压成形过程中不产生起皱和破裂的极限力分别为60KN，320KN。图4.1 压边力成形窗口目前常见的压边力控制曲线有渐增型、渐减型、先增后减型和先减后增型（如图4.2所示） ，但目前对变压边力的研究多数还停留在普通光板上，桶形件的冲压成形的研究基本上采用的都是恒压边力，因此本文选取几种变压边力进行有限元模拟分析：(1) 1# 加载曲线 恒压边力型；(2) 2#加载曲线渐增型；(3) 3#加载曲线渐减型；(4) 4#加载曲线 先减后增型；(5) 5#加载曲线先增后减型。图4.2 压边力控制曲线图由于任一拉深件均存在最优恒压边力，图中先减后增型和先增后减型加载曲线的保压力的大小即为桶形件采用恒压边力冲压时的最优压边力。渐增型、渐减型压边力加载曲线是在最优恒压边力附近取值进行一定的仿真试验分析而得出相对成形 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 39 页较好的压边力 22。4.2 后处理分析方法简介前处理分析结束后，可以单击 Postprocess 进行后处理分析，主要有以下几种：（1）成形极限图（FLD 图）(图 4.3)用来评价板料的可成形性(安全和失效区域)。图中每一点的 X 坐标和 Y 坐标代表每一单元的最大和最小应变，基于零件的可成形性分析将 FLD 图（forming limit diagram） （图 4.2.1）划分为 7 个区域，断裂区域（CRACK） 、断裂危险区域（RISK OF CRACK） 、安全区域（SAFE） 、起皱趋势（WRINKLE TENDENCY） 、起皱（WARINKLE） 、严重起皱（SEVERE WAINKLE） 、不充分拉深（INSUFFICIENT STRETCH） ，每个区域用不同的颜色表示 24。（2）应变图(图 4.4 )用来模拟坯料在成形中的应变等值线变化，以评估冲压质量。数值的读取，根据所要的点颜色到图形右边的颜色柱找到对应颜色，所显示的数值即为所求的。（3）厚度图(图 4.5)用来模拟坯料在成形中的厚度等值线变化，以评估冲压质量。数值的读取，根据所要的点颜色到图形右边的颜色柱找到对应颜色，所显示的数值即为所求的。其中单位为 mm。4.3 成形极限图 4.4 应变图 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 39 页4.5 厚度图4.3 不同变压边力加载方式下桶形件冲压仿真（1）先增后减的加载方式表 4.1 不同压边力先增后减的数据表 压边力 100KN 110KN 120KN 130KN 140KN最厚处厚度 1.045 1.043 1.040 1.036 1.034最薄处厚度 0.902 0.891 0.873 0.853 0.850增厚率 9.767 10.927 12.641 14.681 14.979减薄率 4.480 4.368 4.000 3.607 3.474最大应力 308.246 314.749 323.641 337.492 339.553最小应力 -295.634 -293.694 -268.861 -296.722 -284.186最大正应变 0.219 0.223 0.226 0.236 0.237最小负应变 -0.187 -0.184 -0.175 -0.171 -0.161先 增 后 减 的 数 据 图0246810121416100KN 110KN 120KN 130KN 140KN压 边 力 /KN百分比 增 厚 率减 薄 率（a） 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 24 页 共 39 页先 增 后 减 的 应 力 变 化 图-400-300-200-1000100200300400100KN 110KN 120KN 130KN 140KN压 边 力 /KN应力值 最 大 应 力最 小 应 力（b）先 增 后 减 的 应 变 图-0.3-0.2-0.100.10.20.3100KN 110KN 120KN 130KN 140KN压 边 力应变量 最 大 正 应 变最 小 负 应 变（c）图 4.6 不同压边力先增后减的数据图由上述图表可以看出当压边力在不同的情况下，采用相同的加载方式时，既先增后减的加载方式在压边力为 100KN 时板料的变薄率最小，即变形最好。（2）渐减加载方式表 4.2 不同压边力渐减的数据表压边力 100KN 110KN 120KN 130KN 140KN最厚处厚度 1.056 1.048 1.046 1.045 1.044最薄处厚度 0.931 0.909 0.905 0.889 0.884增厚率 6.880 9.098 9.42 11.608 11.525减薄率 5.630 4.685 -4.61 4.511 4.41最大应力 217.634 281.829 271.027 287.216 276.864最小应力 -317.609 -323.526 -328.902 -320.942 -310.736最大正应变 0.210 0.221 0.226 0.223 0.225最小负应变 -0.208 -0.199 -0.199 -0.192 -0.191 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 25 页 共 39 页渐 减 的 数 据 图02468101214100KN 110KN 120KN 130KN 140KN压 边 力 /KN百分比 增 厚 率减 薄 率（a）渐 减 的 数 据 图-400-300-200-1000100200300400100KN 110KN 120KN 130KN 140KN压 边 力 /KN应力量 最 大 应 力最 小 应 力（b）渐 减 的 数 据 图-0.3-0.2-0.100.10.20.3100KN 110KN 120KN 130KN 140KN压 边 力 /KN应变量 最 大 正 应 变最 小 负 应 变（c）图 4.7 不同压边力渐减