基于CADCAE的方盒件冲压成形工艺设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 I 页 共页毕业设计说明书(论文)作 者 : 学 号：系 部 : 机械工程系专 业 : 机械工程及自动化题 目 : 基于 CAD/CAE 的方盒件冲压成形工艺设计指导者： 评阅者： 2013 年 6 月 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 II 页 共页毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要随着冲压加工技术的广泛应用，板料冲压工艺质量控制成为目前冲压技术研究的热点。起皱和断裂是板料成形过程中的主要失效形式，合理控制冲压成形过程中的各类参数，可以消除这些缺陷，提高成形性能。本文首先分析盒形件拉深机理,然后建立了包括板料、凸模、凹模以及压边圈在内的三维有限元分析模型，对方盒形件的拉深成形过程进行有限元分析，分析了凸模行程、压边力大小、凹模圆角半径、凸模圆角半径、板料材料等各种参数变化后成形性能的不同，进而得到比较合理的工艺参数，为拉深工艺设计及模具设计提供重要的参考依据，加快了设计速度。关键词 方盒形件 拉深工艺 有限元 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 III 页 共页毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Design of Square Box Force Stamping TechnologyBased on CAD/CAE AbstractAlong with stamping technology is widely applied, the quality gripe of stamping technology about the sheet metal has became the focus of the stamping technology.The primary failure modus in stamping of sheet metal parts are wrinkling and fracture. These defects may be eliminated by variable parameters and improve performance of forming. In the first part of the content, the mechanism of a drawing square box part is analyzed. And then, sheet metal、punch、die and holder pad of three-dimensional finite element analysis are established model are established. The drawing forming process of the square box part is analyzed by finite element software. Different forming performance is caused by variable parameters of punch stroke、BHF size、die fillet radius、punch fillet radius、material of sheet metal and so on is analyzed. It can get more reasonable process parameters. It can provide an important reference for the design of die and drawing technology and expedite designing pace.Keywords Square box part Technology of drawing Finite-element 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 IV 页 共页目 录1 引言 .11.1 选题的背景及意义 .11.2 基于 CAD/CAE 的冲压成型过程研究与应用 .11.3 主要研究目标及内容 .21.4 论文的组织结构 .32 方盒形件拉深成形的理论分析 .42.1 方盒形件拉深特点 .42.2 方盒形件拉深缺陷 .53 基于有限元的板料成形仿真建模 .73.1 板料成形有限元数值模拟基本理论 .73.1.1 弹塑性有限元理论 .73.1.2 板料成形数值模拟关键技术 .73.2 DYNAFORM 软件概述 .83.3 基于 DYNAFORM 的方盒件冲压成形模拟的流程 .93.4 方盒件成形仿真 .103.4.1 模型的建立 .103.4.2 前处理 .113.4.3 后处理 .154 方盒形件拉深成形的模拟分析 .164.1 不同凸模圆角半径下变形特点的分析 .164.2 不同凹模圆角半径下变形特点的分析 .184.3 不同凸模行程下变形特点的分析 .214.4 不同压边力下变形特点的分析 .244.5 不同材料下变形特点的分析 .264.6 根据分析结果设计优化方案 .294.7 小结 .30结束语 .32致谢 .34参考文献 .35 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 36 页1 引言1.1 选题的背景及意义冲压是通过模具对板材施加压力或拉力，使板材塑性成形，有时对板料施加剪切力而使板材分离，从而获得一定尺寸、形状和性能的一种零件加工方法 1。近年来，冲压成形工艺有很多新的进展，特别是精密冲裁、精密成形、精密剪切、复合材料成形、软模成形以及电磁成形等新工艺日新月异，冲压件的成形精度更加精确，生产力也得到了提高。前几年的精密冲压主要指对平板零件进行精密冲裁，而现在，除了精密冲裁外还可兼有精密弯曲，精密拉伸，压印等，可以进行复杂零件的立体精密成形 2。由于引入了计算机辅助工程（CAE） ，冲压成形已从原来对应力应变进行实际冲压试验分析而逐步发展到采用计算机进行工艺过程的模拟与分析，以实现冲压过程的优化设计。随着冲压成形工艺的不断发展，冲压 CAE 技术水平的不断提高，软件使用者经验及相关数据的不断积累，它在缩短产品及模具的开发周期，降低开发成本、提高产品及模具质量等方面将发挥越来越重要的作用 3。此外，对冲压成形性能和成形极限的研究、冲压件成形难度的判断以及成形预报等技术的发展，均标志着冲压成形已从原来的经验、实验分析阶段开始走上由冲压理论指导的科学阶段，使冲压成形走向计算机辅助工程化和智能化的发展道路 4。本课题首先选取了简单的非轴对称件方盒形件作为研究起点，针对智能数控冲压机床对压边力控制的要求，借助 CAD/CAE 手段通过改变法兰分区、速度大小、凸模行程、凸凹模圆角半径和压边力方式进行板料的成形性能的有限元分析仿真，探讨方盒件冲压成形工艺。1.2 基于 CAD/CAE的冲压成型过程研究与应用冲压工艺贯穿于冲压产品生产的全过程。冲压 CAE 技术是从冲压成型过程的实际物理规律出发，借助计算机真实地反映模具与板料的相互作用关系及板料实际变形的全过程，可以用来观察板料实际变形过程中发生的任一特定现象，或用来计算与板料实际变形过程有关的任一特定几何量或物理量。该技术的应用，提高了工艺分析能力和分析结果的准确性，为并行工程的实施提供了有力支持和保障，将传统 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 36 页产品设计过程的大循环缩短为创新 CAE 技术产品设计的小循环 4。随着市场竞争的加剧，冲压 CAE 技术会得到更广泛的应用，同时也会得到自身功能的更好完善 5。CAE 技术在不断的发展，CAE 软件的易用性及计算的准确性都在不断地提高，在产品开发中发挥的作用也越来越重要，但真正要把软件用好，还有不少困难需要克服： （1）理论计算与生产实际的偏差。在计算机中模拟的状态都是一种理想化的状态，而实际生产中，各种冲压条件不可能与计算机中的一模一样，摩擦条件的变化、不同批次材料参数的变化都会给冲压成型带来不一样的结果。因此不能苛求计算结果百分之百的准确。这需要在分析中预留一定的安全裕度，也需要分析人员在工作中不断总结经验 ，提高对仿真结果进行合理判断、解释的能力 6。 （2）产品成形性能是与具体的冲压工艺密切相关的，而进行产品开发时不可能给分析人员很多时间去做很多个工艺方案来进行分析。这就要求分析人员也要具备丰富的冲压工艺经验，能在最短的时间内做出最合理工艺的判断，并用这个最合理的工艺来做产品成形性能的分析。同时，CAE 软件的模面构造(DFE)功能在处理复杂零件时还有一定的局限性，这也给产品成形性能的分析带来一定的困难 7。 （3）等效拉延筋。等效拉延筋的使用给模具方案的比较及工艺参数的修改带来了很大的方便，但提供的等效拉延筋的锁模力与实际拉延筋的大小如何对应仍然需要工艺人员去做大量的数据积累 8。 （4） 回弹的分析与补偿。一是目前冲压 CAE 软件对回弹的计算都用的是静态隐式算法 ，回弹计算的精度仍然是个世界性的难题；二是软件本身不给出回弹补偿量的推荐 ，需要分析人员人为地去估计，并一次次地计算，以求得最佳结果，而且每次都要完整地走完一次成形分析流程，这往往需要很长的时间 9。1.3 主要研究目标及内容方盒形件由于属于非轴对称件，是研究复杂几何形状件的冲压成形工艺的基础。本课题首先选取了简单的非轴对称件方盒形件作为研究起点，针对智能数控冲压机床对压边力控制的要求，借助 CAD/CAE 手段通过改变法兰分区和压边力方式进行板料的成形性能的有限元分析仿真，探讨方盒件冲压成形工艺。本课题研究内容及研究问题归纳如下：(1) 研究盒形件拉深成形的特点和成形机理，确定盒形件成形的力学分析模型； 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 36 页(2) 分析方盒形件拉深过程中所产生的缺陷，确定影响成形质量的因素，并初步提解决方案；(3) 板料成形的有限元数值模拟基本理论及 Dynaform 软件的数值模拟过程，制定研究盒形件成形工艺的具体仿真实验方案；(4) 根据盒形件的成形机理确定仿真实验模具和板料参数，使用 Pro/E 进行 CAD建模，运用 Dynaform 建立冲压模具、压边圈、板料的有限元模型，选定合适的试验参数。本论文将对仿真模型进行以下分析：(a) 通过改变凸、凹模的圆角变化，确定其对拉深质量的影响。(b) 在确定凸凹模圆角半径下进一步分析拉深深度的影响；(c) 拉深过程施加不同的压边力，找出压边力对成形质量的影响特点，从而确定合适的合适的压边力大小；(d) 调整凸模和凹模的间隙，分析凸、凹模间隙对成形质量的影响；(e) 在板料不同材料下分析其对拉深质量的影响；(5) 通过以上模拟分析，找出成形性好（无缺陷）同成形高度、材料参数和成形几何参数等成形参数的关系，然后进一步优化方盒冲压成形工艺。为实际生产节省大量的费用和时间，也为拉深工艺设计及模具设计提供重要的参考依据 10。1.4 论文的组织结构本论文各章节的内容安排如下：第 1 章简要介绍本课题研究的背景和意义，分析了国内冲压成形工艺的现状，确立课题的研究内容和目标，阐述了论文的结构安排。第 2 章介绍方盒件的特点以及成形过程中的主要缺陷及造成这些缺陷的主要因素。第 3 章在 DYNAFORM 中建立方盒件冲压模具及板料的有限元模型。第 4 章利用 DYNAFORM 对影响方盒件冲压成形的关键因素 压边力、冲压行程、凸凹模圆角半径和板料的不同材料进行模拟分析，总结出这些因素对成形的影响过程和控制方法，对方盒件冲压成形工艺参数的选择提供可靠依据。第 5 章总结所做课题 ，在完成这课题中自己所得的收获和感想。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 36 页2 方盒形件拉深成形的理论分析2.1 方盒形件拉深特点盒形件拉深时，不仅在直边部分的凹模圆角处产生弯曲变形，而且在法兰区产生切向收缩、径向伸长的变形与圆角区的变形性质基本相同。通过分析盒形件成形机理指出，盒形件变形时，变形区圆角处与直边处的金属由于位移不同而诱发的剪应力能降低圆角处传力区的轴向拉应力；由于变形区直边处产生拉深变形，使圆角处变形区的变形抗力得到降低 11。方盒件属于非轴对称零件，与旋转体轴对称零件拉深比较，方盒件拉深时毛坯变形区的变形分布要复杂的多。方盒件的拉深特点是：(1) 凸缘变形区内径向拉应力的分布是不均匀的。它在圆角部分最大，在直边部分最小。即使在角部，平均拉应力也远小于相应的圆筒形件的拉应力 12。(2) 由于直边和圆角变形区内材料的受力情况不同，直边处材料向凹模流动的阻力要远小于圆角处，并且直边处材料的径向伸长变形小而圆角处材料的径向变形大，使变形区内两处材料的位移量亦不相同，直边处大于圆角处 13。(3) 在毛坯外周边上，切向压应力的分布也是不均匀的。从角部到中间直边部位，压应力的数值逐渐减小。通常情况下，起皱都发生在角部，但是起皱的趋势要小于拉深相应的圆筒形零件时的情况 14。在拉深过程中，随着凸模的不断下行，留在凹模端面上的毛坯外径不断缩小，圆形毛坯逐渐被拉进凸、凹模间的间隙中形成直壁，而处于凸模下面的材料则成为了拉深件的 底，当板料全部进入凸、凹模间的间隙时拉深过程结束，平板毛坯就变成具有一定的直径和高度的开口空心件。与冲裁相比，拉深凸、凹模的工作部分不应有锋利的刃口，而应具有一定的圆角，凸、凹模间的单边间隙稍大于板厚 15。从几何形状特点看，可将矩形盒状零件划分成两个长度为（A-2r）和两的长度为（B-2r）的直边加上 4 个半径为 r 的 1/4 圆筒部分组成。圆角部分的变形相当于直径为 2r、高为 H 的圆筒件的拉深，直边部分的变形相当于弯曲。但实际上圆角部分和直边部分是联系在一起的整体，因此盒形件的拉深又不完全等同于简单的弯曲和拉深，有着自己的变形特点，可以通过网格实验进行验证 16。拉深前，在毛坯的直边部分划分相当垂直的等距平行线网格，在毛坯的圆角部分，划分等角度的径向放射线与等距离的同心圆弧组成的网格。变形前直边处的横 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 36 页向尺寸是等距的，纵向尺寸也是等距的。拉深后，零件表面的网格发生了明显的变化，主要表现在两个方面。(1) 直边部位的变形直边部位的横向尺寸变形后，间距逐渐缩小，愈向直边中间部位缩小愈少。纵向尺寸变形后，间距逐渐增大，愈靠近盒形件口部增大愈多。可见，此处的变形不同于纯粹的弯曲。(2) 圆角部位变形拉深后径向放射线变成上部距离小的斜线，而非与低面垂直的等距平行线。同心圆弧间距不在相等，而是变大，越向口部越大，且同心圆弧不位于同一水平面内。因此，该处的变形不同于纯粹的拉深。根据网格的变化可知盒形件拉深有以下变形特点。(a) 盒形件拉深的变形性质与圆筒件一样，也是径向伸长，切向缩短。沿径向愈往口部伸长的愈多，沿切向圆角部分变形大，直边部分变形小，圆角部分的材料向直边流动，即盒形件的变形是不均匀的。(b) 变形的不均匀导致应力的分布不均匀。在圆角的中点应力最大，向两边逐渐减小，到直边的中点应力最小。故盒件拉深时要产破坏，首先就发生在圆角处。又因圆角处材料在拉深时容许向直边流动，所以盒形件与相应的圆筒件比较，危险断面处受力小，拉深时可采用小的拉深系数，也不容易起皱。(c) 盒形件拉深时，由于直边部分和圆角部分实际上是联系在一起的整体，因此两部分的变形相互影响。影响的结果是：直边部分除了产生弯曲变形外，还产生了径向伸长，切向压缩的拉深变形。影响的程度，随盒件形状不同而不同，也就是说随相对圆角半径 r/B 和相对高度 H/B 的不同而不同。r/B 愈小，圆角部分的材料向直边部分流的愈多，直边部分对圆角部分的影响愈哒，使得圆角部分的变形程度比相应的圆筒件的小。当 r/B=0.5 时，直边不存在，盒形件成为圆筒件，其变形就与圆筒件一样了。当相对高度 H/B 大时，圆角部分对直边部分的影响就大，直边部分的变形与简单弯曲的差别就大 18。2.2 方盒形件拉深缺陷由于盒形件的成形情况较为复杂，既包括圆角部分的圆筒形拉深,又存在直边上的弯曲和拉延,加之盒形件的应力应变状态也很难分析,所以它的成形工艺设计和控 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 36 页制变形非常困难，其成形过程常常产生许多缺陷，如起皱、拉裂、回弹、内凹、弹复补偿不当、滑痕、形状歪扭等。其中起皱和拉裂是最主要的缺陷。(1) 拉裂体现在板料的减薄量上，可以用最薄壁厚表示。零件拉裂容易出现的两个地方，一是凸缘圆角处，主要原因是凹模的相对圆角半径过小；另一个是直壁与底部转角相切的“危险断面”处。拉深后的工件的厚度沿底部向口部方向是不同的，直壁的上部厚度增加，约 10%；而“危险断面”的厚度最小，厚度减少近 20%，所以拉深时容易被拉裂。根据模拟总结出以下因素：压边力太大、压边力过小引起起皱，因皱纹不能通过凸、凹模间隙引起拉裂、 、凹模圆角半径太小、凸模圆角半径太小、拉深行程过大。调整方法：减小压边力、增加压边力、加大凹模圆角半径、加大凸模圆角半径、减小拉深行程。(2) 起皱是盒形件拉深成形中的主要缺陷,起皱，简单来说就是由于切向压应力过大而使凸缘部分失稳造成的，类似于压杆两端受压力时的失稳。通过仿真分析，起皱的有以下的因素：压边力的太小、凸、凹模的间隙太大、凹模圆角半径太大。调整方法：增加压边力、减小拉深间隙、减小凹模圆角半径。 而压边力是控制起皱的主要手段。材料性能参数中强度系数 K、硬化指数 n 对起皱临界压边力影响较大 , 而塑性应变比 对临界压边力几乎没有影响; 临界压边力随拉深行程增加而增大, 凹模圆角增大时, 临界压边力减小, 凸、凹模间隙对临界压边力影响较小，我们可以通过改变以上参数来解决冲压中起皱现象 19。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 36 页3 基于有限元的板料成形仿真建模本章简要阐述了有限元基本理论，论述了有限元法的分析过程，和以有限元分析为基础的 DYNAFORM 软件的特点，建立了基于 DYNAFORM 的方盒形件有限元模型。3.1 板料成形有限元数值模拟基本理论3.1.1 弹塑性有限元理论金属塑性成形的有限元理论分为固体型塑性有限元法和流动型塑性有限元法。前者包括小变形和大变形弹塑性有限元法，后者包括刚塑性有限元法和粘塑性有限元法。研究板料成形过程主要采用弹塑性有限元法，特别是大变形弹塑性有限元法。弹塑性有限元法同时考虑弹性和塑性变形，弹性区采用 Hook 定律，塑性区采用Prandti Reuss 方程和 Mises 屈服准则。大变形弹塑性有限元法以有限变形理论为基础，考虑到了大变形过程由于大位移和大转动对单元形状和有限元计算的影响。采用弹塑性有限元法分析金属成形过程，不仅能够按照变形路径得到塑性区的变化，变形体的应力、应变分布规律和大小以及几何形状的变化，而且还能有效处理卸载问题，计算残余应力和残余应变，从而可以进行回弹计算和缺陷分析预测。弹塑性有限元法采用增量加载，为保证精度和解的收敛性，每次加载不能使许多单元同时屈服，这样使得每次计算的时候变形增量不能太大，所以计算时间相对较长，效率较低 20。3.1.2 板料成形数值模拟关键技术板料成形数值模拟技术涉及到塑性力学、有限变形理论、有限元理论、板壳理论、计算数学、计算机辅助设计、计算机图形学和可视化技术等多方面的理论和技术，其中核心内容和关键技术如表 3-1 所示。下面详细阐述拼焊板成形数值模拟中的一些关键技术。表 3.1 板料成形数值模拟中的核心内容和关键技术核心内容 关键技术1.模具和工件的几何建模 点阵法、解析法、有限元网络法、参数法2.有限元力学模型的建立 有限变形理论、应力状态、应变状态3.有限元分析模型的建立 有限单元类型选择、有限元网络划分4.板壳理论 板壳理论基本假设、各种板壳单元计算效率和精度5.弹塑性本构关系 屈服准则的建立、流动准则的建立6.模具和工件间接触界面处理 接触点处理、接触力计算、接触应力的计算 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 36 页7.模具和工件间摩擦力的计算 摩擦机理、摩擦定律、摩擦力计算8.有限元方程的求解方法 隐式法、显式法、隐式显式综合法(1) Barlat 屈服准则1989 年 Barlat 和 Lina 提出了 Barlat 屈服准则，它能够合理描述具有较强织构各向异性金属板的屈服行为，并且和由多晶塑性模型得到平面应力体心立方和面心立方金属板料的屈服面是一致的。研究表明年 Barlat 和 Lina 的屈服条件能更合理的描述具有较强各向异性金属板的屈服行为，更全面的反映面内各向异性和屈服函数指数 M 对板料成形过程中的塑性流动规律及成形极限的影响 21。(2) 单元类型在板料成形分析时一般采用在一定假设下建立起来的板壳单元，使问题规模得以减小。由于板壳理论本身是近似化的产物，不少研究者对板壳理论的几何关系、物理关系及平衡条件等提出简化，导致在板料成形有限元分析中单元选择非常多。在众多单元中，Hugues-Liu 单元和 Belytschko-Tsay 单元的应用的较广的两种壳体单元。HL 单元是从三维实体单元退化而来，计算精度高，但计算量大。BT 单元采用了基于随动坐标系的应力计算方法，而不必计算费时的 Jaumann 应力。计算效率高。在显式有限元分析中，BT 壳单元成为最有效的一种单元 22。3.2 DYNAFORM软件概述DYNAFORM 是由美国工程技术联合公司开发的一个基于 LS-DYNA 的板料成形模拟软件包。作为一款专业的板料成形 CAE 分析软件。DYNAFORM 综合了 LS-DYNA960、LS-DYNA970 的强大分析功能以及自身强大的流线型前后处理功能。DYNAFORM 的分析引擎采用国际著名的 LS-DYNA 求解器，它是有位于美国加利福尼 LSTC 公司开发的。它是一个通用、非线性、动态、利用显式和隐式求解方法的有限元分析编码软件，可应用于流体和固体结构问题。DYNAFORM 能够对整个模具开发过程进行模拟，从而大大减少模具的调试时间和降低生产高质量覆盖件和其他冲压件的成本，并且能够有效地模拟模具成形过程中四个主要工艺过程：压边、拉深、回弹和多工步成形。DYNAFORM 可以较好地预测成形过程中材料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。与其他的有限元分析软件相比，DYNAFROM 软件有如下几个方面的技术特点：(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 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 36 页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。(4) 支持从个人机、工作站到巨型机的所有硬件平台。可兼容个人机、工作站、大型机及巨型机等硬件平台上的全部数据文件。在个人机、工作站、大型机及巨型机等硬件平台上具有统一的用户界面。可与大多数的 CAD 软件集成并有接口。具有智能网格划分。良好的用户开发环境 23。3.3 基于 DYNAFORM的方盒件冲压成形模拟的流程对方盒件冲压成形进行仿真，主要包括两个步骤：(1) 建立板料及冲压模具的 CAD 模型，可以用 DYNAFORM 的前处理功能直接建立，也可以用 3D 软件（如 UG、Pro/E、CATIA 等）建立板料与模具的曲面模型，再以一定的数据格式（如 IGES 等）将零件导入仿真软件。(2) 在建立好的 CAD 模型的基础上建立有限元模型，进行有限元的前处理、有限元分析和仿真结果分析。在 DYNAFORM 对方盒件成形过程有限元仿真的具体操作步骤如图 3.1 所示。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 36 页用 P r o / E 建 立 方 盒 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 分模 具 网 格 检 查 及 修 补划 分 毛 坯 网 格 ( 如 自 适 应 网 格 划 分 )定 义 成 形 工 具 （ 凹 模 、 凸 模 、 压 边 圈 、 板 料 ）定 义 材 料 属 性 ， 选 择 材 料 模 型 及 单 元 公 式 ( 如 B T )设 置 成 形 参 数 ( 如 压 边 力 、 冲 压 速 度 等 )建 立 方 盒 件 模 型求 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 动设 计 结 果 是 否 满 意后处理前处理不 满 意满 意开 始结 束修改几何模型或成形参数图 3.1 方盒件冲压成形模拟流程图3.4 方盒件成形仿真3.4.1 模型的建立方盒形件成形智能多参数工艺智能选择系统是在考虑到冲压件受工件几何参数、模具几何参数、材料性能、摩擦系数、材料厚度、冲压力、拉深极限、变压边力等因素的影响，因此要获得良好的实验效果，首先应建立合理工艺模型，步骤如下：(1) 确定方盒形件的尺寸；在 PRO/E 中建立凸模、凹模、板料的模型，在草绘状态下绘制凸模、凹模、板 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 36 页料的尺寸如下图。对于凸模和凹模草绘后进行拉深，拉深深度为凸模 80mm，凹模100mm；对板料草绘后填充。图 3.2 凸模的尺寸 图 3.3 凹模的尺寸(2) 根据工件尺寸利用 Pro-e 建立方盒形件的*.igs 格式文件；对生成的实体模型单击文件，保存副本，文件类型选择*igs，单击确定，在输出 IGES 窗口，选取曲面，坐标缺省，单击确定。这样就能把相应的模型转换为*igs文件，供 Dynaform 调用。同时将相应的实体模型保存以便在后面改变模具参数重新建模所用。3.4.2 前处理(1) 将*.igs 数据导入 DYNAFORM 并对模型进行单元网格化处理。打开 Dynaform 软件，单击 file，选择 imput 项，找到刚才保存的*igs 文件，依次将凸模、板料、凹模导入，凹模导入两次，因为要将其中一个凹模文件做成压边圈。图 3.4 导入凸模 图 3.5 导入板料 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 36 页图 3.6 导入凸模 图 3.7 导入后的模型单击 Parts，选择 Edit，在 Edit part 窗口为导入文件重新命名。单击 Preprocess（前处理） ，选择 surface 对导入的模型进行处理，删除不必要的表面，在 Surface 窗口选择 ，在 selectByCursor 选择 ，然后在窗口中选中不需要的表面，单击 OK 即可。删去相应的表面后如图所示。图 3.8 表面处理后的模型单元网格化处理，单击 Preprocess（前处理） ，选择 Element，选中 ，相应的单元的参数设置如下图，Max.Size 为 30.000，Min.Size 为 0.5，Chordal Dev为 0.150，Angle 为 20.000,Gap tol 为 2.500，Ignore Hole Size 为 0.000。然后点击 Select Surfaces，点击 ，分别对凸模、凹模、压边圈进行网格化。对如板料的网格化 Tools，选择 Blank Generator，单击 SURFACE，选中板料，在 Mesh Size 窗口，Tool Radius 为 1.750000，单击确定，板料单元网格化完成。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 36 页图 3.9 网格化后的模型(2) 定义板料的材料与属性，模具间距。板料的材料和属性设定，单击 Tools，选择 Define Blank，单击 Add 添加板料B 为毛胚，然后点击 Material，单击 MaterialLibrary，进入材料库窗口选择低碳钢Mid 中 DQSK，Type37 所对应的材料。相应的中文参数如表 3.2 所示 24。表 3.2 材料性能参数厚度t/ mm宽度L/ mm屈服极限 MPas/强度系数K/ MPa厚向异性指数r应变强化指数n1 200 154.30 512.2 1.65 0.23单击 Property，在 Property 窗口单击 New 按钮，新建板料属性，UNIFORM THICKNESS（板厚为 1mm）为 1.000000E+000。模具间隙的确定，首先定义模具，单击 Tools，Define Tools，选中 User Define Tools，然后在 User Define Tools Neme 中打击 New 按钮新建用户工具，并在 Include Parts List 中选择相应的模型件。其中 t 对应凸模，b 对应板料，y 对应压边圈，a 对应凹模。定义模具间的距离，单击 Tools，Position Tools 中 Move Tools，选择要移动的模具，在 Distance 中输入移动距离，移动方向为 Z Translation。使得 t 在 Z 方向移动 0.5mm，y 在 Z 方向移动 0.5mm,a 在 Z 方向移动-0.5mm。(3) 定义凸模的运动和压边力。单击 Tools，选择 Define Tools，选择 User Define Tools，选中 t，然后单击Define Load Curve 按钮，Curve Type 选择 Motion，Z 方向，选择 Set Death Time,单击 Auto 按钮，定义凸模的运动，Veloctity（速度），Stroke Dist（冲压行程）负号表示 Z 的负方向，然后单击 OK 即可。定义压边力，选中 y，单击 Define Load Curve 按钮，Curve Type 选择 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 36 页Force，Z 方向，选择 Set Death Time,单击 Auto 按钮,定义作用在压边圈上的压边力，Force 输入压边力的大小，打击 OK 即可。图 3.10 凸模运动情况 图 3.11 作用在压边圈上的压力(4) 对模型进行有限元计算。单击 Analysis，选择 LS_Dyna，为了在后处理中能够较好的观察成形过程，一般设定 STEP=20。求解器采用 Full Run Dyna,求解器精度采用单精度。同时在计算机内存较大时，为了加快运算速度，可以适当提高 DYNAFORM 运算器的内存值。打击OK 即可进行有限元的计算。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 36 页图 3.12 Analysis 的参数设置3.4.3 后处理在仿真结束后， 可以进入 DYNAFORM 的 PostProcess 的后处理环境，进行一系列后处理。(1) 等值线对单元应力和相关的结果等进行显示。在同一等值线上是以同一颜色显示的，相应的等值线值在图形窗口右边的颜色柱显示 (图3.13(a)。(2) 矢量图标将结果以矢量形式显示(图 3.13(b)，对材料的流动性进行显示。(3) 成形极限图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 3.13(c)）划分为 7 个区域，CRACK 断裂区域、RISK OF CRACK 断裂危险区域、SAFE 安全区域、WRINKLE TENDENCY 起皱趋势、WARINKLE 起皱、SEVERE WAINKLE 严重起皱、INSUFFICIENT STRETCH 不充分拉深，每个区域用不同的颜色表示 25。(4) 厚度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(图3.13(d)。(a) 成形等值线图 (b) 成形矢量图 (c) 成形 FLD 图 (d) 成形厚度图图 3.13 后处理图最大正应力最大负应力最大减薄率最大增厚率最小厚度最大厚度 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 36 页4 方盒形件拉深成形的模拟分析方盒形件是薄板金属冲压中较难成形的一类零件，并且在其成形过程中的变形特点具有一定的典型意义，因此很有必要对其进行数值模拟。在方盒形件拉深成形过程中，板材不同部位的受力状态、变形方式以及变形性质存在较大差异，材料的性能参数、模具几何参数和压边力等因素，都影响着方盒形件的成形规律和拉深性能。对方盒形件成形质量的产生影响的主要因素主要有压边力、凸模行程、凸、凹模圆角半径等工艺参数 26。4.1 不同凸模圆角半径下变形特点的分析凸模圆角半径的大小影响冲压成形的拉深质量。以下是在不同凸模圆角半径下的所得的数据和分析结果。采用方案如下：(1) 凸、凹模的间隙为 1.1mm，直壁转角 10mm，凹模圆角 10mm；(2) 材料参数如表 3.2；(3) 压边力大小为 P=230KN，拉深行程 25mm，拉深速度 2500mm/s。根上述的参数设定在 DYNAFORM 中进行分析，分别采用不同的凸模圆角进行模拟，模拟实验结果如表 4.1 所示：表 4.1 不同凸模圆角半径下成形数据凸模圆角 mm 6 8 10 12 16 20最大变薄率% 26.04 23.57 21.04 18.30 15.97 14.14最大变厚率% 5.70 5.40 5.01 4.82 4.21 3.85最大正应变 0.33 0.31 0.30 0.28 0.22 0.17最大负应变 -0.31 -0.30 -0.29 -0.27 -0.22 -0.17最大正应力 Pa 354.72 361.30 345.06 348.14 338.42 323.31最大负应力 Pa -338.40 -334.72 -327.30 -326.91 -315.26 -312.38 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 36 页不 同 凸 模 圆 角 半 径 的 薄 厚 变 化0510152025306 8 10 12 16 20凸 模 圆 角 半 径百分比 最 大 变 薄 率 %最 大 变 厚 率 %(a)不 同 凸 模 圆 角 半 径 的 应 变 的 变 化-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.46 8 10 12 16 20凸 模 圆 角 半 径应变量 最 大 正 应 变最 大 负 应 变(b)不 同 凸 模 圆 角 半 径 应 力 的 变 化-400-300-200-10001002003004006 8 10 12 16 20凸 模 圆 角 半 径应力Pa 最 大 正 应 力最 大 负 应 力(c)图 4.1 不同凸模圆角半径下薄厚、应变、应力的变化 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 36 页(a) 凸模圆角半径 6mm(b) 凸模圆角半径 8mm (c) 凸模的圆角半径 20mm图 4.2 不同凸模圆角半径的极限图结果分析：(1) 凸模圆角半径在 6mm 时在圆角处出现拉裂的情况。半径 8mm-16mm 间的成形较好，均未出现拉裂的情况，但在半径为 20mm 时成形的方盒件质量差。从起皱方面，各凸模圆角半径下的起皱情况大致相同。(2) 从拉深的薄厚图可见，当凸模圆角半径减小，板料的变薄越严重，主要变薄区分布在底面圆角的周围，造成圆角处的拉裂。凸模圆角半径对应力和应变的影响并不明显。由上述分析可以知道，凸模圆角半径不能过小，根据理论计算应该在（11.6）r 凹 ，所以凸模圆角半径在 16mm 左右最合适。4.2 不同凹模圆角半径下变形特点的分析凹模圆角半径的大小直接影响着冲压成形的质量。以下是在冲压成形过程中，对不同凹模圆角半径下成形结果的分析。采用方案如下：拉裂 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 36 页(1) 凸、凹模的间隙为 1.1mm，直壁转角 10mm，凸模圆角 10mm；(2) 材料参数如表 3.2；(3) 压边力大小为 P=230KN，拉深行程 25mm，拉深速度 2500mm/s。根据上述的参数设定在 DYNAFORM 中进行分析，分别采用不同的凹模圆角进行模拟，模拟实验结果如表 4.2 所示：表 4.2 不同凹模圆角半径下成形数据凹模圆角 mm 6 8 10 12 16 20最大变薄率% 24.18 22.13 21.04 20.15 17.92 15.76最大变厚率% 5.09 5.13 5.01 4.88 4.37 3.79最大正应变 0.35 0.33 0.30 0.28 0.23 0.18最大负应变 -0.32 -0.31 -0.29 -0.26 -0.21 -0.17最大正应力 Pa 349.41 346.38 345.06 344.86 343.44 326.01最大负应力 Pa -324.13 -329.20 -327.30 -328.26 -320.35 -310.48不 同 凹 模 圆 角 半 径 的 薄 厚 变 化0510152025306 8 10 12 16 20凹 模 圆 角 半 径百分比 最 大 变 薄 率最 大 变 厚 率(a)不 同 凹 模 圆 角 半 径 的 应 变 变 化-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.46 8 10 12 16 20凹 模 圆 角 半 径应变量 最 大 正 应 变最 大 负 应 变(b) 本 科