薄板成型工艺仿真模拟

薄板成形工艺仿真模拟摘要：薄板的冲压加工过程属于复杂的冲压拉深变形工艺。本文利用有限元软件DYNAFORM的工程模块对天圆地方连接件成型过程及翻边过程进行仿真.主要研究并估算了工件坯料的外形尺寸，确定了工件在成形后的厚度变化、成形极限图、第一主应力的变化情况等，且得到了厚度与应力变化之间的关系。结果表明应用DYNAFORM软件进行辅助设计可以及时预测破裂起皱等现象并且能够缩短研发周期。关键词：翻边，仿真，DYNAFORM，冲压加工ISheetMetalFormingProcessSimulationAbstract：Thesheetstampingprocessbelongstothecomplicatedstampingprocessfordeepdrawingdeformation.Inthispaper,weusedengineeringmoduleoffiniteelementsoftwareDYNAFORMtodomoldingprocesssimulationandflangingprocesssimulationoftheconnectingpartthatsquarechangetoround.Weestimatedtheshapeoftheworkpiecesize,anddeterminethechangesonthethicknessoftheworkpieceafterforming,theforminglimitdiagram,andthefirstprincipalstresschanges,andgottherelationshipbetweenthethicknessandstresschanges.TheresultsshowedthatapplicationDYNAFORMaideddesignsoftwarecanpredictrupturetimelywrinklingandcanshortenthedevelopmentcycle.Keywords:Flanging,Simulation,Dynaform,Stampingprocessing目录1绪论.11.1研究背景.11.2成形过程仿真研究意义.21.3国内外研究现状与发展趋势.21.3.1更为强大的网格处理能力.31.3.2由求解线性问题发展到求解非线性问题.31.3.3程序面向用户的开放性.31.4研究内容、方法、手段.42板料成形有限元模拟的基本理论及方法.52.1有限元简介.52.2板料成型有限元模拟的基本方法.52.2.1塑性材料基本假设.52.2.2板料成型的理论计算过程.63有限元软件DYNAFORM综述.83.1基本简介.83.1.1DYNAFORM前处理.83.1.2DYNAFORM求解器.83.1.3DYNAFORM的后处理.94天圆地方连接件仿真过程设计.104.1天圆地方的结构及加工工艺简介.104.2研究的具体方法.114.2.1天圆地方管冲压几何模型.114.2.2导入DYNAFORM软件.164.2.3编辑数据库中的零件层.174.2.4网格划分.184.2.5网格检查.184.2.6成形参数设置.194.2.7数值模拟计算.214.2.8启动后处理.224.2.9成型极限图（FLD）分析.234.2.10厚度变化图.264.2.11动画仿真过程（见视频文件）.295总结.30参考文献.31致谢.3201绪论1.1研究背景薄板成型是个很复杂的变化过程，成型的质量受许多因素的影响。传统的冲压由于没有计算机辅助设计所以加工工艺和模具的设计都需要技术人员根据以往的经验层层把关。这样不仅占用了大量的资源，而且需要投入大量的时间。随着科技发展大量的计算机辅助技术正在应用于冲压成形的过程，薄板成形正在进入新的领域。随着计算机科学的飞速展以及有元技术的日益完善，现实生产中CAE技术的应用也越来越广泛。成功的运用CAE技术，不但缩短了模具和产品的开发周期，降低了成本，提高市场竞争能力，而且便于将传统实验方法及有限元分析法相结合，以推动磨具制造行业快速发展，国内外已有很多学者做了这方面的研究Error!Referencesourcenotfound.。由于当今市场竞争越来越激烈，时间久相当于是一切，而传统的工艺在模具方面所需要的时间太多，传统工艺已经跟不上快节奏的当今社会了。相比传统工艺而言，使用计算机辅助技术进行模具设计的优点非常明显。世界许多国家都在积极地开发可以用于模具设计的新技术。这样新技术能否成功使用将直接影响到模具设计的质量及速度，也将影响到日后模具制造生产的方向。为了保障顺利的进行产品设计，在利用DYNAFORM软件可以在设计师及时发现存在的问题，并且进行修改，因此开展对板料成型研究具有重要意义。由于社会生产力的发展和世界经济一体化，产品的要求也日渐多样化，市场竞争日益激烈。制造行业要想生存，就必须推出市场上适销的、质量高的产品；同时，为跟紧日新月异的市场，那么企业就要不断推陈出新，大幅缩短产品升级换代的周期。对于现代制造业来讲，要求企业可以在很短的时间里完成产品的设计、试制造、定型和生产，及时推入市场，在竞争时占据先发优势。有限元相关软件的开发正顺应了这种潮流，这些软件可以给人们提供的帮助有：设计产品工艺流程和工具，降低现场试验成本；提高设计效率，减少生产成本；大幅缩短新产品的开发周期。DYNAFORM不同于其他的有限元软件，它是专门1为金属板料成形所设计的。它拥有很友好的用户图形界面，可以很好地帮助用户进行数据准备和成形分析。因此工程人员就可以从学习系统中解脱，更好的进行工艺分析。DYNAFORM软件是针对板料成形数值模拟分析的专业软件，它包括前后处理器及模拟器三个模块。前处理器主要处理坯料和模具的材料几何信息的输入、成形的条件输入，边界条件的建立等模拟条件的输入；后处理器是将求解器的输出结果以图形方式显示给使用人，以便得出结论4。1.2成形过程仿真研究意义翻边工序的仿真试验提出了用毛坯确定修边线的方法,在实际生产应用表明这种方法确实可行。它不同于以往的解析模式，只从理论的角度分析。翻边时许多的因素都会影响到翻边质量，在分析时建立全面考虑到这些因素的模型很难，只能分析简单的翻边零件。而在仿真分析时则结合各种影响因素，在软件中完成整个模拟过程，从而节省大量资源，可以更好地完成设计修边模的工作,并且能够大幅缩短开发周期。1.3国内外研究现状与发展趋势在过去的30年间有限元经历了从产生到发展再到今天的广泛应用三个阶段，有限元正在变的越来越完善。它是一种离散化方法，就是把实际结构向规则单元的形式进行离散化，离散化后的物理性能与原来结构的相似，从而用得出的满足精度要求的近似结果进行实际分析，这样解决许多理论无法进行分析的复杂的实际工程问题。5在60年代时许多国家就在有限元的开发投入了大量资源，直到70年代初CAE软件才真正产生。在过去的30年间，数值模拟技术在板料成形中的应用越来越完善，商品化的CAE板料成形软件已经形成。现在市场主流的CAE软件有DYNAFORM、NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的K.J.Bathe8教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。而它之所以能后来者居上成为非线性分析计算的头号软件，是因为它拥2有非常强大的非线性求解功能和流固耦合分析功能。Dynaform是这其中比较完善的一种软件它包括前处理器、求解器、和后处理器三部分。可以了解板料在成形时的详细过程的，并且能够及时预测成型过程中的缺陷。1.3.1更为强大的网格处理能力有限元法求解问题时首先要对分析对象进行离散化，因此离散后的网格质量将会对求解时间和求解结果的正确性有直接的影响，为了保证求解结果过去的这几年各大软件公司为了提高网格的生成质量和效率纷纷在网格处理方面投入大量资金。但自动进行六面体网格划分的问题任然没有得到很好的解决，以及根据求解结果自动网格划分的问题。自动六面体网格划分可以解决由四面体划分时带来的中间节点问题，所以人们急切的希望这种功能的产生。在许多实际工程问题中存在大应变情况，因此必须要自动重新划分网格。这时自适应网格划分就变得尤为重要了。1.3.2由求解线性问题发展到求解非线性问题随着工程问题越来越复杂，很多的问题已经不再是只局限于线性理论方面了，在一些成形问题中只能运用非线性理论来解决，在薄板成形时的大应变以及塑性问题就得用非线性理论进行求解。非线性求解的难度是众所周知的，它的学习难度较高不但需要掌握许多理论而且还必须有一定的求解技巧，因为其中有许多专业的数学问题。为了解决这些问题国际上许多公司斥巨资对非线性求解软件进行开发，其中有ABAQUS和ADINA等。它们都不仅拥有非常实用和庞大的非线性材料库，而且高效的求解器可以有效的提高工作效率。ADINA还有显隐两种实际积分方法供使用者选择。1.3.3程序面向用户的开放性由于商业化进程的加快，软件开发商们为了占据更加广阔的市场，拉拢更多客户，尽管它们在功能方面及操作的简易性方面投入了大量的人力物力资源，但客户的要求是随机多样的，再怎么努力也不能考虑到所有的客户要求。因此就需要给用3户一个能够根据自己实际情况进行自定义的环境，此环境下对材料本构、流场边界的条件、单元的特性、结构断裂的判断依据及裂纹的扩展规律等用户都可以自己进行定义。关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道5。1.4研究内容、方法、手段由于DYNAFORM软件具有简便的人机交流界面而且对使用者的工程理论和背景要求。所以本课题选用DYNAFORM软件对冲压成形进行数值模拟。图1.1是在DYNAFORM软件中进行天圆地方连接件冲压模拟时的具体步骤。在导入DYNAFORM之前首先要在PRO/E软件中进行建模包括零件的三维模型及凹凸模的三维模型还有压边圈的三维模型。从PRO/E软件读入几何模型（IGES）有限元网格划分并进行模型检查(M0ddCheck)定义成形工具生成毛坯设置成形参数求解器计算后置处理，分析计算结果、应力应变和厚度云图4图1.1DYNAFORM软件成形分析流程图52板料成形有限元模拟的基本理论及方法2.1有限元简介有限元法(FiniteElementMethod)是随着计算机技术的发展而出现的一种有效的离散数值计算方法6。金属之所以可以塑性成形是因为固体状态下的金属具有塑性，经过外部加载力或使用模具可以加工成零件。与传统的车削加工相比，塑性成型加工不需要切削材料，因此材料可以得到充分利用。随着计算机技术的发展，数值模拟方法越来越显示出巨大的优越性。为分析板材成形过程的成形缺限问题提供了一种崭新有效的方法。2.2板料成型有限元模拟的基本方法塑性成形过程的力学分析是数值模拟方法的基础。目前分析塑性成形过程的方法主要有类似解析计算法和数值成形法两大类。一般成形过程中力和能量的计算用到类似解析计算法的具体方法有功能平衡法，主应力法，界限法，滑移线法等。这类方法虽然解决问题时可以简单方便的得出解析，但它只能解决一些简单的成形问题。而当成形过程非常复杂时就要用到数值成形方法，它又可以分为限差分法，有限元法和边界元法。这类方法能得到金属塑性成形时的各种数据的数值解。2.2.1塑性材料基本假设金属薄板冲压成形过程中，材料塑性的变形是一个非常复杂的物理变化过程。为了方便对变形过程进行数学处理就需要提出一些假设对一些变形过程理想化。对刚塑性/刚粘塑性材料的基本假设如下;(1)忽略变形材料的弹性变形;(2)材料均质，各向同性;(3)材料体积不变;(4)不计体力和惯性力;(5)材料的变形流动服从Levy-Mises流动法则。62.2.2板料成型的理论计算过程成形工艺主要有翻边冲压，过程可分成两个阶段：形成边缘的圆柱段前；形成边缘的圆柱段。这时假设，变形源不扩展到板坯与凸模的接触区内，而在第一阶段传递摩擦力区可保持原始板坯的型面。同样假设，边缘的母线长度在整个过程期间为恒定。所采取的假设和在其基础上形成的翻边计算公式已被实验结果证实。从理论分析的基础上：第一阶段：2.1对第二阶段：.2.2式中r预孔半径H凸模行程r孔边的流动半径边h=(v)lnr.ER翻边后的半径f描述凸模母线函数的反函数1图2.1所示为用不同形状端头的凸模翻孔时的负载曲线。对参数H和r解方程2.1和2.2后，当应变速度恒定时变形速度的恒定可通过优化凸模端头的形状来达到。图2.2所示为对不同速度条件描述凸模最佳母线的函数。HfrHfdrR边0101021rRfrdrh翻翻7图2.1用不同形状端头的凸模翻边时的负载曲线图图2.2描述凸模最佳母线的函数83有限元软件DYNAFORM总述3.1基本简介DYNAF0RM软件是美国ETA公司与LSTC公司共同研制的专业针对板料成形数值模拟的的软件，该软件能为成形模拟提供多种单元类型，模拟各种接触条件，提供各种常用的冲压材料，布置拉延筋，从简单的拉延到复杂的多工步成形等各种冲压成形过程2。都可以进行模拟，从而得到厚向应变图、分布应力图、成形极限图和具有真实感的成形动画。设计人员可以模拟结果分析冲压零件的可成形性，判断零件的危险部位等。DYNAFORM的的核心技术主要有：动力显式积分算法；板壳有限元理论的研究；本构理论和屈服准则(材料模型)；接触判断算法和网格细化自适应技术；多工步成形模拟技术；CADCAM软件和成形过程模拟CAE软件之间的数据转换技术；建立有限元模型的若干技巧；板材冲压成形模拟的一般过程。其主要特点包括前处理，求解器，后处理。3.1.1DYNAFORM前处理DYNAFORM具有功能丰富的前处理功能。第一，它导入图形文件的功能非常强大，能够方便快捷并且准确的导入IGES格式文件以及各种画图软件下的图形文件，如UG，PRO/E，CAD软件。如果需要的话点，线，面等几何模型在DYNAFORM中用户也可以非常方便的进行建立。这样就可以做到从几何模型到获得计算结果，不再需要其他工具的协助而完成。第二，DYNAFORM的网格划分功能非常强大。它的操作很简单只需用户输入简单的控制参数就可以快速得到高质量的复杂几何曲面网格，使用户节省大量进行修复网格的时间。第三，DYNAFORM中的DFE模面设计模块中可以对冲压方向调整可以进行基于曲面的自动操作。第四，DYNAFORM中的BSE模面工程模块，可以进行坯料尺寸展开、排样、成本核算，从而充分利用材料降低浪费率。93.1.2DYNAFORM求解器DYNAFORM的求解器是LSTC公司的LS-DYNA软件。LS-DYNA是最早使用动态非线性显示分析技术可以解决最复杂的金属成型问题2。同时LS-DYNA近几年来加强了隐式算法的开发，并且实现了显，隐式无缝集成的功能，在完成冲压分析后，自动切换到隐式求解器进行回弹分析。在回弹分析过程中，可以采用大的时间步长，提高回弹的计算效率。LS-DYNA包括丰富的材料模型和单元模型，用户可以根据实际冲压的材料选择合适的材料模型和单元类型。LS-DYNA是目前业界公认的板料成形模拟结果准确性最好的软件之一9。3.1.3DYNAFORM的后处理后处理是ETA公司的PostGL和Ggraph软件。用户可以通过定义任意截面，得到截面上的各种结果信息。在ETA-POST中新增加的GRAP模块，使用户可以利用曲线图表功能显示拉深过程中各种参数随时间变化的曲线，如界面力的变化、拉延筋阻力的的变化、拉深力曲线等。104天圆地方连接件仿真过程设计4.1天圆地方的结构及加工工艺简介零件的轮廓图如图4.1所示，天圆地方管是一个上园下方的的连接件。常常用在圆管与方管进行连接的场合。如空调的风机进口与机组的连接等。图4.1天圆地方外形轮廓成形工艺研究主要是拉伸、冲孔、翻边，翻边是利用模具把板料上的孔缘或外缘翻成竖边的冲压工艺，翻边工艺可加工形状较为复杂且有良好刚体的立体制件，还能在冲压件上制取与其他零件装配的部位（如螺纹孔和轴承孔等）.翻边可以替代某些复杂零件的拉深工序，改善材料塑性流动以免发生破裂或起皱。用翻边代替“先拉深后切底”的方法制取无底零件，可减少加工次数，并节省材料。孔翻边的工艺参数，翻边底孔的粗糙度直接影响工件质量，如孔边有毛刺存在，就会导致翻口的破裂。因此，冲压的方向直接影响翻边的工艺性。冲压翻边时会各种各样对成形质量产生影响的问题中会出现很多的问题，而这11些问题也会直接影响到成形后产品的性能。因此进行翻边工艺仿真就变得非常重要了。因为仿真模拟中可以及时发现实际生产中可能出现的问题，并且可以及时的改进工艺和模具来避免其中的一些问题的发生。试验研究主要是DYNAFORM软件后处理中的成形极限图及厚度变化图和应力分布情况检查产品外观及成形质量，材料选择和成形参数是否合理。然后确定坯料尺寸。4.2研究的具体方法4.2.1天圆地方管冲压几何模型根据尺寸用三维软件PRO/E绘制模型，圆孔冲压翻边深度为5mm模型如图4.2所示：圆孔直径为80mm，方形长为160mm宽100mm。图4.2天圆地方模型俯视图12图4.3模型主视图图4.4冲压凹模模型13图4.5冲压凸模模型图4.6冲压压边圈模型14图4.74.9所示为翻边过程所需的冲压模具，图4.7为翻边过程所需凹模，图4.8为翻边压边圈，图4.9翻边过程所用的凸模。图4.7翻边过程凹模模型15图4.8翻边压边模型图4.9翻边凸模164.2.2导入DYNAFORM软件在DYNAFORM软件中打开坯料工程模块导TIANYUANDIFANG_MODELL.iges文件,该文件自动识别为当前层,打开的界面如图4.10所示，图中红色为凹模，绿色为板料，紫色为压边圈，蓝色为凸模。保存数据到指定的工作目录.选择文件另存为,输入TIANYUANDFANG.df后,保存并退出对话框。同理将翻边模型也导入到软件中。图4.10IGES格式文件导入后的当前界面17图4.11翻边模型导入4.2.3编辑数据库中的零件层如图所示4.12中所示在DYNAFORM中,导入模型后进行编辑零件层具体步骤为，首先在工具栏中选择零件层然后在下拉菜单中选择编辑，如图给定的零件名称是任意的,为了方便快速识别零件层，需要对给定的名称进行修改，把凹模改为DIE,凸模改为PUNCH，压边圈为BLINDER。然后保存零件层。图4.12编辑零件层184.2.4网格划分在编辑完零件层之后再对各零件层进行网格划分，在DYNAFORM软件界面中点击工具栏中的曲面网格划分按钮然后进行网格划分的参数设定，将网格最大尺寸改为10，然后点击选择曲面分别选择各个零件层将其进行网格化。图4.13天圆地方网格化设定4.2.5网格检查网格划分完成后点击确定，然后点击传统设置里的前处理，在前处理工具栏中修补进行网格质量的检查。网格划分质量的好坏经常会影响到成形分析的进行，所以需要进行网格质量检查。一般检查元翘曲角、自动一致平面法向、模型边界显示等项目。具体检查项目如图4.14所示。19图4.14网格边界检查界面4.2.6成形参数设置网格检查完毕之后进行成型参数设置，在菜单栏中选择自动设置在其下拉菜单中选择板料成形对话框内容如图4.15。在此界面中定义板料选择材料为DC04材料，厚度为2mm。然后定义冲压工具，分别定义凹模凸模及压边圈。然后在工序设置。20图4.15板料成形界面选择材料厚度为2mmDC04材料，考虑其拉延性能较好其性能参数如图4.16。21图4.16DC04材料性能4.2.7数值模拟计算在所有参数都设置完成之后在板料成形窗口中点击提交在提交下拉菜单中选择任务提交管理器然后点击确定后等待进入软件进入数值模拟计算窗口。计算窗口如图4.17所示。等待数值计算完成之后再进行下一步工作。22图4.17数值模拟运算窗口4.2.8启动后处理点击DYNAFORM的后处理键，选择eta/Post进入后处理界面。点击打开文件，选择计算完成的模型，界面出现如图4.18产品模型，检查模型后，设置相应的颜色和大小并保存文件。冲孔及翻边模型同样处理。图4.18产品模型23图4.19冲孔模型图4.20翻边模型4.2.9成型极限图（FLD）分析打开FLD功能键对所得的图标进行分析，从图中可以看到模型上颜色的变化情况，根据颜色的变化，模拟检验坯料生成成品时可能出现的起皱和破裂情况，从图4.21中可以看到板材在成形后节点几乎全部集中在安全区，只有少量在起皱趋势区，24并且不影响产品的外观造型，没有节点处于破裂区和破裂危险区。所以这种情况能够比较好适用于批量生产。图4.21冲压成形图图4.22冲孔成形25图4.23翻边成形图FLD图中有五种颜色变化从上到下分别有为红色、黄色、绿色、蓝色、粉红色，它们分别代表的意义如下：(1)红色区破裂(2)黄色区有破裂危险的区域。(3)绿色区一一正常变形过程属安全变形。(4)蓝色区拉压变形区安全变形。(5)粉红色区起皱区。图4.24PLD放大图26图4.25翻边PLD放大图成形极限图可以直观的反应板料的成形性能，其中红色的曲线为成形极限曲线，当应变超过成形极限曲线时就会发生破裂。成形极限图可以直观的看出工艺规程的可行性：如果板料单元实际变形落于临界区则说明很危险废品率较高，如果实际应变值落在临界曲线上说明有相当的危险应对各条件须严格控制；而当落在图中蓝色区离临界曲线的较远地方时，材料还能够继续变形很安全。图4.25为最终冲压变形的FLD图，由此图可以看出，大部分变形都在成形极限曲线之下都可以顺利完成成形，少部分单元有起皱现象发生，但并不影响零件的外观。4.2.10厚度变化图成形工件的厚度变化如图4.26，图4.27为翻边过程厚度变化图，基本可以看出产品的成形结果。板料在拉伸过程中有局部增厚和减薄现象，图中拉伸最薄点，图示是圆形区最终厚度为1.635mm，拉伸最厚点，图示方形边缘区，最终厚度为2.110mm。图中拉伸过程厚度曲线图，基本符合冲压要求。在生产实际中，零件的边缘棱角过渡区都要改成光滑过渡，这样可以很好的避免成形失败的现象发生。一般认为在成形部分增厚不超过10%,减薄不超过30%，都可以接受，在厚度变化图中，无论是增厚率还是变薄率都没有超过要求。27图4.26DC04材料天圆地方的厚度分布图4.27翻边过程的厚度分布28图4.28FLD设置窗口图4.29模型第一主应变图29图4.29为第一主应变图其中中红色区域为第一应变最大的区域，但都在材料容许的范围内，不影响成形结果。4.2.11动画仿真过程（见视频文件）305总结通过对天圆地方连接件在DYNAFORM软件环境下进行数值模拟分析并进行仿真模拟，研究并估算了工件坯料的外形尺寸，确定了工件在成形后的厚度变化、成形极限图、第一主应力的变化情况等，且得到了厚度与应力变化之间的关系。结果表明应用DYNAFORM软件进行辅助设计时可以直观的看到成形过程及时预测破裂起皱等现象及时的反映给操作人员，快速估算产品成本可以指导设计人员对模具的设计和修改。有效的节约时间和成本，有利于提升竞争力。31参考文献1美国工程技术联合公司.Eta/Dynaform用户手册.版本5.5.2高广军，赵强.金属板材成形CAE分析及应用M.国防工业出版社，2011.3苏春建，于涛.Dy