4120基于有限元的半球形件冲压成形中拉延筋设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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南京理工大学泰州科技学院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 薛 超 学 号 : 0701010452 学院 (系 ): 机械工程学院 专 业 : 机械工程及自动化 题 目 : 基于有限元的半球形件 冲压成形中拉延筋的设计 指导者： 评阅者： 2011 年 6 月 张卫 副教授 毕业设计说明书（论文）中文摘要 本文 首先通过 分析半球形件 在 冲压成形 中的 变形特点， 了解半球形在冲压成形中遇到的问题：起皱与破裂。然后针造成起皱与破裂的影响因素进行分析， 尤其是拉延筋设计 在 半球形件冲压成形 中的 影响 ,借助 模在 通过用 置、拉延筋方式、筋高、拉深速度与压边力等因素 ，进行半球形件的成形性能的有限元分析仿真，探讨半球形件冲压成形工艺 中拉延筋的设计 ，并最终选择较优拉延筋参数的方法 。 关键词 拉延筋 半球形件 冲压成形 有限元 毕业设计说明书（论文）外文摘要 f n of of in of in of in AE of of 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 目 录 1 绪论 . 1 选题背景 . 1 冲压成形技术研究现状 . 1 主要研究目标及内容 . 2 论文的组织结构 . 2 2 半球形件冲压成形工艺理论分析 . 4 半球形件冲压成形的变形特点 . 4 半球形件冲压成形遇到的问题 . 5 影响半球形件冲压成形的因素 . 7 本章小结 . 10 3 半球形件冲压成形的仿真模型建立 . 11 . 11 基于 半球形件成形模拟的流程 . 11 半球形件仿真模型的建立及拉延筋的生成 . 13 成形极限图 . 21 4 半球形件冲压成形中拉延筋设计模拟分析 . 22 参数选择 . 22 研究分析思路 . 22 不同的拉延筋位置对半球形件成形影响分析 . 22 不同的拉延方式对半球形件成形影响分析 . 26 不同的筋高对半球形件成形影响分析 . 28 不同的拉 深速度对半球形件成形影响分析 . 31 不同的压边力对半球形件成形影响分析 . 34 本章小结 . 37 结束语 . 38 致 谢 . 39 参 考 文 献 . 40 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 41 页 1 绪论 选题背景 半球形零件在板料成形中是经常遇到的比较典型 的 零件。随着科学技术的发展，半球形冲压成形工艺被广泛应用于汽车航天等 各 领域， 目前 在汽车和飞机制造业中半球形件的成形方式很多 都 为拉深成形 1。 在 冲压加工 中半球形件会带有 一些难度：一般都是凹模口部 的 内坯料曲面部分的起皱，有可能影响板料的成形和 使用性能。半球形 冲压成形中拉延筋的设计 主要是解决 起皱与破裂这些 难点问题。因为半球形件属于曲面回转体零件，半球形件成形是曲面成形中最简单的一种， 但是 半球形件也是薄板金属冲压件中较难成形的一类零件，半球形件由于含有圆角区的缘故，变形区内变形大小的分布不 是很 均匀 的 ， 造成半球形件 成形的不均匀性明显 ,因此研究影响半球形冲压成形的因素将会对以后研究各种复杂曲面成形有很好的参考意义。 半球形件成形工艺 ( 研究 球面零件拉深成形时防止或减少皱曲的技 术，是研究复杂几何形状曲面冲压成形工艺的基础，掌握半球形件的变形规律对实际生产有重要的指导意义 2。 在板料成形 的 过程中 ， 压料面上各部位的进料阻力拉深筋来进行控制。拉深筋参数的合理取值及 位置的 合理布置是控制金属流动、防止出现起皱和破裂的重要手段 。 通过改变拉延筋几何参数使变化率更加合理，能地提高半球形件冲压成形中拉延筋的设计质量。 本课题首先选取了简单的非轴对称件 半球形件作为研究起点 ,借助 段通过改变拉延筋参数方式，进行半球形件的成形性能的有限元分析仿真，探讨半球形件冲压成形中拉延筋的设计。 冲压成形技术 研究现状 （ 1） 半球形件冲压成形研究现状 国外 出结论：优化压边力曲线是与不失稳的最小值 互相 对应的，即压边力 大小 刚好保证不起皱 3。从试验的角度半球形零件冲压成形的失稳点， 得出 半球形零件的内皱一般发生在相对半径为 近的位置处 。 （ 2） 拉延筋技术研究现状 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 41 页 1998 年， T. 立了一种基于罚约束法的拉延筋等效模型 4。将该拉延筋 的等效模型用于盒形件拉深仿真， 在 材料弹塑性模型时，比考虑筋阻 力的等效拉延筋模型的仿真结果更符合试验 的 结果。 由于板料经过拉延筋的变形过程 比较 复杂，在推导这些模型 的 时 候 ，考虑的因素不同，建立的模型 也 不 相 同，其计算 的 精 确 度也不相同 ， 为了考虑某些因素，需要引入一定的假设，这也 会对 模型的计算精度 造成影响 5。 主要研究目标及内容 本项课题以半球形冲压成形性为研究对象。通过施加拉延筋来增加进料阻力，减少起皱与拉裂， 借助 段通过 变拉延筋参数方式（拉延筋的位置，形式，筋高等），进行半球形件成形性能的有限元仿真，探讨半球形件冲压成形工艺。 了解半球 形件在拉深成形过程中其起皱与拉裂的状况。试验通过对不同变量曲线下 终确定并选择合适的参数来优化其成形工艺。 本课题的主要内容归纳如下： （ 1）分析国内外的研究现状， 了解并确定 本课题的研究内容； （ 2）研究并分析半球形件的成形理论和其成形，如起皱、破裂及拉延筋在冲压成形中的作用，确定其影响因素：压边力、拉深速度、拉延筋 的 各参数等； （ 3）介绍板料成形的有限元数值模拟基本理论 以 及 件的数值模拟过程，确定研究半球形件成形工艺中拉延筋设计的具体仿真试验方案； （ 4）选择板料及模具的参数，使用 建立 型， 在 建立冲压模具、压边圈、板料的有限元模型，建立半球形件模型，选定合适的试验参数； （ 5）采用不同的拉延筋位置的情况下进行分析，比较成形性能，得出较优 的 解； （ 6）对不同的拉延 筋形式 进行分析，比较成形性能，得出拉延 筋形式 的优化方案。 （ 7）使用不同筋高对优化解进行进一步分析，得出筋高的优化方案 ； （ 8）使用不同的变压边力对优化解进行进一步分析，得出压边力的优化方案。 论文的组织结构 本文以板料拉深成 形中比较有代表意义的半球形件为主要研究对象，从理论上分析和研究其拉深成形过程中成形机理和变形特点 以 及缺陷，并 使 用板料成形模拟仿真专用软件对基于有限元的半球形件冲压成形中拉延筋的设计的最优条件进行预测。 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 41 页 全文分为五四章，各章内容如下： 第 1章：简要介绍了课题研究的背景和意义，分析了国内外冲压成形工艺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：进行半球形件拉深过程拉延筋设计的理论分析，并 对 板料成形失效中 的 起皱和拉裂的评价标准 进行了简 单的分析 。 第 3章：对半球形件成形时破裂和起皱临界压边力理论进行了研究，分析了影响板料临界压边力的因素，并讨论了板料成形的安全区域。 第 4章： 用 拉深成形进行模拟分析，即反映其变形特点及 对拉延筋参数等因素作用下的半球形件成形过程进行了仿真分析。 结束语：简要总结了本课题研究取得的成果与不足，并对今后的工作进行了展望。 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 41 页 2 半球形件冲压成形工艺理论分析 在冲压生产 的 过程中，拉深件 的 种类很多，形状各 不相同 ，虽然它们的冲压过程都叫做 拉深，但其变形区的位置、 变形的性质 、 应力应变状态及其分布等都各不相同，所以工艺参数、工序数目与顺序的确定方法及模具设计原则与方法也都不一样，由于半球形件法兰部分易起皱，内壁容易拉裂，并且受 压边力、 凹模圆角半径 、拉延筋的参数 等因素的影响，使得其起皱影响区成形机理非常复杂 6。按力学 的 特点，拉深件可分为桶形件（圆桶形件，带凸缘圆桶件，阶梯圆桶件）、曲面回转体零件（球形、抛物线形、锥形等）、盒形件（方形、矩形、椭圆形等）和不规则形状零件等四大类。 半球形件是 比较 常见的、几何形状比较规则的、应用比较广泛的一类曲面回转体冲压件，在轴对称零 件中具有一定的代表性，薄板金属冲压中较难成形的一类零件，其在成形过程中的变形特点是值得研究的。因此本文半球形件冲压工艺研究起点，通过 施 加拉延筋改变 拉延筋的 各参数来减少起皱与拉裂，成形效果达到进一步优化 7。 半球形件冲压成形的变形特点 （ 1）半球形件次拉深成形时，零件表面 的 网格发生了明显变化，凸缘变形区直边部分发生了横向压缩变形，使圆角处的应变强化得到缓和，从而 减小 了圆角部分传力区的轴向拉应力，相对 增加 了传力区的承载能力 (如图 1. 凸模 图 划分网格后的有限元模型 （ 2）半球形件拉深时，凸缘变形区圆角处的拉深阻力大于直边的拉深阻力，圆角处的变形程度 比 直边处的变形程度 要大 。因此，变形区内直边处大于圆角处， 从而使 这两处的位移速度不同，而毛坯 中 这两部分又是 一个 联系在一起的整体，变形时必 然会 相互牵制，本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 41 页 这种位移速度差 就 会引起剪切力， 而 这种剪切力 被 称为位移速度诱发剪应力。诱发 的 剪切力在两处交界面 处 达到了最大值，并直径和圆角处的中心线逐渐减小 8。 实际上曲面零件的成形，是坯料从凹模端面的拉入和凸模底部坯料的变薄所导致，即曲面零件成形的机理，是坯 料的拉深与胀形两种变形方式的复合。 半球形件冲压成形遇到的问题 和普通光板一样，半球形件的冲压成形是一个复杂的、多重非线性的力学 变形 过程，且由于半球形件的材料、曲面的存在，使 半球形件 的冲压成形过程 变得 复杂，因此其成形过程也出现了较多的缺陷，总体来说，半球形件的主要缺陷形式有：起皱、破裂等 10。 起皱 薄板在冲压成形时，为使金属 发生 塑性变形，模具 要 对板料施加外力， 使 在板内形成复杂的应力状态，由于 板料的厚度 相对于 其他两个方面的尺寸 是非常小的 ，因此厚度方向是不稳定。 板厚方向 在 板料内 的 压 应力 作用下 达到失稳极 值 时，板料 发生 起皱现象。起皱是 影响 板料 在 冲压成形中面形状精度不良的主要 因素 。 一般 来说 ，冲压零件上 发生剧烈 形变 的 位置 周围， 因为 毛坯 的 变形不 能 均匀 的分布 ，导致 零件表面上 易 形成 部 分起伏（或凸凹）， 当 起伏高度 保持在 为“面畸变”，当起伏高度 达到 或超过 皱”。起皱是板料拉深成形中的一种 不利 现象，轻微的起皱会 使 产品的形状精度、尺寸精度以及表面质量等 受到 影响，而严重的起皱 影响 加工过程的顺利进行。因此，科学地掌握起 与了解起 皱发生的规律，对板料成形技术的进步具有 很 重要的意义。 在板料冲压过程中 会产生各种各样的起皱 ，按 造成 起皱的外力分可以分为四类（这和引起起皱的外力分类（包括压缩力、剪切力、不均匀拉深力以及平面内弯曲力等四类）是相对应 一一对应 的。按起皱发生的部位 位置 分也有四类：凹模表面、凹模口部、拉深侧壁和凸模底部。 图 料起皱类型 在半球形件冲压成形过程中，薄板的起皱过程 与 普通光板 类 似，但非常容易起皱 位置发生 在凹模法兰区（如图 最容易发生起皱 ，这 不仅 受拉深系数和凹模工作部分的几本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 41 页 何形状有 影响 ，最重 主要 的是受相对厚度（0/中 t 是拉深前板料的厚度，0影响，中国科学院金属研究所的张士宏等人通过研究得知：板料毛坯的相对厚度越大，拉深变形区抗失稳能力越差，也越容易 产生 起皱，而且起皱 最先 会发生在法兰区 。 李春峰 经过 试验研究及理论分析，提出了半球形零件冲压变形失稳点的概念， 通过对研究 半球形零件冲压变形失稳点，得出半球形件起皱 大多 发生在相对半径为 而在 相对半径 位置 容易发生裂纹 ， 在 试件的平面应变状态点附近 会产生破裂点 。 我们可以通过 增加材料流动的阻力 来消除半球形件冲压过程中发生的起皱现象 ，可以在 起皱区 引入材料的流动阻力 ， 消除一些 压应力 的 影响。 还可以 采取使用分块或阶梯压边圈，加大压边力，也可以在法兰区设置拉延筋， 使 法兰区部分材料的流动阻力 加大 ，从而达到 消除起皱。但是，如果压边力或拉延筋的约束力太大，材料就 会出现 拉裂。 相反 ，如果压边力或拉延筋的约束力 不够大 ，材料流动 的 阻力 太小 ，就不能够有效的消除起皱现象。一般而言，理 想的压边力规律应该是： 在最初的时候 压边力应 稍大一些 ，使板料 发 生拉深，当冲头运动行程已经比较大时，压边力 开始 应适当 变小点 ，避免产生拉裂。但在现实的操作中 控制压边力大小的准确度还是有些难度的 。 破裂 在 半球形件冲压成形中 拉深失稳的另一表现就是破裂 。在拉应力作用下 毛坯发生 塑性变形时，材料的应变强化效应 在 增加 ， 承载面积 却是 在 缩 小 。当材料硬化的应力增量足以补偿 弥补 承载面积的减小 量 而 并且 还能 保持稳定变形所需要的应力增加值时，拉深变形可以稳定的进行；当两者相等时，拉深变形处于临界状态，即失稳点；当材料硬化的 应力增量小于承载面积的减小需要的应力增加值时，毛坯 会 失稳 发生 破裂（如图 破裂和起皱 的实质是 相同 的 ， 都是 不能稳定进行 变形 导致的 。不同的是，拉深失稳只 有 在材料 进行塑性变形 时会发生 ， 半球形件的底部容易 发生 破裂 ，因为 产生应力 比较 集中 。 图 半球形件冲压成形起皱 图 球形件冲压成形破裂 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 41 页 影响半球形件冲压成形的因素 造成以上缺陷的影响因素非常多，如毛坯几何参数、模具几何参数、板材性能参数（如板料的强度比）、工艺条件（如压边力、 冲压速度、模具和板料的润滑条件等）等等。 毛坯几何参数 对于半球形件来说，其毛坯几何参数主要包括：相对厚度、板料的初始外形和尺寸。 （ 1）相对厚度（0/ 在半球形件冲压成形过程中，薄板 与 普通光板 的起皱过程有很多相同 ，但在凹模法兰区非常容易起皱（如图 这 不仅 受 拉深系数和凹模工作部分的几何形状 影响 ，最 主要是 与相对厚度有关。对于同 一 材料，相对厚度的增加 会 使得切向压边力大大增加，从而 增加 板材的稳定性， 也就是说 在 承受较大的切向压应 力 时 还能 不发生 屈曲 保持平面的平衡 ，因而可以用0/就是为什么在薄板成形中采用叠层拉深可以提高稳定性的原因。对于冲压成形中的内皱问题，可以 通过 提高板料的相对厚度来防止内皱的产生 11。 （ 2）毛坯的形状和尺寸 毛坯的初始形状与尺寸是影响成形效果的重要因素之一。毛坯形状与尺寸设计的合理， 有利于 改善冲压过程中材料的流动 性 ，从而降低 产生 拉裂、起皱的可能性，提高零件的成形性。合理的毛坯形状与尺寸，不仅可以弥补材料 自 身成形性的不足，也可以 对 模 具设计制造上的欠缺 进行一定补偿 ，减少修模次数，降低废品率。 冲压工艺参数 影响板料成形的工艺条件有：压边力、摩擦系数、冲压速度等。 （ 1）压边力 压边力是冲压成形过程中影响冲压件成形质量的重要工艺参数，它 可以 改变 材料中的拉应力 大小，从而 影响 材料 的 流动。 所以采用 合 理 的压边力 可以预防 半球形件成形中 过早产生 起皱和破裂，还 可以使 生产 的 效率 提高 12。 传统的压边力控制方法有两种，一种是基于单动压力机的，主要 通过 弹性装置、气垫和液压垫来控制压边力。另一种是基于双动压机，由独立的滑块驱动压边圈，控 制压边力大小 ，一般压边力不随拉深行程变化。 （ 2）冲压速度 冲压速度也是冲压成形过程中影响冲压件成形质量的重要工艺参数，它是通过向材料本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 41 页 施加的正向压应力来控制材料流动的。合适的冲压速度不但能防止半球形件成形中起皱和破裂的过早出现，还能提高生产效率。冲压速度 大小 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 。 较大 的冲压速度会导致形件的破裂， 较小 则达不到冲压要求。 在 实际生产 中，为了提高生产效率，冲压速度一般取较大值。 （ 3）摩擦系数 在 拉深成形过程 摩擦系数的大小对成形的影响是双重的 。 不仅 使板 料在拉深过程中的摩擦损耗 减小 ， 还可以 使半 球形件形件壁传力区的负担 减小 ， 所以应该尽量减小 摩擦系数，使 凹模与压边圈和板料接触的工作表面比较光滑， 使 半球形件金属流动条件 得到改善 ，有益 于材料的拉深成形。另一方面，凸模与半球形件之间的摩擦可以增大拉深能力。一般来说，摩擦系数 越大 ，破裂临界压边力 就 小。因而增大时，拉深中的起皱临界压边力减小，使起皱的可能减小 。 模具几何参数 模具几何参数包括：凹模圆角半径 凹模截面尺寸 （ 1）模具圆 角半径 一般来说，模具圆角半径取值太小， 会导致 零件的成形质量 不理想 ， 选用 较大的模具圆角半径 会使 成形的安全区域 变大 。圆角半径的 尺寸对 板料通过圆角时的张力 有 一定影响 ，圆角半径越小板料的张力 就 越大，板料的变形 也就 越大。 当 圆角半径增大 时 ，板料弯曲半径增大，回弹角 也 增大。因此，圆角半径太大 会使 板料 发生 回弹 导致 零件的加工精度不准确 ；圆角半径太小， 会使 板料变形过程中材料流动 性减小 ， 出现 零件过早 的 破裂。同时 选择合理的 转角半径， 也有利于 提高成形质量，如果转角半径过小，材料容易 发生 破裂。 凹模圆角半径 相对于 凸模圆角半径来说对板 料的影响更大，凹模圆角半径 对 板料流入凹模的速度 有很深影响 ，凹模圆角半径越大， 会使降低 板料流入模腔 的难度 ，易于板料成形；反之，凹模圆角半径越小，板料成形 的 阻力大，板料 就 容易破裂 13。 （ 2）凹模界面尺寸 凹模截面尺寸 的大小在很大程度上影响 工件 的 拉深成形 ， 当 凹模截面尺寸 不够大时 ，材料 很难 流入模腔， 就会 产生起皱现象。 （ 3）拉延筋 拉延筋在冲压成形中能使 进料阻力 增加 ，拉延筋阻力是由坯料通过拉延时的弯曲反弯曲变形力、摩擦力以及因变形硬化引起的再变形抗力增量二部分组成的。板料流经拉延筋本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 41 页 时，发生了弯曲、 回复、弯曲的反复变形，这些变形所需要的变形力加上 板料经过拉延筋时产生的 摩擦力都 施加 在板料上， 使 板料流动的进料阻力 变大 14 材料性能参数 影响板料成形的材料性能参数主要有：强度系数 K、厚向异性指数 n。 （ 1）强度系数 材料的强度性能用强度系数 不同材料决定了强度系数 当 时，起皱临界压边力 也会增加 ， 随着 强度系数 的 增加 破裂失 效时的极限载荷也会增加 ， 所以 破裂临界压边力也 会 增加。 （ 2）厚向异性指数 板料 在生产加工中 要经 过 轧制与退火等工艺， 这就使得 板料各个方向的塑性存在差异 ， 也叫做 板料的塑性各向异性。板料在板平面方向和厚度方向上由于各向异性而引起应变能力不一致 通常用 厚向异性指数表示 17。 厚向异性指数能体现出 板料在板平面内承受拉力或压力时 抵 抗变薄或变厚的能力。 0 0 4 5 9 02 4r r （ 式 5r、90、 45、 90方向上的异性指数。 r 值也叫做塑性应变比，板料的各向异性 在生产中就用其表示 ， 它的大小 等于宽度方向上的应变 b 与厚度方向上的应变 t 之比。 r 值越大，表示板料在宽度方向上 越容易 产生变形， 越容易避免发生起皱 ；在拉应力作用下， r 值越大， 板料的拉 深 处不易变薄 ， 就不容易发生拉裂 。 （ 3）应变强化指数 应变强化指数 做 加工硬化指数或 者说是 硬化系数，它表示板料在冷变形过程中材料的变形抗力 (强度 )随变形程度增大而增加的性质 18。 材料 的 同样的 变形 条件下的 应力增加得越多。 所以 在拉深过程中 加工的材料硬化越强 越不容易产生细颈，因 此可以相对的 延 缓 危险断面的变薄和拉断现象 。 由此可见 ，破裂临界压边力随 随着 皱临界压边力减小。所以安全区域随着应变强化指数 本文研究的主要因素 由上可知 ，影响半球形件冲压成形中拉延筋设计的因素是众多而繁杂的，要对这些因素一一进行分析是十分困难的，也没有必要，因为对于一些特定的冲压设备，或特定的零本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 41 页 件，一些因素是比较固定或者对半球形的成形影响比较小，比如本文研究得是材料 相同 的半球形件，其强度比是固定的。因而本文只选择其中对半球形件冲压成形中拉延筋设计影响比较大的因素进行分析。 通过 设置 和改变 拉延筋的位置、拉延筋的类型、拉延筋的高度、压边力和拉深速度等对 半球形件 冲压成形中拉延筋设计 有重要 影响 的 因素 ，来对 做试验 。因此，本课题选取影响半球形件成形的因素与改变拉延筋的 参数作为研究对象，对半球形件的冲压成形 中拉延筋的设计 做深入研究。 本章小结 本章首先介绍了半球形件冲压成形的基本理论及其成形缺陷，并在此基础上找出了影响其冲压成形中拉延筋设计的因素及本文要研究的主要因素，这是为第四章半球形件冲压成形中拉延筋的优化与设计仿真分析奠定了理论基础。 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 41 页 3 半球形件冲压成形的仿真模型建立 件概述 本文采用了 对 半球形 件拉深过程仿真研究， 一款 专门对 板料成形 进行有限元分析的 软件， 可以对 压边、拉深、翻边、弯曲、多工 步成形等 成形 工艺 进行模拟 ，可以 对 成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹 等进行预测 ， 对 板料的成形性能 做出评估 。 现在 ， 普遍 的应用于全球 各大汽车、航空、钢铁公司，以及 许许多多 的大学和科研单位，我国的长安汽车、 沈阳车床 、 辽宁鞍钢 、上海大众汽车等知名企业 在使用这款软件上也获得了很大的效益 。 处理、后处理、模拟的准确度 都比其他的几款流行软件有 很大的 优势。 以下是 其他流行的软件比较具有的几个 技术特点： （ 1） 在 前处理器 功能 上 细 。 形文件导入功能， 可以快捷 地读入 G、 主流 而不会造成数据丢失 ， 我们 也可以使用 建点、线、面等几何模型。 （ 2） 用了这一领域 著名的非线性动力显式有限元软件 隐结合的算法进行板料成形模拟，计算稳定，效率高，模拟结果准确性很好。但是其材料库 就 富 ，软件 操作难以程度也比不上 （ 3） 处理 使用的是 件 。 门用于 它 可以使结果很直观的表现出来，方便 用户观察 。 使用 可以 把 拉深过程中各种参数随时间变化的曲线 利用曲线图表功能来 清楚地 显示。 （ 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 件集成并有接口。具有智能网格划分 ,使用户有一个很 好的 开发环境 21。 基于 半球形件成形模拟的流程 半球形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、变压边力等因素的影响 22， 所以要获得 比较好 的试验效果，首先应建立合理工艺模型，步骤如图 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 41 页 图 半球形件成形模拟的流程 开始 用 建立半球形件及模具的几何模型 以 半球形件以及模具进行修剪 模具有限元网格划分 划分毛 坯网格 分别对凸凹模、板料及压边圈进行定义成形工具 定义材料属性，选择材料模型 设置成形参数（拉延筋的位置，类型，筋高压边力、冲压速度，压边力等） 求解器仿真计算 记录应力应变、厚度数据 成形极限图（ 满意 修改几何模型 图 修改成形参数 前处理 后处理 不满意 设计结果是否满意 结束 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 41 页 半球形件仿真模型的建立及拉延筋的生成 为了研究曲面的冲压成形性能和规律，本文选用典型的轴对称零件 半球形件进行拉深成形仿真研究。半球形件是最常见的几何形状相对比较规则、应用比较广泛的一类冲压件，在轴对称件中具有一定的代表性。研究半球形件的冲压成形性能对以后复杂曲面冲压件的研究有着一定的指导意义。 球形件仿真模型的建立 （ 1） 在 中建立凸模、凹模、板料的模型，在草绘状态下绘制凸模、凹模、板料的尺寸如下图 于凸模和凹模草绘 然 后进行拉深，凸模 半径为 180轴向长度为350凹模半径为 180外轮廓尺寸半径为 260高度为 300板料的半径为 260后 对板料草绘后填充。 (a) 凹模三维图 (b) 凸模三维图 图 模具及板料三维图 （ 2） 根据工件尺寸利用 单击 生成的实体模型 文件， 然后 保存副本，文件类型选择 *击确定，在输出 取曲面，坐标缺省，单击确定 , 如图 样 能得到 对应 的模型 的 *件， 可以用于 调用 。同时将 对应 的实体模型保存以便在后面改变模具参数重新建模所用。 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 41 页 图 保存文件 （ 3） 将 * 打开 击 择 项，找到 前面 保存的 对应的 *倒入凹模在导入板料， 凹模导入两次，因为其中一个凹模文件 将在 被 修剪成压边圈 , 导入完的 模型 如图 图 导入后的模型 单击 择 编辑 如图 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 41 页 如图 辑模具 单击 处理），选择 导入的模型进行 修剪 ，删除不 必要的表面，在 口选择 ，在 择 ，然后在窗口中选中 没用的表面，单击 去相应的表面后 得到完整的模型 如图 图 面处理后的模型 单元网格化处理，单击 处理），选择 中 ，相应的单元的参数 默认 设置如图 ap 后点击 击 ，分别对凹模、压边圈进行网格化。对如板料的网格化 择 击 中板料，在 击确定， 完成板料的网格划分，最后 如图 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 41 页 图 凸模、凹模、压边圈单元网格化参数 图 板料单元网格化参数 图 网格化后的模型 （ 4）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 择 击 加板料 B 为毛坯，然后点击 击 入材料库窗口选择 铝合金 图 示，相应的中文参数如表 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 41 页 图 板料的材料属性 表 材料性能参数 厚度 t/ 度 L/ 服极限 强度系数 K/ 向异性 指数 r 应变强化 指数 n 00 击 钮，新建板料属性， 厚为 00，如图 图 料的属性 定义模具间的距离，单击 择要移动的模具，在 动方向为 Z 方向移动 拉延筋的设置 （ 1） 新建零件层初步确定拉延筋的布置位置， 单击 前处理），选择点线，选择当前零件层为凹模，接着新建零件层，设置分裂角为 0度，名称为拉延筋（ L）。然后本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 41 页 在凹模上选择合适的位置偏移拉延筋曲线，初步选择拉延筋的位置为距离凸缘边缘 40图 体的拉延筋合理的选择位置会在后面的试验中加以讨论。 图 延筋的布置位置 （ 2） 快速设置拉延筋的参数以及毛坯的定义 通过 以选择拉延类型为双动，这样可以 使 凸缘部分 更加 平整 在 冲压成形中 ， 有效的提高了 形件在冲压过程中的 质量。但是， 使用 双动 类型 在实际生产中 会增加 生产 所需的 成本。由于 件中材料单元库的 材料性能参数和试验中的材料性能接近，所以模拟试验时选择 的 37 号材料，材料的厚度为 料的性能参数表如图 示。接着快速分别定义凹模、压边圈、板材、冲压速度和压边力等。定义拉延筋的各个参数如筋高、凹槽圆角、筋的形式等等，如图 示。工具定义完成以后如图 示，快速设置中相应选项的颜色由红色变为绿色。 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 41 页 图 置 图 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 41 页 （ 3） 对模型进行有限元计算 单击 择 为了在后处理中能够较好的观察成形过程，一般设定0。求解器采用 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 击 可进行有限元的计算如图 图 模具和毛坯的几何造型 首先利用 软件，构造零件和坯料的实体模型， 然后导出其 换格式文件，再将该文件导入 ， 进行修剪和 网格划分。由于 式转换可能会出现模型失真情况所以读入 件后需要检查模型，确 定 模型的正确 性 。网格划分结束后，把系统生成的网络模型导入 前处理工作 有限元前处理过程：（ 1）启动 择合适的壳单元类型，利用凹模、压边圈及板料之间的几何关系生成相应的有限元网络，（ 2）检查生成凹模以及压边圈和板料网格的法矢量、边界、重复单元，修改网络直到没有错误为止；待划分的网 络前期检查工作结束后， 接着开始 设置模具和坯料的相对位置；定义模具和坯料、压边圈之间的接触类型和拉延筋参数 (包括拉延筋位置，类型，筋高等 )；调整毛坯、压边圈和凹模等工具间的相互位置 ； 进行工具动画 预览确定 冲压运动 是否正确 ；（ 3）输出用于模拟计算的文件（ 科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 41 页 和有限元模型文件（ 并对它们进行最后检查 ； （ 4）利用 行板料冲压模拟计算。 在前处理过程中，还要设置板料厚度、材料模型和材料参数，其中除了质量密度、杨氏模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、塑性硬化指数和真实应力应变曲 线等以外，还须考虑板料的各项异性 22。 后处理工作 有限元分析计算过程结束后，首先动态显示各部件（ 凹模、 压边圈以及板料等 ）的运动情况， 来确定 计算 是否合理 。三维成形过程中各参数及物理量的变化情况可以用等色图或等直线图动态显示，包括各时 间段 的板料变形、材料流动、应力、应变分布情况、板料厚度变化以及起皱、破裂等情况，可以 找 出板料成形后每组参数 对应的 料流动图、应力应变图、厚度分布图等进行详细研究。 成形极限图 料的成形极限主要 受 主应力轴与板料轧制方向所成角度、应变硬化 指数、厚向异性系数、板料厚度等因素 影响 。同时还与零件形状尺寸、板料尺寸、摩擦、模具、压边力、凹模圆角半径等因素密切相关 23。 成形极限图（ 如图 泛应用于板材成形性的评价以及 分析 冲压工艺的可行性。成形极限图 可以反映主应变在发生失稳时 的分布状态 ,一般我们可以通过用 带有圆形网格的标准试件进行拉胀试验来测试材料的成形极限曲线。它 基于多项式拟合的基本原理以及相关性与方差的综合分析 ， 探讨了成形极限散点与高次多项式之间的相关特性以及表面工程主应变极值点 拟合曲线的关系 。 在所得的拟合曲线基础 上配合数理统计与概率理论分析 ， 拟合曲线的上下置信函数可以成为描绘成形极限曲线 (重要依据 。 也可以为 图 板料成形极限图示例 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 41 页 4 半球形件冲压成形中拉延筋设计模拟分析 参数选择 在板料成形过程中 ， 压料面上各部位的进料阻力 是不同的 ， 通常 采取施加 拉深筋来进行控制。拉深筋参数合理 的 取值 和 布置 都是 是控制金属流动、防止出现起皱和破裂的重要手段 24。在板料冲压工艺设计过程中 ， 采用基于有限元的 析和对拉深筋模型的成形过程进行模拟和结 果分析 ， 不仅使有限元分析方法从设计验证地位提高到设计指导地位 ，而且使实时的修正及模拟成为可能。使用 软
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