北科大《数值模拟》文献研究报告

1、北京科技大学材料科学与工程学院塑性加工过程数值模拟文献研究报告板材多点成形过程中起皱现象数值模拟研究作 者：_学 号：_导 师：_材料工程专 业：_2014年12月14日北京科技大学材料科学与工程学院塑性加工过程数值模拟文献研究报告汇 总 表姓名学号指导教师性别籍贯出生年月专业材料工程报 告 题 目板材多点成形过程中起皱现象数值模拟研究论文预期的选题方向高强度汽车板的研究和开发报告内容摘要多点成形中由于板料与成形曲面是通过基本体的点接触完成成形，在成形过程中板料受到的约束必然不足，故而更容易出现塑性失稳，引发起皱。本文采用数值模拟方式着重对高强度钢板多点成形过程中出现的起皱缺陷进行研究。针对板

2、料起皱，通过有限元模拟缩小基本体尺寸；提高单位面积基本体数量；使用弹性垫或弹簧钢垫；采取多道成形等成形方式，发现这些措施对起皱有很好的抑制效果。文献调研统计文献总数近三年文献数外文文献数著作类文献数9600本人郑重声明：所呈交的报告是我个人通过查阅收集相关文献并均亲自阅读、研究、分析、总结后取得的报告成果。尽我所知，本报告中所引用的其他人已经公开或未公开发表的研究成果均已特别加以标注和致谢。报告全文格式已按照排版要求进行过认真核对。作者签名： 年 月 日- i -塑性加工过程数值模拟文献研究报告 姓名：陈海斌目 录1引言12有限元模型21.1单元模型的选择21.2接触处理31.3位移条件确定4

3、1.4材料参数41.5模拟结果43起皱的抑制62.1小基本体多点模具抑制起皱62. 2弹性垫抑制起皱72.3多道次成形方法抑制起皱92.4摆头多点模具抑制起皱104模拟结果的意义125总结与感受136参考文献15- I -1引言高强度钢板加工难度要比普通碳素钢大的多。一旦加工失败，损失也大得多。多点成形作为一种三维曲面板类件柔性成形新技术，在高强度钢板的成形中具有很多传统成形技术难以比拟的优势1：1）实现无模成形：通过控制基本体群的运动构造出所需要的成形曲面，从而取代传统的整体模具。2）优化变形路径：基于基本体的调整，对需要变形的曲面进行实时控制，达到改变板料的变形路径和受力状态的目的，进而提

4、高材料的成形极限，实现较难加工材料的塑性变形，扩大其加工范围。3）控制回弹变形：可采用反复成形的方法，利用多点成形基本体的可调性，消除残余应力，实现小回弹甚至无回弹变形，保证工件的成形精度。4）可成形大型件：采用分段成形方法，可以连续逐步成形超过设备工作平面尺寸数倍甚至数十倍的大型工件。5）易于实现自动化。但是，多点成形中由于板料与成形曲面是通过基本体的点接触完成成形，在成形过程中板料受到的约束必然不足，故而板料在局部压应力过大时更容易出现塑性失稳，引发起皱，使加工精度难于保证，因此，为了使多点成形技术实用化，对这些缺陷产生的原因及抑制方法进行研究是非常必要的。2有限元模型多点成形按基本体的不

5、同控制状态可分为：多点模具、半多点模具、多点压机和半多点压机四种基本成形方式。多点模具成形是在成形前根据所需的成形曲面调节各基本体的高度，在板料成形过程中上下基本体群分别成为一体，相邻基本体之间并没有相对运动。实质与模具成形基本相同，只是把模具离散成基本体。其成形过程如图1.1（a）。多点压机成形时，上下基本体均为主动调整型，对基本体并不进行成形前的预先调整，而是每个基本体根据成形过程中的需要分别移动到合适的位置，构成制品的包络面。这种成形方法在成形中分别控制各基本体的速度、时间和位移，可以控制任意的板料变形路径，充分利用了多点成形方法的柔性成形特点，成形过程中上下基本体群始终和板料型面保持接

6、触2。其成形过程如图1.1（b）。半多点模具(压机)成形则是只调整一侧基本体群的高度，而对另一侧采用被动方式。图1.1两种多点成形方式1.1单元模型的选择目前常采用的单元模型有实体单元和壳单元。实体单元能够用来模拟范围广泛的部件，可以用来构筑几乎任意形状、承受几乎任意载荷的模型；而当结构的厚度方向尺度远小于另外两个方向的尺度(比值小于0.015)，并且沿厚度方向的应力可忽略时，可以采用壳单元模拟。由于数值模拟采用的板材尺寸和弯曲半径较大且板材屈服强度高，所以多点成形过程中板材的弯曲变形占主要部分，厚向变形较小。因此选用壳单元对板材进行离散化34。综合工作效率和经济效益等各方面因素考虑，选择冲头

7、边长 150×150mm，呈 12 行12 列分布，冲头端部球头半径为 150mm。考虑到多点成形过程中，与板料变形相比上下基本体的变形可以忽略不计，故而直接采用刚体模型。为了节省计算时间，模型仅保留与板料接触的上下基本体球头部分，其杆部不计入模型之内。基于研究成形件起皱和回弹缺陷的主要目的，选取成形件为球面(球面对起皱现象更敏感)。由于受力形式和模型结构的对称性，可以对整体模型的 1/4 进行建模，建立的有限元模型如图1.25。图1.2有限元模型示意图1.2接触处理接触条件是有限元分析中的一类特殊约束，具有不连续性，两个受作用表面间发生接触是约束产生和作用的必要条件，即两表面发生接

8、触时约束产生，表面分开则约束消失。分析必须能够判断什么时候两个表面发生约束并采用相应的接触约束。接触约束的方法主要有拉格朗日乘子法、增广拉格朗日法、罚函数法等。求解精度和计算效率是确定接触方法的主要依据。拉格朗日乘子法采用迭代法求解方程，增加了系统的自由度，较适用于隐式算法。而罚函数法允许变形节点适量的穿透工具表面，接触约束条件可以近似得到满足，可以大大提高计算效率。所以在这一模型中选用罚函数法，摩擦系数 0.1。1.3位移条件确定在多点成形数值模拟中，上下基本体的运动是通过位移时间曲线控制的。因此为了得到合适的位移-时间曲线，务必精确计算出各基本体与板材的接触位置。如果调整不当，可能会引起成

9、形缺陷，甚至损坏装置。对于大多数板料成形过程来说，成形时合模的速度很小，一般不超1m/s，所以成形问题通常被称为准-静力问题。当前，准-静力问题主要采用动态显式算法求解，但显式算法的主要缺点在于，由于稳定条件给出的时间间隔太小，当按真实成形情况求解时，需要大量运算间。通常为了提高效率，改变时间尺度和质量尺度，将真实问题转化为模拟问题是切实可行的方法。例如，增大成形速度 10 倍，可以把求解时间缩短为原来的 1/10。但是在数值模拟过程中，当成形速度比实际速度高很多时会导致严重的惯性效应，使模拟结果失去意义。因此使用多大的尺度标准，既能显著节约时间又能保证必要精度，一直是显式算法在此类板料成形问

10、题中有待解决的问题。整体多点成形的虚拟成形速度与分段多点成形有很大的差别。这主要是因为分段成形中成形件不像整体成形的成形件全部受到模具的限制，而是往往只有成形件的一部分受到模具影响，大部分区域处于自由变形状态。因此，成形速度引起的惯性效应影响对分段成形来说要比整体成形大的多。经过对虚拟成形速度大量的模拟研究与实验对比，一般整体成形时虚拟成形速度选择 520 m/s。分段成形时，当工件相比于有效成形面积较大时，采用较低的虚拟成形速度，一般取 0.52.0 m/s；当较小时，可适当提高速度以增进效率，一般取实际成形速度的 35 倍左右。1.4材料参数高强度钢板成形过程中应力大、回弹应变大，因此对其

11、应力应变的处理不能再按照小应变的线弹性问题来解决。成形过程中板料既有弹性变形又有塑性变形，其应力应变已经不再是简单的线性关系，因此在板料多点成形数值模拟过程中必须考虑材料非线性问题。为使数值模拟能准确的反应实际成形过程，板料的材料参数和性质必须准确定义。1.5模拟结果应用有限元模型对不同规格的板料进行模拟分析。图1.3、1.4分别为板料尺寸1800×1800×28mm，曲率半径R=3000mm 以及板料尺寸 1800×1800×16mm，曲率半径 R=4500mm 的船用高强度钢板球形件的成形光照图。图1.3 R=3000mm球形件光照图 图1.4 R=

12、4500mm球形件光照图图1.3和1.4可见，两成形件表面光滑，没有明显的压痕、起皱等成形缺陷，成形效果良好。这说明本节建立的有限元模型和定义的模拟参数可以实现这一船用高强度钢的多点成形数值模拟。3起皱的抑制在高强度钢板的成形过程中，由于板料成本较高，且相对较厚，通常采用无压边成形方式，这样既节省板料，另一方面也简化了多点成形装置的结构，降低了生产成本。由于无压边，因此很容易产生起皱缺陷对板料施加足够的约束，改变板材成形路径以减小局部压应力以及均匀化成形过程的一类措施都有抑制起皱的效果6。例如：采用小基本体多点模具，使用弹性垫，进行多道次成形等7。2.1小基本体多点模具抑制起皱多点成形模具由上

13、下基本体群构成，基本体尺寸是成形设备的一个重要参数。较小的基本体尺寸意味着在板料成形过程中单位面积内的基本体数量更多，板料与基本体之间的接触点也随之增加，相应的提高了基本体对板料的约束作用。这对减小板料塑性失稳，抑制起皱有着明显的效果。通过数值模拟成形船用高强度钢板球形件以检验这一起皱抑制方式的有效性。板料规格1800×1800×16mm，成形曲率半径 R=3000mm。前文中成形采用的多点成形设备基本体边长150×150mm，呈 12 行 12 列分布，球头半径为 150mm。为减小起皱，选用小基本体多点模具，基本体边长 100 ×100mm，呈 18

14、 行 18 列分布，球头半径 100mm。成形后的Mises 应力云图如图 2.1a。将其与 150 ×150 的基本体成形件 Mises 应力云图对比，可以看出小基本体成形后的整体应力分布更加均匀，在板料中心区域应力相对较大的黄色部分面积更小，边缘危险区域的应力集中现象也更小。而从外观上观察，也没有出现 150× 150基本体成形件的明显起皱。图2.1两种基本体成形件的 Mises 应力云图对比图2.2 两种基本体成形件的成形曲线在偏差曲线中可以明显看到与150×150 基本体相比，100×100的成形件无论是整体成形偏差还是起皱现象都要小的多。这说明

15、采用小基本体多点模具这一措施在抑制板料起皱，提高成形质量上是切实可行的。但是基本体尺寸减小，单位面积内的基本体数量增加，多点成形设备的构造也就变得更加复杂，多点调形花费的时间变长，设备生产成本也相应提高。因此，多点成形设备的选取需要综合成形精度、工作效率和设备价格等多方面因素进行考虑，在生产出高精度成形件的同时最大程度降低时间经济成本。2. 2弹性垫抑制起皱多点成形中，弹性垫一般用于抑制压痕缺陷。其基本原理是在基本体群和板料之间放置具有一定强度的弹性垫，使得成形过程中基本体群压制弹性垫变形，将集中载荷通过弹性垫的形变转变为均布载荷再传递给板料，达到分散板料所受集中应力，防止压痕的产生的目的。此

16、外，由于弹性垫与板料的接触，使得原本的点接触变为了面接触，增大了板料所受约束，也有抑制起皱的效果8。常用的弹性垫有聚氨酯弹性垫和弹簧钢垫，以下以船用高强度钢板球形件数值模拟为例分别对其进行讨论。板料尺寸1800×1800×16mm，成形曲率半径R=3000mm。聚氨酯弹性垫厚度 40mm；弹簧钢垫采用 65Mn 弹簧钢。图2.3 两种弹性垫成形件的 Mise 应力云图图2.4 不同弹性垫成形件的成形曲线偏差曲线中可以看到，聚氨酯弹性垫成形件的偏差比无弹性垫的情况更大，弹性垫不但没有抑制起皱反而使起皱现象更加严重。弹簧钢垫成形件的偏差曲线整体光顺，除右端有一定工艺偏差外，在曲

17、线左端平缓无起伏，无起皱现象出现。出现这种情况的原因在于，相对与高强度钢板，聚氨酯弹性垫太过柔软，无法对板料形成有效约束。且当板料出现起皱后，由于弹性垫的形变，无法像无弹性垫时一样利用基本体与板料的刚性接触压平部分起皱，所以出现了起皱现象反而更严重的结果。另一方面，弹簧钢垫的材质强度高，可以起到对板料的约束效果。在板料两侧使用弹簧钢垫就像人为加厚板料一样，对这一整体来说其塑性失稳极限相对与无弹性垫的板料提高了很多，起到了抑制起皱的效果。2.3多道次成形方法抑制起皱从图2.5可以看出，一次成形后板料边缘中间区域应变很大，应变最大值为 0.185，而二道次和四道次成形后板料的应变分布更加均匀，其应

18、变最大值仅为 0.116 和 0.103。由此可见多道次成形使得板料剧烈变形明显减小。图2.6为各道次成形件的成形曲线。从图中曲线可以对起皱现象有一个比较直观的印象。从曲线左端看，随着成形道次的增多，曲线起伏依次减小。图2.5各道次成形的等效塑性应变云图图2.6各道次成形件的成形曲线多道次成形对抑制起皱有着积极作用。它的起皱抑制作用主要体现在通过调整成形路径均匀化成形过程，并在每一步成形后进行卸掉载荷释放应力，降低局部压应力。多道次成形作为多点成形中特有的成形方式，在起皱抑制方面有着良好的表现，它只需要对成形路径进行优化设计即可实现，不会造成过多的成本和资源浪费，是一种可靠的起皱抑制方法9。2

19、.4摆头多点模具抑制起皱摆头多点模具是随着多点成形技术的发展出现的一种新型多点模具。顾名思义，摆头多点模具的冲头可随板料变形而摆动，在冲头分布形式上则与普通多点模具类似。摆头模具的冲头与杆部通过球销连接，当冲头与板料接触时，由于相互作用而产生的接触力使冲头可以随板料的变形而转动。与普通多点模具相比，摆头多点模具可以增大冲头与板料之间的接触面积，增加板料所受约束，并使载荷分布更加均匀。图2.7 摆动冲头示意图由于板料约束的增加以及应力的相对均布，采用摆头多点模具成形板料更不容易发生塑性失稳，起到了抑制板料起皱、提高成形精度的作用。 图2.8 摆头多点模具成形件应力应变云图图2.8为摆头多点模具成

20、形件的 Mises 应力云图和等效应变云图。与普通多点模具成形件对比可以发现，摆头多点模具成形件的整体应力分布更加均匀，而最大等效应变仅为0.070，并且没有明显的应力应变集中现象。 图2.9 两种多点模具成形件的成形曲线图2.9为摆头多点模具与普通多点模具成形件的成形曲线。图中可见与普通多点模具成形曲线相比，摆头多点模具的起皱现象很小，整体相对光滑。4模拟结果的意义在金属板料成形中，高强度钢由于其自身屈服强度高、变形抗力大、延展性低等特点的限制，应用传统板料成形工艺有很大困难，多点成形技术的出现为其快速有效成形提供了技术可行性。对于这类难加工板材的生产，如车身外表件、飞机蒙皮、船体外板及建筑结构件等曲面的成形，多点成形工艺可以通过其独特的模具可调性达到传统成形工艺无法实现的加工效果。通过对其多点成形过程的起皱现象的数值模拟，找出最佳成形路径，调整工艺参数，最终得到高质量的成形件。5总结与感受本人研究生的课题还没有确定，可能会做一些汽车板方面的工作，就业意向也倾向于去汽车企业。选修塑性成形中的数值模拟，主要是考虑到将来的课题可能会通过模拟汽车板的冲压过程，研究其力学性能，当然也可能会做