级进冲压成形有限元数值模拟技术

1、级进冲压成形有限元数值模拟技术余廉板料成闿是利用冲托模具使金届薄板发生觀性变形生产薄壳霍件的一种墩性成聒T艺.板料虞形技术皱广泛吨用于制造汽车.刖际E行3L乐力容郢臻大31金属加；”LUm丨：；L的川JL/=1:：UV-I?k现釦麒括起来主要涉及力学中的三丸II我性间題叫（1）JL何非践性即股料城厳过程中产生的人位移、K转动和人燮丿険材料非线性即材料在过贱过程中产生的弹型性变形：引边界非线性即模具与板料2阖产生69非线性接融眸擦三大非线性关系的叠Jjii-便紂板料慮形过桎的计算非常囲难是传统法无法恨好樑决的问建随着计算机技忒的发康.的准确与否迅彩响仿直结杲准确i性和町fit性的屋靂嘤闵索之-H

2、丽仃曲种加购爻駅搞述方式：以呼牧应力、驾效总斐挤述木构关累：以应力应变张戢仍八抽述木构关離，谢者主要是单向拉伸条件卜问刀应变关系.近似板料等效应力打等效应变之何的关系.采用硬化曲线來描述：后者是指板料在复杂应力状态卜的变形过程中应力张M应变张JSZ何的关系涉及到汕服准則和相应的流动准则。前者是后昔的一个重要组成部分.而后着是前者的扩展,是对板料在复杂应力状态卜变形行为的详尽描述旳。对于单元体的应力、应变状态Z何关系的描述有许多形式,由Prandil-Reuss(K设和vonMise栩服准则，町知在外力作用很小同时单元体I:的的等效应力小于釧服械限的情况卜变形体处于弹件状态.此时的变形是弹件娈形

3、：碗着外力的増加达到某一定值时.等效应力达到屈腹应力.受力体就会进入邀性变形状态.此时的变形除了弹性变形以外址包括型性父形，则fj以h结论】:恥de-(3-D等式中的卜标gp分别表不弹性，刻性部分.在弹件斐形阶段时应力9应变是简单的线性关系.它是符合虎克定律的.加后的应力状态只由应变来决定.与变形的过程没冇关系.并且是一i对应的.全就的理论形式如下,(3-2)09刃.式中的De代表弹性如阵(卜标0丧示弹性部分)根捌广义血克定律呵即孑向同性材料的弹性矩阵的具体形式如式3-3所示.式中为泊松比.a-v00V1-nnn巧-VV1-_0021-v(3-3)-n务VV一虫iVV町嘗00000000在舉性

4、变形阶段时.对于牌板来说,由于板科受轧制的影响.一般板料是各向异性材料因此.在有限元分析中.必须考虑各向异性对成形的彩响.板料屈服准则正确与否是购响分析结果的一个关键因素何.h前,在板料的各向异性屈服条件中应用得相、勺成功的仃Hill厚向异性押型性模塑和BarlatT面0向异性弹型性模型。有限变形条件下的弹塑性本构方程仃限变形条件卜的弹加性木构方程与小变形弹和性木构方程在形式上是相同的.只怖将小变形弹型性本构方程申的应力和应变换成具何客观性的应力率和应变那.采用Cauchy应力张量的Jauman导数和Alinansi1H：U.可以建工右限变形条件卜的弹SI性本构方程：(3-4)(3-5)-妙卜

5、厂式(34)中Q勺一一小变形艸塑性矩阵.K表达式为4J=哦倍一aI瘵芳H_式(35)中D勺艸旳性木构W阵8由屈服函数碗定的等效应力H材料硕化系数山式(34)和(35)不堆看出，仃限变形条件卜的弹里性本构fkAI-“=ra.j2an(3-7)(3-8)0丫、6内3切2分别为对应方向的孤向拉伸屈服应)o般在便川H山肘服准则时忽昭板料的面内异性仅考虑板料的厚向异性(压6于是有:A-其中血足板料而内的屈服应力,并可得到简化的Hill屁服准则,fW陽+去2,其中疗向异性系敌.II瞬瓷一(3-9)(3-10)W此Hill厚向异性材料的屈服准则所对应的屈服宙数为:-。時百呻盒总在平面应力假设条件卜.弹性本构

6、矩阵简化为&(3-11)(3-12)将式(311)和式(3-12)代入弹塑性矩阵一般式(35).并整理紂相应的弹塑性矩阵.其具体形式如K：1-v0(1$)1v0301-V9r(3-13)(1)(1)(1-V)酩4(-V2)S1(3-13)中*;尸S二甸皿r+J22尸S二甸皿r+J22r+2H二列61各向异性屈服准则的应用在应用Hill厚向并性材料屈服准则进行相关计算时.由F要相对材料的各向畀性主轴进行.处理起来较为复杂.1989年Bariat和Lian提出了能够合理描述具有较I备向异性金届板料尿服行为的屈服幣数何.该准则采用Lankford系数来定义材料的各向异性.其貝体形式如卜：弹-IIII

7、（3-14）式中硯为MUJIihV力：a和C一一为孑向异性材料常数：mBarlat扌肯数，对于1佃心丫方材料，仍=8：对于体心*7.方材料m=6Xx、心一一为应力张虽不变虽.可由卜式算岀：其中和月是附加的*项异性材料寫数。以I:孑个各项异性材料常数，除了p是隐式确定，其他都是由人值（宽度方向和厚度方向的应变比）确定.即:*=22Lda,力=-1+曲+凡）（）1+冋+忌）（）尽管Badat89屈服冷则包含了剪应力分虽,可以解决材料各向异性上轴与应力上轴不重合的情况,但它仅限于解决平面应力问题.1991年,Baiiat又提出TBarlat91屈服准则.后来,Barlat又对该屈服准则进行了改进，相

8、继提出了Badat94和Barlat96屈服准则.以上介绍的刨W准则为薄板冲压数值模拟常用的材料模熨在木文所用的仿貞软件Dynafonn的核心程序ls-dyna中.材料模熨37#代农Hill林册模熨材料模熨36#代农三参数BarlatAll服模型.文小釆用的止是材料模型36#三参数BarlatSP材料VA型.3.3单元类型、接触和摩擦单元类型（f.众多的单元*t.Hughes-Liu单元和Belytschko-Tsay单元是LI前板料成形数值根拟屮应用得IF常广泛且显为成功的两种壳体巾元.都足城J*Mindlin板说理论构适的.Hughes-Liu小尤是从三维实体卩元退化向来，计愆将度很髙，但

9、是英缺点足计舁虽人人;Belytschko-Tsay采用基/随动塑标系的应力计算方法,仃看很高的计算效率,丽且精度也比较高【叫1)Hughes-Liu壳单元Hughes-Uu壳单元（简称HL单尤）是展/Ahmadi人1970年提出的8节点实体恫儿-Hughes-LiuP儿I、仃以卜特点:。是咖dll标巾兀，刚体“动不产生应变,能够处理常见的冇限应变1比校简单计算的效率和稳定性比校高8从实体单元退化而来,和实体单元兼容,因此可以应用许苏为实体单尤开发的新技术:包什横斷面的仃限剪炖变：必要时还可以羽取厚向的减薄应变。这就是Huglies-Liu売单元最早被LS-DYNA仃限元求解器采用,ifull

10、ll前仍然是LS-DYNA主耍采用壳单尤之一的原因.（2）Belytscliko-Tsay7ii也兀Belytschko-Tsay壳单尤（简称BT单元）采用了基FBI体坐标系的应力计算方法,随看壳单元-起运动降低了计尊非线性运动的U朵度，不必it算费时的Jaumami应）.因此的很高的计算效率。一般情况卜，BT肛兀能得到打HL单兀较为一致的il订效果在显式有限尤分析中.BT单元成为垠自效的一种单元。在本文进行的有限元数值模拟研究中就采用rBT单元.接触问题在板料成形过程中,扳料上的节点与模具农面的接触位置爭先是未加的，而且接恢点随冲压过程不斷变化。因此,在每一个计算:步中.都要对板料的每一个节

11、点与模具的接触惜况进行搜索阿。接触点的搜索通常分阳步进行：全対搜索和局部搜索。全崗搜索是针对板料上每-个节点进It循环搜索，判断板料上毎一个节点与模具表Mi的相对位置关糸，确定板料节点是否与模接触，如果接触，找岀模具上的接傩单兀：局部捷索则根据节点和接触胞尤Z间的投莎关系，确定接触点的具体位置坐标o摩擦处理摩擦塑一种I分普遍和重耍的物理现彖，通常是描阿物体衣浙接触时产生的阻碍两农血作相对切向运动的种行为。产生摩擦现象最利的康因是物体稅面的粗糙性，ft得两种表面发生接傩时，实际上只仃部分校为突出的表血真止发生接触。在深冲成形过程中，摩擦现彖有着举足轻車的作用，何时需骥加强摩擦作用,如増大压边力.

12、有时需耍降低肆擦作用如涂润滑剂其i樓II的是控制材料的流动摩擦力的准确讣算対板材成形非常重嘤H前适用的摩擦定律仍是库仑摩擦定律,只是作了适当修正旳由经典库仑靡擦应律町知，当两个接触物/体何的切向曝擦力小于临界值斤时，两接触面间没有相对滑动.这个临界值与法向接触力用成正比即:(3-15)式中“黃示静靡擦系数.r两接触体开始产空相对滑动时，它们阿的廉擦力虑就为临界值。在两个物体的相对滑动中摩擦力的大小与法向接触力成正比,其方向与切向相对运动方向相反即:(3-16)式中M为滑动穌擦条数：疋为相对滑动速度。经典摩擦定律是遵循“只冇洛切向应力达到某-临界值时.接触表而才会产生同部位移”这假设的前提卞应用

13、的.股适用P刚休的摩援行为.但对J；变形体无论多么小的摩力都八生定的微小相对滑移。因而.艸擦卫律修正为II线性摩擦定血(3-17)F亠Iarctan|)kJr畑盘兀中虑摩擦力;虑正压力:“一一泾擦系数：RCNST一系故典型值为0.010.1：H一甘对滑动速度；/相对滑动速度的切向応。3.4有限元数值模拟软件的选取及介绍II削，用严有限元数值模拟的匸程放件町实现重人匸程和I：业产仍的计算分析、模拟仿真与忧化设计,是支持研究人员进行创新研究和设计的重要的rJHnr-段.圜际上有诸多商品化板料成彷数值模拟轶件.简要介绍如农3所示.井具体对应用最广泛的板料成形仃眼朮敌值模拟软件Dynafonn.Aut

14、ofonn及PAM-STAMP2G功能进行比絞如表3-2所示，本2选抒Dynafonn对级进冲斥过程进行竹限尤数值模拟&3-1N内外板料成形数值模拟软件本构模空/时间枳分软件程序名称开发右丨家SHEET-3Ohio州立人学关国刚刻件材料榄翼MFP2DQDCatalunyaK*7两班牙FORMSYS-SHEET,CASHEKAISTKTTLFRM禍特汽誓公司LAGAMINELiegeJr-比利时CALEb.EOUREcole公法国ABAQUS公川弹籾件材料模屯砖力1式舁法FLECHECompiegne1大BEND1禍特汽午公司INDEEDINPROPROFIL国芒科学册究院法圉AUTOFORM苏煞IIIETH瑞士MARCMarcAnalysis弹散件材料模住静力显式舁法ROBUST大阪大学口木ITAS-3D/2DRIKEN幼究所HLS-DYNA3DLivermore轶件公司黄国PAM-STANIP公司法圉弹敎性材料模型动力显式痒法DYNAFORMETA公mJ矣圍ABAQUS/EXPLICIT公诃夬IHCES-3DCatalunya人？西班牙农3-2DynafonwAutofonn及PAM-STAMP2G软件功能比较成形模佩单元类盘、M/K求解方法Dywafonn经