不銹鋼板沖壓成型過程的有限元模擬

1、不銹鋼板沖壓成型過程的有限元模擬原思宇，張立文,王宇挺，呂成,陳磊,王富崗大連理工大學(xué)材料工程系不銹鋼板沖壓成型過程的有限元模擬Finite element simulation in stainless steelsheet forming process原思宇，張立文,王宇挺，呂成,陳磊,王富崗（大連理工大學(xué)材料工程系摘要:基于彈塑性有限元變形理論，采用有限元軟件MSC.Marc建立不銹鋼板材 沖壓成型過程有限元模型。分析了變形過程中應(yīng)變、厚度和摩擦力的分布情況以及 凸凹模間隙尺寸對(duì)成形過程的影響。通過板材法蘭形狀的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行 的比較證實(shí)了模型的可靠性和可行性。關(guān)鍵詞:不銹鋼沖

2、壓成型有限元MSC.MarcAbstract:Based on the elastic-plastic finite eleme nt method, a fin ite eleme nt model has been used to simulate the forming process of stainless steel sheet by the FE software MSC.Marc. The model has bee n used to an alyze the stra in, thick ness of eleme nt and con tact fricti on for

3、ce distributi on. And the gaps betwee n bla nk and die filleted affects the formi ng process has bee n an alyzed. Comparis on betwee n theoretical and experime ntal results of the flange shape shows the security and the feasibility of the model.Key words: sta in less steel,sheet metal formi ng,fi ni

4、te eleme nt,MSC.Marc1概述金屬板料成形是利用沖壓模具使金屬薄板發(fā)生塑性變形生產(chǎn)薄殼零件的一種塑性成形工藝。傳統(tǒng)的板材沖壓工藝要經(jīng)過模具設(shè)計(jì)一反復(fù)沖壓實(shí)驗(yàn)、修改模具-定型、實(shí)際生產(chǎn)一系列復(fù)雜的過程。這種過程耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)禮，而且由于周期較長(zhǎng)、增加成本，已經(jīng)不適合當(dāng)今社會(huì)小批量、快速、低成本的生產(chǎn)模式。 板材成形過程是多重非線性的復(fù)雜變形過程，采用有限元法模擬板材成形過程可以 減少試模時(shí)間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)費(fèi)用1。目前，板材成形的數(shù)值模 擬方法已經(jīng)受到廣泛的重視，并且正在逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中的模具設(shè)計(jì)、沖壓過程 模擬、缺陷的預(yù)防及分析等2。對(duì)于U形和盒形

5、類的簡(jiǎn)單沖壓成形過程的數(shù)值模 擬已進(jìn)行了較多的研究3-4,而對(duì)復(fù)雜沖壓件成形過程的數(shù)值模擬5研究進(jìn)行的較 少。本文采用大型有限元分析軟件包 MSC.Marc對(duì)不銹鋼板水槽沖壓成型過程進(jìn)行 了模擬，模型考慮了板材的回彈過程。對(duì)模擬結(jié)果的分析考察了板材在沖壓成型過 程中的應(yīng)變分布、板材厚度變化與分布以及摩擦力的分布情況，討論了凸凹模間隙大小對(duì)板材沖壓過程的影響。通過比較板材邊緣的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了模型的可靠性與可行性。2有限元模型的建立2.1基本模型的建立不銹鋼水槽制件圖如圖1所示。在沖壓過程中，壓邊圈將不銹鋼板料壓在凹模 上，壓邊通過給定壓邊力實(shí)現(xiàn)。板料隨著沖頭的勻速向下運(yùn)動(dòng)被壓入型腔。

6、卸載后,沖頭與板料間的接觸消失，板材經(jīng)回彈后得到最后形狀。采用 MSC.Marc軟件繪制 模型，模具、毛坯有限元網(wǎng)格圖如圖2所示。為了簡(jiǎn)化模型縮短計(jì)算時(shí)間，根據(jù)水槽 結(jié)構(gòu)沿中線左右對(duì)稱、受力和變形也沿中線對(duì)稱的特點(diǎn)，在取其1/2創(chuàng)建有限元模 型。材料參數(shù)如表1所示。模具采用剛性體，不可變形。板料與凸模間的摩擦系數(shù) 為0.3,與凹模間的摩擦系數(shù)為0.1?？紤]到板料在拉延過程中發(fā)生大位移，因而采用 更新的拉格朗日法和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)。表1材料參數(shù)材料彈性模量（GPa屈服點(diǎn)（MPa應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系式（MPa板厚（mm STS304BA 292.95 287.4 4923.0CT =0.83.1560 &

7、#163;圖1不銹鋼水槽制件圖圖2模具、毛坯有限元模型2.2板殼單元板材定位為可變形體。由于板材厚度僅為0.8mm,且板厚與產(chǎn)品的曲面曲率半徑相比很小，因而采用雙線性四邊形殼單元。雙線性四邊形殼單元具有兩個(gè)自由度，分別是體位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。并且在幾何特性定義中輸入殼單元的厚度。2.3回彈過程的處理材料的沖壓成形卸載后，回彈是不可避免的現(xiàn)象。由于不銹鋼材料塑性變形后 的回彈較大，如果忽略將對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。因此在建立模型過程中 加入對(duì)回彈過程的模擬。模型中回彈的實(shí)現(xiàn)是當(dāng)沖壓件達(dá)到成形要求時(shí)，計(jì)算此時(shí)各結(jié)點(diǎn)所受外力大小，然后將這些外力卸除，此時(shí)要分步進(jìn)行卸載，以保證真實(shí)的回彈 數(shù)值模擬。由于

8、回彈是伴隨卸載過程而發(fā)生，因此回彈的計(jì)算類似于成形的計(jì)算，采用逐步卸載的方法，并且載卸在計(jì)算中采用彈塑性本構(gòu)方程。卸載回彈分析仍采用 平衡迭代方法求解方程。2.4模型的其他處理沖壓過程是一個(gè)復(fù)雜的變形過程，一些限制條件對(duì)實(shí)際過程影響很小，因而可以 進(jìn)行一些必要的簡(jiǎn)化與假設(shè)。模型的主要簡(jiǎn)化及假設(shè)如下：1材料采用各向同性模型且均質(zhì)；2忽略在加工過程中的溫度變化及熱效應(yīng)對(duì)板材的影響；3采用V on Mises屈服準(zhǔn)則、各向同性硬化法則和 Prandtl-Reuss關(guān)聯(lián)流動(dòng)準(zhǔn)則描述塑性；4摩擦采用Coulomb摩擦模型，且假設(shè)整個(gè)過程中摩擦系數(shù)保持不變。3模擬結(jié)果與分析3.1應(yīng)變分布與分析在水槽沖壓過

9、程中，板材受到?jīng)_頭的作用變形，變形后等效塑性應(yīng)變分布如圖 3所 示。從圖中可以看出模具拐角處，即板材變形較大處應(yīng)變最大（圖上A、B、C區(qū),側(cè)壁、底面及上表面所受應(yīng)變較小。這是由于在沖壓過程中，沖壓頭邊緣與板料接觸處首先變形，板料在此處受力的作用下繼續(xù)變圖3等效塑性應(yīng)變分布圖形。這些拐角處也是應(yīng)力集中的位置。3.2厚度變化分布與分析如圖4所示，板材沖壓后板料厚度變化分布。從圖中可以看出在沖壓頭拐角與 板料接觸部分板料厚度變化最大，板料不同位置上厚度均有不同程度的減小。厚度 最薄的部分僅為0.4718mm，此處也是在加工和使用過程中最容易發(fā)生破裂，產(chǎn)生缺 陷的部位。而位于凹模表面部分的板材出現(xiàn)一定

10、程度的板料堆積。這是由于變形的不均勻性以及凸凹模間隙擠壓的影響，在這些部位板材處于壓應(yīng)力狀態(tài)。3.3接觸摩擦力分布與分析圖5所示為板材沖壓后板料與沖頭間接觸摩擦力的分布情況。由圖可以看出在 板材與凹模圓角接觸部位的接觸摩擦力最大，其他部位的摩擦力分布較為均勻且數(shù) 值不大。因此在生產(chǎn)過程中應(yīng)該注意在這些接觸摩擦力大的部位施加潤(rùn)滑，減小摩擦系數(shù)，降低摩擦力的大小。3.4凸凹模間隙大小對(duì)成形過程的影響凸凹模間隙大小Z與板材厚度t滿足關(guān)系式：Z=kt,系數(shù)k的選取對(duì)于板材的成形過程、板材缺陷的形成起到非常重要的作用。如圖6所示為k值過大時(shí)板材起皺的模擬結(jié)果，與實(shí)際結(jié)果一致。當(dāng)k值較大時(shí),板材懸空區(qū)域受

11、到垂直于變形方向的 切向的壓應(yīng)力，這是產(chǎn)生起皺現(xiàn)象的主要原因。當(dāng) k值逐漸減小時(shí),板材懸空區(qū)域沿 變形方向的切向的拉應(yīng)力增大，當(dāng)超過許用應(yīng)力范圍時(shí)將會(huì)發(fā)生拉裂的缺陷，這也是 板材沖壓過程中較為常見的缺陷之一。此外k值的減小，也將導(dǎo)致板材在凹模表面上的產(chǎn)生嚴(yán)重堆積。3.5法蘭的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較圖7所示為板材法蘭形狀實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果比較，從圖中可以看出兩結(jié)果基本吻 合，相差很小，從而證明了模型的正確性和可行性。圖7板材邊緣的實(shí)*N7板M也緣的實(shí)驗(yàn)給果坷模擬倘果比較4結(jié)論(1有限元模擬方法可以很好地再現(xiàn)板材成型過程。有限元分析軟件MSC.Marc可以有效的模擬變形過程中板材受力、變形、缺陷的產(chǎn)生

12、等情況；(2沖壓頭拐角與板料接觸的地方應(yīng)變最大，厚度減小也大，板材位于凹模表面的部分存在一定程度的板料堆積；(3板材與凹模圓角接觸部位的摩擦力最大；(4 k值較小時(shí)板材容易產(chǎn)生拉裂的缺陷,k值較大時(shí)板材懸空區(qū)容易產(chǎn)生起皺的 缺陷,合理的k值將影響板材沖壓的成形性。(5數(shù)值模擬的變形后法蘭形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。2003 年 MSC.Software 中國(guó)用戶論文集 參考文獻(xiàn)：1 A. Mak in ouchi. Sheet metal forming simulation in industryJ 1996 (60:19-26。塑性工程學(xué)報(bào) 1996 Journal of Materials

13、Process ing Tech nology 2鄭瑩，吳勇國(guó)，李尚健，等。板料成形數(shù)值模 擬進(jìn)展J 3(4:34-47。3 D.Zhou, R. H. Wagoner. Development and application of sheet-formi ng simulatio nJ Jour nal of Materials Process ing Tech no logy 1995 (50:1-16 4 Li-P ing Lei, San g-M oon Hwa ng, Beom-Soo Kang Fin ite eleme nt an alysis and desig n in stainless steel sheet forming and its experimental comparisonJ Journal of Materials Processi ng Tech no logy 2001 (110:70-77 5 M. Samuel Experime ntal a nd numerical