金屬板料成形的數(shù)值模擬分析

1、金屬板料成形的數(shù)值模擬分析 楊曼云 羅慶豐云南省機械研究設(shè)計院金屬板料成形的數(shù)值模擬分析Numerical Simulation Of Sheet Metal Punching Process楊曼云 羅慶豐(云南省機械研究設(shè)計院摘 要 :在總結(jié)現(xiàn)有沖壓成形技術(shù)、 沖壓數(shù)值成形原理和方法的基礎(chǔ)上, 揭示板料沖壓數(shù)值 成形過程的實質(zhì); 并通過將數(shù)值成形技術(shù)應(yīng)用于沖壓工藝設(shè)計的實際算例, 提供解決沖壓工 藝瓶頸問題的科學方法。關(guān)鍵詞 :板料;沖壓;數(shù)值模擬; MSC.DytranAbstract :Substantially uncovered the essence of numerical si

2、mulation of sheet metal punching process in the basis of summarizing the theory of punching and punching related numerical simulation. Provided a scientific resolution method of encountered thorny punching problems of sheet metal through citing the representative instances of numerical simulation of

3、 sheet metal punching process . Key words: sheet metal;punching;numerical simulation; MSC/DYTRAN一.前言:金屬塑性成形加工生產(chǎn)目前主要依靠人的技術(shù)和經(jīng)驗來進行。由于塑性成形過程的 影響因素非常復雜而且涉及到非線性問題的求解, 靠人為經(jīng)驗準確制定沖壓工藝和開發(fā) 相關(guān)模具就具有相當大的任意性和不確定性。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的普及,用有限元方 法進行塑性成形過程的數(shù)值模擬成為一項有效解決該問題的高新技術(shù)。 塑性成形的有限 元數(shù)值模擬不僅能直觀描述塑性成形工步中材料的變形流動狀態(tài), 還能定量地計算出塑 性變形

4、區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布狀態(tài),為制訂和優(yōu)化工藝以及開發(fā)新工藝,設(shè)計模具 形腔和結(jié)構(gòu),分析產(chǎn)品的質(zhì)量問題,縮短生產(chǎn)周期,提高經(jīng)濟效益,提供科學的依據(jù)。沖壓是一種典型的金屬塑性成形加工過程。 它是一種通過模具對板材施加壓力或拉 力使板材塑性成形或?qū)Π辶鲜┘蛹羟辛Χ拱宀姆蛛x,以獲得一定尺寸,形狀和性能的 零件的加工方法。沖壓加工的材料一般為板材或帶材。沖壓成形過程包含十分復雜的物 理現(xiàn)象,沖壓成形技術(shù)由壓力機械、沖壓模具,沖壓工藝,材料及潤滑技術(shù)和生產(chǎn)自動 化技術(shù)等重要環(huán)節(jié)組成。其中沖壓模具和沖壓工藝技術(shù)是最關(guān)鍵的技術(shù),也是板料沖壓 成形中的難點。在給定的壓力機和沖壓板材等條件下,只有合理的模具結(jié)

5、構(gòu)尺寸,合理的工藝方案才可能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。而對一個給定的零件來說,一套合理的模具和工 藝方案的確定,不僅要靠實踐經(jīng)驗和理論計算,還往往離不開反復地試模和修模。沖壓 成形過程的數(shù)值模擬技術(shù)可以盡快地確定合理的模具和工藝方案。 目前沖壓過程的計算 機分析與仿真技術(shù)(CAE 已能在工程實際中幫助解決傳統(tǒng)方法難以解決的模具設(shè)計和 沖壓工藝設(shè)計難題:如拉裂預測、回彈計算和起皺預測等。通過應(yīng)用 CAD/CAM/CAE一體 化技術(shù),可以大大縮短新產(chǎn)品模具和工藝的設(shè)計以及模具的制造周期,降低模具制造成 本,提高模具和沖壓件產(chǎn)品品質(zhì)。在該論文中我們就板料彎曲及拉延工步的變形、板料 回彈模擬兩個問題作了探討。

6、二.沖壓生產(chǎn)中需要解決的關(guān)鍵問題:實際沖壓生產(chǎn)過程中的瓶頸問題為:1.拉裂:傳統(tǒng)的計算方法難以準確預測工藝條件改變后材料的流動狀況。很難準確計 算給定條件下材料的塑性流動狀況, 因此對材料的拉裂缺陷是無法預測的。 為了消除零件 的拉裂現(xiàn)象,必須降低拉裂區(qū)的拉應(yīng)變值。這就要求能準確地預測材料的流動狀況。 2.起皺:是由于局部壓應(yīng)力過大引起薄板失穩(wěn)所致。它不僅影響零件的精度和外觀, 還可能會影響到下一道工序。消除零件的起皺同樣要求能準確地預測材料的流動狀況。 3.回彈補償量的確定:沖壓件在沖壓完成后會有彈性變形,即會產(chǎn)生回彈,回彈會使 沖壓件的尺寸與模具的工作表面尺寸不符。 在傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計中為了補

7、償回彈所引起的尺寸 改變, 需要調(diào)整模具形狀和尺寸。 而靠傳統(tǒng)經(jīng)驗方法精確計算彎曲件的回彈量是一件十分 困難的事。 傳統(tǒng)計算方法由于不能精確計算回彈, 新產(chǎn)品的模具通常要經(jīng)過修模來補償由 于回彈造成的尺寸偏差,這會增加新產(chǎn)品模具開發(fā)的時間和成本。4.毛坯形狀、尺寸的確定:在傳統(tǒng)設(shè)計方法中毛坯的相關(guān)參數(shù)要依靠反復的實驗來確 定。 而采用數(shù)值模擬技術(shù)可避免對實驗數(shù)據(jù)的依賴, 從而獲得更為精確的結(jié)果。 通過仿真, 對沖壓過程中的材料流動狀況進行精確計算,從而精確地求出沖壓件的毛坯形狀和尺寸。 5.成形力的確定:成形力是擬訂沖壓成形工藝和選擇設(shè)備的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的成形力 計算方法是靠經(jīng)驗公式和實驗獲得

8、的修正系數(shù)來近似計算。 并且輔以大的安全系數(shù)和大的 設(shè)備預備力來保障。 通過數(shù)值模擬技術(shù), 可以精確地計算出沖壓成形所需的最大成形力和 整個成形過程中成形力的變化狀況。追究以上問題產(chǎn)生的原因, 就是靠傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計無法準確預估材料在沖壓過程中的流 動狀況和沖壓完成后材料彈性變形的狀況。 而通過沖壓問題的數(shù)值模擬技術(shù)可以定性與定 量地得到相關(guān)的工藝參數(shù), 并可對工藝參數(shù)進行合理性判別與修正從而從根本上解決上述 一系列問題。三.沖壓數(shù)值模擬中的關(guān)鍵問題:板料沖壓過程是金屬材料大位移、 大轉(zhuǎn)動、 大變形的一個塑性變形過程。 即它是一個幾何非線性問題, 該問題必須在考慮材料屈服準則、 材料流動準則的情況

9、下進行求解。 沖壓成 形的數(shù)值模擬過程是對動態(tài)問題的求解過程:其運動微分方程為: n n n n F Ku Cv Ma =+在求解該動態(tài)問題的過程中的最大特點是存在接觸問題,一般接觸問題的求解有很多 困難, 這是由于接觸摩擦的非線性本質(zhì)和接觸體系在運動和變形中所表現(xiàn)的幾何非線性和材 料非線性。在考慮接觸問題的情況下,運動方程的形式變?yōu)?F L L v K K Ma c +=+ (21式中 K1和 K2分別為系統(tǒng)的線性和非線性剛度矩陣, L 為外力引起的節(jié)點載荷向量, Lc 為接觸力引起的載荷向量, F 為內(nèi)力引起的節(jié)點載荷向量。若相關(guān)參數(shù)的計算是以物體的初 始狀態(tài)作為參考系, 則采用全量拉格朗

10、日列式法求解接觸問題, 若采用某時刻的運動狀態(tài)為 參考狀態(tài),則采用增量拉格朗日列式法來求解接觸問題。上述運動方程的求解涉及到時間域的數(shù)值積分方法問題。 在顯式求解法中, 用中心差分 法進行動態(tài)問題的時域積分,其位移、速度和加速度關(guān)系為:, 211 (2t a u u u i i i i +=+ 2/( (111t u u v i i i =+考慮到顯式求解法不存在收斂性的問題,且不用求解聯(lián)立方程組。但為了保證數(shù)值積 分的穩(wěn)定性,其選取的時間步長是不能超過系統(tǒng)的臨界時間步長,其臨界時間步長 用下 式確定: t c SL t /= ,而一般來說 c L t /式中:S 為時間步長的比例因子, S&

11、lt;1; c 為聲音在該物質(zhì)中傳播的速度。c = (E 為材料楊氏模量, 為材料密度MSC.DYTRAN 采用顯式積分法。在采用低精度單元和細密網(wǎng)格的基礎(chǔ)上,經(jīng)處理,使系 統(tǒng)的質(zhì)量矩陣不包含耦合項, 從而在進行顯式時間積分時只需求解關(guān)于每個自由度的一元一 次代數(shù)方程, 從而提高計算效率。 該方法中當前時刻的位移只與前一時刻的加速度和位移有 關(guān)。在求解時通過拉格朗日乘子法或罰函數(shù)法求解接觸問題中的接觸力大小。有限元方法中單元分析的基本步驟與流程為:e 單元分析之后, 再根據(jù)單元之間的相互關(guān)系, 將單元的方程有序的集合成整個系統(tǒng)的方 程組,并表示成矩陣形式。求得單元結(jié)構(gòu)方程后,對于連續(xù)體問題,將

12、單元集合成整體結(jié)構(gòu)后求解,整體集成包括下面四步: 四、板料沖壓數(shù)值模擬在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用:4.1 方形盒深拉伸沖壓有限元分析:(一 、分析參數(shù)的確定1.沖壓機參數(shù):沖壓速度為: V=4000 mm/s;沖頭行程:L=25.2 mm2.用于沖壓的低碳鋼材料性能參數(shù):彈性模量:E=2.06e5;密度: 2/mm N 68. 7=e KN/mm3泊松比:=0.3;摩擦系數(shù):=0.18;強化模量:B=533.382/mm N 應(yīng)變偏移:C=1.8193e-3;應(yīng)變強化指數(shù):N=0.1908材料各向異性屈服系數(shù):85. 090450=R R R(二 、分析軟件的確定采用美國 MSC SOFTWARE C

13、ORPORATION的 MSC.Patran 2000 r2 前處理器及 MSC.Dytran 軟件對軸承滾子的沖壓過程進行有限元分析。(三 、方形盒深拉伸沖壓有限元分析 CAD 、 CAE 模型: 圖 1方形盒深拉伸沖壓分析簡化后的 CAD 模型 圖 2方形盒深拉伸沖壓分析的 CAE 模型、當無壓邊時: 圖 3 沖壓完成時刻狀態(tài)其沖壓變形情況如以下兩圖: 圖 4 沖壓完成后俯視圖 圖 5 沖壓完成后 3D 視圖、 當壓邊力為 6e6 KN時:其變形情況: 圖 6 沖壓完成后俯視圖 圖 7 沖壓完成后 3D 視圖 可以看出在該壓邊力作用下,材料在沖壓過程中起皺,不能保證沖壓件的品質(zhì)。、 當壓邊

14、力為 8e6 KN時: 圖 8 沖壓完成時刻狀態(tài)從以下的變形情況可以看出當壓邊力為 8e6 KN時,剛好可以防止起皺現(xiàn)象,以保證沖 壓合格。 圖 9 沖壓完成后俯視圖 圖 10 沖壓完成后 3D 視圖以下兩圖為沖壓完成后板料中性層的等效應(yīng)力分布情況 : 圖 11 板料中性層等效應(yīng)力俯視圖 圖 12 板料中性層等效應(yīng)力 3D 視圖沖壓完成后板料中性層的等效塑性應(yīng)變情況為 : 圖 13 板料中性層等效塑性應(yīng)變分布圖 圖 14 板料中性層等效塑性應(yīng)變 3D 分布圖從以上兩圖中可以看出, 應(yīng)變最大的部位是方形盒四條豎直邊的上部與法蘭邊的交角位 置附近,因此也是破裂發(fā)生的最大可能處。沖壓過程中板料中性層

15、幾個典型結(jié)點等效應(yīng)力的變化情況及等效塑性應(yīng)變的變化情況 分別如以下兩圖所示: 圖 15 板料中性層典型結(jié)點的等效應(yīng)力 圖 16 板料中性層典型結(jié)點等效塑性應(yīng)變、 當壓邊力為 5e7 KN時:沖壓完成后板料中性層的等效應(yīng)力分布情況為: 圖 17 板料中性層等效應(yīng)力俯視圖 圖 18 板料中性層等效應(yīng)力 3D 視圖沖壓完成后板料中性層的等效塑性應(yīng)變情況為: 圖 19 板料中性層等效塑性應(yīng)變分布圖 圖 20 板料中性層等效塑性應(yīng)變 3D 分布圖沖壓過程中板料中性層幾個典型結(jié)點塑性變形情況、 結(jié)點等效應(yīng)力的變化情況及等效塑 性應(yīng)變的變化情況分別如以下兩圖所示: 圖 21 板料中性層典型結(jié)點的等效應(yīng)力 圖

16、 22 板料中性層典型結(jié)點的等效塑性應(yīng)變當壓邊力為 1e7 KN時,其沖壓過程中板料最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?0.425mm 。當壓邊力為 5e7 KN時,其沖壓過程中板料最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?0.529mm ?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論:壓邊力的取值并不是越高越好, 壓邊力應(yīng)取使板料沖壓成形不起皺 的臨界值, 超過該臨界值附近越大, 板料最大等效應(yīng)力與最大等效塑性應(yīng)變都會增大, 從而 增大破裂的危險性。 因而, 該壓邊力臨界值的確定是非常重要的。 根據(jù)以上的一些分析結(jié)果 及其板料成形極限圖 (FLD , 若應(yīng)變落入臨界區(qū)內(nèi), 則意味著該處的板料有瀕臨破裂的危險。 從而評估其發(fā)生破裂的可能性,并以此為依據(jù)采取相

17、應(yīng)的工藝措施。4.2 板料回彈數(shù)值模擬:沖壓過程在 t=0.0080時刻結(jié)束,壓邊力為 8e6KN ,阻尼系數(shù)為 1.6262, 板料在回彈過 程中等效應(yīng)力的變化過程如以下圖示: 圖 23 t=0.0085s時 圖 24 t=0.0090s時 圖 25 t=0.0095s時 圖 26 t=0.010s時 圖 27 t=0.0105s時 圖 28 t=0.011s時 圖 29 t=0.0115s時 圖 30 t=0.0125s時 圖 31 t=0.0135s時 圖 32 t=0.0145s時 圖 33 t=0.0155s時 圖 34 t=0.0165s時板料在回彈過程、沖壓與回彈整個過程中典型節(jié)

18、點的等效應(yīng)力隨時間的變化歷程 為:2003 年 MSC.Software 中國用戶論文集 圖 35 回彈過程中等效應(yīng)力隨時間的變化 圖 36 沖壓與回彈過程中等效應(yīng)力隨時間的變化 而板料在沖壓與回彈整個過程中典型節(jié)點的等效塑性應(yīng)變隨時間的變化歷程與塑性變 形量情況為： 從圖 35、36 可以看出，工件在回彈變形過程中等效應(yīng)力急劇減小至帶有殘余應(yīng)力的狀 態(tài)。通過對特定單元點的跟蹤，可以確定回彈量等參數(shù)。從而指導沖壓模具與工藝的設(shè)計與 改進。 五總結(jié)： 通過數(shù)值成形技術(shù)（成形工藝數(shù)值模擬）得到的結(jié)果，可以預測工件變形的詳細過程， 并定量地給出我們所關(guān)心的與變形有關(guān)的各種物理量在工件或模具上的空間分

19、布以及隨時 間的變化。通常這些物理量包括: 工件與模具的幾何外形、位移、速度、 （彈性和塑性）應(yīng) 變、應(yīng)變率、應(yīng)力、載荷等。并根據(jù)上述計算結(jié)果，判斷出工件是否存在成形缺陷：對于沖 壓工藝，可以從工件外形判斷是否起皺，對比成形極限圖可以看到工件哪些位置可能開裂。 回彈計算結(jié)果直接給出工件各處的相對回彈量； 對比破裂準則可以看到工件哪些位置可能開 裂等。 如果加工工藝、 模具或坯料設(shè)計不當， 還可以分析預測出由此而產(chǎn)生的各種成形缺陷， 如開裂、折疊、過燒與回彈等等。因而數(shù)值成形在某種意義上是虛擬的工藝試驗。與實際工 藝試驗相比，它的優(yōu)勢是成本低、周期短，所得到的技術(shù)信息更多更全、而且全是定量化的 數(shù)據(jù)， 可以很現(xiàn)實地指導生產(chǎn)實踐。 可以通過模擬工件的沖壓過程分析出加工工藝具有的缺 陷，從而找出產(chǎn)生缺陷的