北科大《數(shù)值模擬》文獻研究報告

1、北京科技大學材料科學與工程學院塑性加工過程數(shù)值模擬文獻研究報告板材多點成形過程中起皺現(xiàn)象數(shù)值模擬研究作 者：_學 號：_導 師：_材料工程專 業(yè)：_2014年12月14日北京科技大學材料科學與工程學院塑性加工過程數(shù)值模擬文獻研究報告匯 總 表姓名學號指導教師性別籍貫出生年月專業(yè)材料工程報 告 題 目板材多點成形過程中起皺現(xiàn)象數(shù)值模擬研究論文預(yù)期的選題方向高強度汽車板的研究和開發(fā)報告內(nèi)容摘要多點成形中由于板料與成形曲面是通過基本體的點接觸完成成形，在成形過程中板料受到的約束必然不足，故而更容易出現(xiàn)塑性失穩(wěn)，引發(fā)起皺。本文采用數(shù)值模擬方式著重對高強度鋼板多點成形過程中出現(xiàn)的起皺缺陷進行研究。針對板

2、料起皺，通過有限元模擬縮小基本體尺寸；提高單位面積基本體數(shù)量；使用彈性墊或彈簧鋼墊；采取多道成形等成形方式，發(fā)現(xiàn)這些措施對起皺有很好的抑制效果。文獻調(diào)研統(tǒng)計文獻總數(shù)近三年文獻數(shù)外文文獻數(shù)著作類文獻數(shù)9600本人鄭重聲明：所呈交的報告是我個人通過查閱收集相關(guān)文獻并均親自閱讀、研究、分析、總結(jié)后取得的報告成果。盡我所知，本報告中所引用的其他人已經(jīng)公開或未公開發(fā)表的研究成果均已特別加以標注和致謝。報告全文格式已按照排版要求進行過認真核對。作者簽名： 年 月 日- i -塑性加工過程數(shù)值模擬文獻研究報告 姓名：陳海斌目 錄1引言12有限元模型21.1單元模型的選擇21.2接觸處理31.3位移條件確定4

3、1.4材料參數(shù)41.5模擬結(jié)果43起皺的抑制62.1小基本體多點模具抑制起皺62. 2彈性墊抑制起皺72.3多道次成形方法抑制起皺92.4擺頭多點模具抑制起皺104模擬結(jié)果的意義125總結(jié)與感受136參考文獻15- I -1引言高強度鋼板加工難度要比普通碳素鋼大的多。一旦加工失敗，損失也大得多。多點成形作為一種三維曲面板類件柔性成形新技術(shù)，在高強度鋼板的成形中具有很多傳統(tǒng)成形技術(shù)難以比擬的優(yōu)勢1：1）實現(xiàn)無模成形：通過控制基本體群的運動構(gòu)造出所需要的成形曲面，從而取代傳統(tǒng)的整體模具。2）優(yōu)化變形路徑：基于基本體的調(diào)整，對需要變形的曲面進行實時控制，達到改變板料的變形路徑和受力狀態(tài)的目的，進而提

4、高材料的成形極限，實現(xiàn)較難加工材料的塑性變形，擴大其加工范圍。3）控制回彈變形：可采用反復(fù)成形的方法，利用多點成形基本體的可調(diào)性，消除殘余應(yīng)力，實現(xiàn)小回彈甚至無回彈變形，保證工件的成形精度。4）可成形大型件：采用分段成形方法，可以連續(xù)逐步成形超過設(shè)備工作平面尺寸數(shù)倍甚至數(shù)十倍的大型工件。5）易于實現(xiàn)自動化。但是，多點成形中由于板料與成形曲面是通過基本體的點接觸完成成形，在成形過程中板料受到的約束必然不足，故而板料在局部壓應(yīng)力過大時更容易出現(xiàn)塑性失穩(wěn)，引發(fā)起皺，使加工精度難于保證，因此，為了使多點成形技術(shù)實用化，對這些缺陷產(chǎn)生的原因及抑制方法進行研究是非常必要的。2有限元模型多點成形按基本體的不

5、同控制狀態(tài)可分為：多點模具、半多點模具、多點壓機和半多點壓機四種基本成形方式。多點模具成形是在成形前根據(jù)所需的成形曲面調(diào)節(jié)各基本體的高度，在板料成形過程中上下基本體群分別成為一體，相鄰基本體之間并沒有相對運動。實質(zhì)與模具成形基本相同，只是把模具離散成基本體。其成形過程如圖1.1（a）。多點壓機成形時，上下基本體均為主動調(diào)整型，對基本體并不進行成形前的預(yù)先調(diào)整，而是每個基本體根據(jù)成形過程中的需要分別移動到合適的位置，構(gòu)成制品的包絡(luò)面。這種成形方法在成形中分別控制各基本體的速度、時間和位移，可以控制任意的板料變形路徑，充分利用了多點成形方法的柔性成形特點，成形過程中上下基本體群始終和板料型面保持接

6、觸2。其成形過程如圖1.1（b）。半多點模具(壓機)成形則是只調(diào)整一側(cè)基本體群的高度，而對另一側(cè)采用被動方式。圖1.1兩種多點成形方式1.1單元模型的選擇目前常采用的單元模型有實體單元和殼單元。實體單元能夠用來模擬范圍廣泛的部件，可以用來構(gòu)筑幾乎任意形狀、承受幾乎任意載荷的模型；而當結(jié)構(gòu)的厚度方向尺度遠小于另外兩個方向的尺度(比值小于0.015)，并且沿厚度方向的應(yīng)力可忽略時，可以采用殼單元模擬。由于數(shù)值模擬采用的板材尺寸和彎曲半徑較大且板材屈服強度高，所以多點成形過程中板材的彎曲變形占主要部分，厚向變形較小。因此選用殼單元對板材進行離散化34。綜合工作效率和經(jīng)濟效益等各方面因素考慮，選擇沖頭

7、邊長 150150mm，呈 12 行12 列分布，沖頭端部球頭半徑為 150mm?？紤]到多點成形過程中，與板料變形相比上下基本體的變形可以忽略不計，故而直接采用剛體模型。為了節(jié)省計算時間，模型僅保留與板料接觸的上下基本體球頭部分，其桿部不計入模型之內(nèi)?；谘芯砍尚渭鸢櫤突貜椚毕莸闹饕康?，選取成形件為球面(球面對起皺現(xiàn)象更敏感)。由于受力形式和模型結(jié)構(gòu)的對稱性，可以對整體模型的 1/4 進行建模，建立的有限元模型如圖1.25。圖1.2有限元模型示意圖1.2接觸處理接觸條件是有限元分析中的一類特殊約束，具有不連續(xù)性，兩個受作用表面間發(fā)生接觸是約束產(chǎn)生和作用的必要條件，即兩表面發(fā)生接觸時約束產(chǎn)生

8、，表面分開則約束消失。分析必須能夠判斷什么時候兩個表面發(fā)生約束并采用相應(yīng)的接觸約束。接觸約束的方法主要有拉格朗日乘子法、增廣拉格朗日法、罰函數(shù)法等。求解精度和計算效率是確定接觸方法的主要依據(jù)。拉格朗日乘子法采用迭代法求解方程，增加了系統(tǒng)的自由度，較適用于隱式算法。而罰函數(shù)法允許變形節(jié)點適量的穿透工具表面，接觸約束條件可以近似得到滿足，可以大大提高計算效率。所以在這一模型中選用罰函數(shù)法，摩擦系數(shù) 0.1。1.3位移條件確定在多點成形數(shù)值模擬中，上下基本體的運動是通過位移時間曲線控制的。因此為了得到合適的位移-時間曲線，務(wù)必精確計算出各基本體與板材的接觸位置。如果調(diào)整不當，可能會引起成形缺陷，甚至

9、損壞裝置。對于大多數(shù)板料成形過程來說，成形時合模的速度很小，一般不超1m/s，所以成形問題通常被稱為準-靜力問題。當前，準-靜力問題主要采用動態(tài)顯式算法求解，但顯式算法的主要缺點在于，由于穩(wěn)定條件給出的時間間隔太小，當按真實成形情況求解時，需要大量運算間。通常為了提高效率，改變時間尺度和質(zhì)量尺度，將真實問題轉(zhuǎn)化為模擬問題是切實可行的方法。例如，增大成形速度 10 倍，可以把求解時間縮短為原來的 1/10。但是在數(shù)值模擬過程中，當成形速度比實際速度高很多時會導致嚴重的慣性效應(yīng)，使模擬結(jié)果失去意義。因此使用多大的尺度標準，既能顯著節(jié)約時間又能保證必要精度，一直是顯式算法在此類板料成形問題中有待解決

10、的問題。整體多點成形的虛擬成形速度與分段多點成形有很大的差別。這主要是因為分段成形中成形件不像整體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響，大部分區(qū)域處于自由變形狀態(tài)。因此，成形速度引起的慣性效應(yīng)影響對分段成形來說要比整體成形大的多。經(jīng)過對虛擬成形速度大量的模擬研究與實驗對比，一般整體成形時虛擬成形速度選擇 520 m/s。分段成形時，當工件相比于有效成形面積較大時，采用較低的虛擬成形速度，一般取 0.52.0 m/s；當較小時，可適當提高速度以增進效率，一般取實際成形速度的 35 倍左右。1.4材料參數(shù)高強度鋼板成形過程中應(yīng)力大、回彈應(yīng)變大，因此對其應(yīng)力應(yīng)變的處

11、理不能再按照小應(yīng)變的線彈性問題來解決。成形過程中板料既有彈性變形又有塑性變形，其應(yīng)力應(yīng)變已經(jīng)不再是簡單的線性關(guān)系，因此在板料多點成形數(shù)值模擬過程中必須考慮材料非線性問題。為使數(shù)值模擬能準確的反應(yīng)實際成形過程，板料的材料參數(shù)和性質(zhì)必須準確定義。1.5模擬結(jié)果應(yīng)用有限元模型對不同規(guī)格的板料進行模擬分析。圖1.3、1.4分別為板料尺寸1800180028mm，曲率半徑R=3000mm 以及板料尺寸 1800180016mm，曲率半徑 R=4500mm 的船用高強度鋼板球形件的成形光照圖。圖1.3 R=3000mm球形件光照圖 圖1.4 R=4500mm球形件光照圖圖1.3和1.4可見，兩成形件表面光

12、滑，沒有明顯的壓痕、起皺等成形缺陷，成形效果良好。這說明本節(jié)建立的有限元模型和定義的模擬參數(shù)可以實現(xiàn)這一船用高強度鋼的多點成形數(shù)值模擬。3起皺的抑制在高強度鋼板的成形過程中，由于板料成本較高，且相對較厚，通常采用無壓邊成形方式，這樣既節(jié)省板料，另一方面也簡化了多點成形裝置的結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本。由于無壓邊，因此很容易產(chǎn)生起皺缺陷對板料施加足夠的約束，改變板材成形路徑以減小局部壓應(yīng)力以及均勻化成形過程的一類措施都有抑制起皺的效果6。例如：采用小基本體多點模具，使用彈性墊，進行多道次成形等7。2.1小基本體多點模具抑制起皺多點成形模具由上下基本體群構(gòu)成，基本體尺寸是成形設(shè)備的一個重要參數(shù)。較小的基

13、本體尺寸意味著在板料成形過程中單位面積內(nèi)的基本體數(shù)量更多，板料與基本體之間的接觸點也隨之增加，相應(yīng)的提高了基本體對板料的約束作用。這對減小板料塑性失穩(wěn)，抑制起皺有著明顯的效果。通過數(shù)值模擬成形船用高強度鋼板球形件以檢驗這一起皺抑制方式的有效性。板料規(guī)格1800180016mm，成形曲率半徑 R=3000mm。前文中成形采用的多點成形設(shè)備基本體邊長150150mm，呈 12 行 12 列分布，球頭半徑為 150mm。為減小起皺，選用小基本體多點模具，基本體邊長 100 100mm，呈 18 行 18 列分布，球頭半徑 100mm。成形后的Mises 應(yīng)力云圖如圖 2.1a。將其與 150 150

14、 的基本體成形件 Mises 應(yīng)力云圖對比，可以看出小基本體成形后的整體應(yīng)力分布更加均勻，在板料中心區(qū)域應(yīng)力相對較大的黃色部分面積更小，邊緣危險區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象也更小。而從外觀上觀察，也沒有出現(xiàn) 150 150基本體成形件的明顯起皺。圖2.1兩種基本體成形件的 Mises 應(yīng)力云圖對比圖2.2 兩種基本體成形件的成形曲線在偏差曲線中可以明顯看到與150150 基本體相比，100100的成形件無論是整體成形偏差還是起皺現(xiàn)象都要小的多。這說明采用小基本體多點模具這一措施在抑制板料起皺，提高成形質(zhì)量上是切實可行的。但是基本體尺寸減小，單位面積內(nèi)的基本體數(shù)量增加，多點成形設(shè)備的構(gòu)造也就變得更加復(fù)雜，

15、多點調(diào)形花費的時間變長，設(shè)備生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高。因此，多點成形設(shè)備的選取需要綜合成形精度、工作效率和設(shè)備價格等多方面因素進行考慮，在生產(chǎn)出高精度成形件的同時最大程度降低時間經(jīng)濟成本。2. 2彈性墊抑制起皺多點成形中，彈性墊一般用于抑制壓痕缺陷。其基本原理是在基本體群和板料之間放置具有一定強度的彈性墊，使得成形過程中基本體群壓制彈性墊變形，將集中載荷通過彈性墊的形變轉(zhuǎn)變?yōu)榫驾d荷再傳遞給板料，達到分散板料所受集中應(yīng)力，防止壓痕的產(chǎn)生的目的。此外，由于彈性墊與板料的接觸，使得原本的點接觸變?yōu)榱嗣娼佑|，增大了板料所受約束，也有抑制起皺的效果8。常用的彈性墊有聚氨酯彈性墊和彈簧鋼墊，以下以船用高強度鋼

16、板球形件數(shù)值模擬為例分別對其進行討論。板料尺寸1800180016mm，成形曲率半徑R=3000mm。聚氨酯彈性墊厚度 40mm；彈簧鋼墊采用 65Mn 彈簧鋼。圖2.3 兩種彈性墊成形件的 Mise 應(yīng)力云圖圖2.4 不同彈性墊成形件的成形曲線偏差曲線中可以看到，聚氨酯彈性墊成形件的偏差比無彈性墊的情況更大，彈性墊不但沒有抑制起皺反而使起皺現(xiàn)象更加嚴重。彈簧鋼墊成形件的偏差曲線整體光順，除右端有一定工藝偏差外，在曲線左端平緩無起伏，無起皺現(xiàn)象出現(xiàn)。出現(xiàn)這種情況的原因在于，相對與高強度鋼板，聚氨酯彈性墊太過柔軟，無法對板料形成有效約束。且當板料出現(xiàn)起皺后，由于彈性墊的形變，無法像無彈性墊時一樣

17、利用基本體與板料的剛性接觸壓平部分起皺，所以出現(xiàn)了起皺現(xiàn)象反而更嚴重的結(jié)果。另一方面，彈簧鋼墊的材質(zhì)強度高，可以起到對板料的約束效果。在板料兩側(cè)使用彈簧鋼墊就像人為加厚板料一樣，對這一整體來說其塑性失穩(wěn)極限相對與無彈性墊的板料提高了很多，起到了抑制起皺的效果。2.3多道次成形方法抑制起皺從圖2.5可以看出，一次成形后板料邊緣中間區(qū)域應(yīng)變很大，應(yīng)變最大值為 0.185，而二道次和四道次成形后板料的應(yīng)變分布更加均勻，其應(yīng)變最大值僅為 0.116 和 0.103。由此可見多道次成形使得板料劇烈變形明顯減小。圖2.6為各道次成形件的成形曲線。從圖中曲線可以對起皺現(xiàn)象有一個比較直觀的印象。從曲線左端看，

18、隨著成形道次的增多，曲線起伏依次減小。圖2.5各道次成形的等效塑性應(yīng)變云圖圖2.6各道次成形件的成形曲線多道次成形對抑制起皺有著積極作用。它的起皺抑制作用主要體現(xiàn)在通過調(diào)整成形路徑均勻化成形過程，并在每一步成形后進行卸掉載荷釋放應(yīng)力，降低局部壓應(yīng)力。多道次成形作為多點成形中特有的成形方式，在起皺抑制方面有著良好的表現(xiàn)，它只需要對成形路徑進行優(yōu)化設(shè)計即可實現(xiàn)，不會造成過多的成本和資源浪費，是一種可靠的起皺抑制方法9。2.4擺頭多點模具抑制起皺擺頭多點模具是隨著多點成形技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的一種新型多點模具。顧名思義，擺頭多點模具的沖頭可隨板料變形而擺動，在沖頭分布形式上則與普通多點模具類似。擺頭模具的

19、沖頭與桿部通過球銷連接，當沖頭與板料接觸時，由于相互作用而產(chǎn)生的接觸力使沖頭可以隨板料的變形而轉(zhuǎn)動。與普通多點模具相比，擺頭多點模具可以增大沖頭與板料之間的接觸面積，增加板料所受約束，并使載荷分布更加均勻。圖2.7 擺動沖頭示意圖由于板料約束的增加以及應(yīng)力的相對均布，采用擺頭多點模具成形板料更不容易發(fā)生塑性失穩(wěn)，起到了抑制板料起皺、提高成形精度的作用。 圖2.8 擺頭多點模具成形件應(yīng)力應(yīng)變云圖圖2.8為擺頭多點模具成形件的 Mises 應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變云圖。與普通多點模具成形件對比可以發(fā)現(xiàn)，擺頭多點模具成形件的整體應(yīng)力分布更加均勻，而最大等效應(yīng)變僅為0.070，并且沒有明顯的應(yīng)力應(yīng)變集中現(xiàn)象

20、。 圖2.9 兩種多點模具成形件的成形曲線圖2.9為擺頭多點模具與普通多點模具成形件的成形曲線。圖中可見與普通多點模具成形曲線相比，擺頭多點模具的起皺現(xiàn)象很小，整體相對光滑。4模擬結(jié)果的意義在金屬板料成形中，高強度鋼由于其自身屈服強度高、變形抗力大、延展性低等特點的限制，應(yīng)用傳統(tǒng)板料成形工藝有很大困難，多點成形技術(shù)的出現(xiàn)為其快速有效成形提供了技術(shù)可行性。對于這類難加工板材的生產(chǎn)，如車身外表件、飛機蒙皮、船體外板及建筑結(jié)構(gòu)件等曲面的成形，多點成形工藝可以通過其獨特的模具可調(diào)性達到傳統(tǒng)成形工藝無法實現(xiàn)的加工效果。通過對其多點成形過程的起皺現(xiàn)象的數(shù)值模擬，找出最佳成形路徑，調(diào)整工藝參數(shù)，最終得到高質(zhì)量的成形件。5總結(jié)與感受本人研究生的課題還沒有確定，可能會做一些汽車板方面的工作，就業(yè)意向也傾向于去汽車企業(yè)。選修塑性成形中的數(shù)值模擬，主要是考慮到將來的課題可能會通過模擬汽車板的沖壓過程，研究其力學性能，當然也可能會做一些軋制過程的模擬