在模具設計研究

在模具設計初期，進行沖壓件可成形性研究和設計改進，預測并解決在板材成形加工中可能遇到的質(zhì)量問題是鈑金成形制造業(yè)界的熱門話題。作為虛擬制造技術之一的沖壓成型數(shù)值模擬技術的日漸成熟以及它在新產(chǎn)品開發(fā)和模具設計中日益廣泛的應用，為實現(xiàn)新的鈑金制品和相應沖壓模的設計提供了途徑。本文以典型沖壓成形件為例，闡述了DYNAFORM數(shù)值模擬技術具體的應用研究，并提出和解答了DYNAFORM使用中的常見技術問題。

沖壓數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)

板材成形有限元分析技術起源于20世紀70年代初期，在近20年內(nèi)得到了迅速發(fā)展。其高效的計算功能使它的應用范圍不斷擴大，目前已用于分析復雜三維板材成形的過程，包括成形缺陷分析，如破裂、起皺和回彈等。這一技術既可應用于模具設計階段，也可應用于分析和解決實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量問題。有限元模擬技術涉及到數(shù)值方法、力學、材料科學、計算機技術以及塑性加工技術等多門學科，是當今比較前沿的研究領域之一。

國外開發(fā)的板料成形模擬商品軟件已經(jīng)達到了工程實用的階段，也獲得越來越廣泛的應用，并收到了很大的經(jīng)濟效益。國內(nèi)外知名的飛機、航空制造廠家在虛擬制造領域已經(jīng)有了多年的應用歷史，也從沖壓成形數(shù)值模擬技術中獲得了豐厚的經(jīng)濟回報。我國近幾年來在湖南大學、南昌航空大學、北京航空航天大學等一些院校及一汽集團、海爾集團等企業(yè)中也進行了這方面的應用研究。目前，已經(jīng)達到實用階段的數(shù)值模擬軟件有法國的OPTRIS軟件和美國ANSYS公司代理的eta/DYNAFORM軟件，另外還有歐洲著名軟件公司QuantechATZ公司的Stempacka軟件。以上3種軟件都是專業(yè)的鈑金成形數(shù)值模擬軟件，是真正的面向工程實際的鈑金成形仿真系統(tǒng)，具有功能強大、操作流程自動化、界面友好的特點。

為填補我國航空制造業(yè)在此方面的空白，我公司引進了eta/DYNAFORM軟件，并開展了沖壓成形模擬技術應用開發(fā)工作。

DYNAFORM數(shù)值模擬分析系統(tǒng)

DYNAFORM軟件是由ETA公司研制的基于LS-DYNA的鈑金沖壓分析軟件，它把LS-DYNA、LS-NIKE3D強大的分析能力與eta/FEMB的流程化前后處理功能結合起來。eta/DYNAFORM分析的求解器是LS-DYNA和LS-NIKE3D，這兩個程序是通用的、非線性的、動態(tài)的有限元分析程序，利用顯式和隱式計算方法來解決結構及流體等問題，已經(jīng)成功地應用于鈑金成形的數(shù)值模擬。

DYNAFORM的主要功能包括分析拉伸、成形、彎曲、翻邊、切邊等板料成形過程中的不同工序，也可以進行多步成形（或多工序加工）分析。通過用戶已定義好的沖壓工藝及模具曲面形狀來預測成形狀態(tài)，其中包括減薄拉裂、起皺、回彈等各種問題；同時可以對成形力、壓邊力、拉伸筋、模具磨損等各種工藝問題進行分析，以便優(yōu)化工藝和模具設計。DYNAFORM的核心技術包括以下幾個方面：（1）動力顯式積分算法；（2）板殼有限元理論的研究；（3）本構理論和屈服準則（材料模型）；（4）接觸判斷算法和網(wǎng)格細化自適應技術；（5）多工步成形模擬技術；（6）CAD/CAM軟件和成形過程模擬CAE軟件之間的數(shù)據(jù)轉換技術；（7）建立有限元模型的若干技巧；（8）板材沖壓成形模擬的一般過程。

作為專業(yè)化的鈑金成形數(shù)值模擬軟件，DYNAFORM具有界面友好、方便以及操作流程自動化的特點。例如，在做沖壓數(shù)值模擬分析時，用戶只需要控制重力載荷（GravityLoading）、多工序加工（DANAIN）、自適應網(wǎng)格（AdaptiveMesh）、回彈（SpringBack）等開關，即可實現(xiàn)所需要的功能。

典型沖壓件成形過程的數(shù)值模擬研究

結合生產(chǎn)中的實際需要，我車間針對典型沖壓件進行了大量的數(shù)值模擬研究，預測和驗證了沖壓成形結果，解決了沖壓成形過程中的質(zhì)量問題，并參照數(shù)值模擬分析結果提出了對模具、工藝方案或產(chǎn)品設計的修改建議。為了保證沖壓數(shù)值模擬分析的真實可靠性，首先要掌握本企業(yè)常用金屬板材的成形性能參數(shù)并建立相應的材料庫。常用的成形性能參數(shù)包括：揚氏模量E、泊松比μ、屈服應力σ、硬化指數(shù)η、厚度、各向異性系數(shù)R等。獲取板材成型性能的途徑大致有兩條：一是由板材供應商提供，二是通過實驗測得。DYNAFORM材料庫由material.ind和material.lib兩個文件組成。material.ind包含了所有保存在庫中的材料名稱和列表。用戶第一次輸出材料信息后，上述兩個文件自動在用戶計算機的根目錄下生成。在之后的分析中，只要讀入相應的材料即可。

1拉伸成形數(shù)值模擬

對于拉伸件而言，坯料形狀、壓邊力對拉伸成形中料的流動阻力有很大的影響，同樣的工件，由于坯料幾何形狀不同，壓邊力大小不同，在成形時產(chǎn)生的應力狀態(tài)有很大的區(qū)別。所以，如何優(yōu)化坯料的形狀，調(diào)整合適的壓邊力顯得尤為重要。我車間生產(chǎn)的某型發(fā)動機后壁是非規(guī)則的拉伸成形件，如圖1所示。后壁采用厚度為1mm的1Cr18Ni9Ti材料，在薄板成形工藝中，它屬于非規(guī)則的拉伸件。從圖1可以看出，該零件在成形中容易出現(xiàn)減?。▓D2所示）和斷裂（CRACK）現(xiàn)象（圖1所示）。通過實驗測得材料性能參數(shù)如下所示：（1）揚氏模量E=184MPa；（2）泊松比μ=0.3；（3）屈服應力σ=540MPa；（4）硬化指數(shù)η=0.186；（5）板厚1mm；（6）各向異性系數(shù)R=0.7；（7）凸凹模與板材之間的摩擦系數(shù)f=0.15，壓邊圈與板材之間的摩擦系數(shù)f=0.1。

模具部件及板料的幾何模型在UG中創(chuàng)建，由DYNAFORM的IGES接口讀入，進行前處理。后壁零件其數(shù)值模擬有限元模型的單元個數(shù)為2341個，節(jié)點個數(shù)為2183個，其中板材的單元個數(shù)為1578個，節(jié)點個數(shù)為1676個。圖1、圖2分別為板料優(yōu)化前的成形極限云圖和厚度變化云圖（FLD）；圖3、圖4分別為成形極限云圖和板料優(yōu)化后的厚度變化云圖。從模擬結果可以知道，板料形狀優(yōu)化前，由于圓錐拉伸部分材料流動變形阻力較小，而形角部進料阻力較大，按成形最小阻力原理，形角部板料流動變形較少，導致底部圓角處開裂，該處厚度變薄達80%，從FLD曲線看，該區(qū)域已經(jīng)超過臨界線，即使壓邊力降到16T，模擬結果變化不大。

板料形狀優(yōu)化后，圓錐拉伸部分的板料尺寸適當加大，以平衡形角部進料阻力，壓邊力給定為26T，從模擬結果看，盒形底部圓角處厚度變薄為25%，從FLD曲線看，該區(qū)域處于臨界線內(nèi)。

2多工序成形數(shù)值模擬

在板材沖壓成形中，多工步成形是比較常用的一種技術。而在數(shù)值模擬中，關鍵是如何處理上一次成形所得到的板材應力和應變信息，使板材應力和應變信息包含在第二次成形的模型中。

在第一工步成形的數(shù)值模擬中，在輸出分析文件時，打開多工序加工（DANAIN）開關，這樣，在完成第一工步成形數(shù)值模擬計算后，在計算結果文件中就包括了DANAIN文件。DANAIN文件中包括了板材在第一次成形中所得到的應力和應變等信息；然后在做下一步的成形分析時，通過多工步成形輸入接口把DANAIN文件讀入。圖5是我公司內(nèi)環(huán)后段兩次拉伸成形數(shù)值的模擬結果。3管材成形數(shù)值模擬

在沖壓成形領域內(nèi)對管材彎曲成形的研究較少，只有對圓管件的彎曲有一定的論述，因而在管材彎曲成形方面沒有較為成熟的理論及經(jīng)驗算法。在管材彎曲成形時對料的流動形式及成形回彈趨勢都無法做出準確的預見。數(shù)值模擬技術的成熟與應用為管材彎曲成形的研究提供了可靠的解決方案。我車間在管材成形數(shù)值模擬方面取得了成功的經(jīng)驗，如圖6所示為某發(fā)動機供油管成形模擬結果，坯料為外徑φ20的空心圓管，壁厚為0.8mm，材料為0Cr18Ni9鋼。4彎曲成形數(shù)值模擬

在航空制造業(yè)中，板料厚度2mm以下薄板料的圓弧彎曲成形較為常見。由于彎曲半徑大（相對于板料厚度），在彎曲時不可避免地會出現(xiàn)彈性變形，致使工件的彎曲角度和圓弧半徑很難進行準確控制。DYNAFORM具有分析回彈的功能，只要在分析文件輸出時打開回彈分析開關（SpringBack）即可進行分析。要說明的是，由于影響彎曲回彈的因素錯綜復雜，數(shù)值模擬結果在定量方面的精確度有待于進一步驗證，但圖中的顯示表明，數(shù)值模擬結果在定向方面的可靠性是毋庸置疑的。在用DYNAFORM做回彈數(shù)值模擬時，可以采用修正材料性能參數(shù)和改變邊界條件的辦法來和真實結果擬合。

DYNAFORM應用常見問題及處理辦法

在DYNAFORM的應用時，其經(jīng)常遇到的問題及處理辦法如下所示：

（1）做回彈分析時，求解不收斂。

以下方法可用于提高收斂性：a：采用更多個載荷部。由Control_implicit_general關鍵字的Nstepsb參數(shù)給定。b：調(diào)整Control_implicit_STABILIEATION的參數(shù)SCALE，如果第一個載荷步不收斂，即選擇較大的數(shù)值；如果接近結束時不收斂，選擇較小的數(shù)值；如果還不收斂，可增加載荷步。c：調(diào)整4Control_implicit_nonlinear關鍵字的lstol參數(shù)，多數(shù)情況下選擇較小的數(shù)。

（2）在LSDYNA中有許多接觸類型供用戶選擇，在板成形分析中常使用哪種類型?

在沖壓仿真中，常用的接觸是專用于板成形的FORMING類接觸。在這種接觸里，不考慮模具的厚度，同時降低了對模具網(wǎng)格的連續(xù)性要求。通常用如下兩種類型：一種是CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE，這種類型是最常用的。一種是CONTACT_FORMING_SURFACE_TO_SURFACE，這種要用更多的時間。當使用第一種方式時，如果模具的網(wǎng)格比板料的網(wǎng)格還要密，則往往出現(xiàn)較大的接觸穿透，此時可使用這種接觸類型。

（3）當做拉伸分析時，出現(xiàn)很明顯的接觸穿透，如何進行控制？

可嘗試以下幾種方式：a：增大CONTROL_CONTACT關鍵字中的SLSFAC參數(shù)，此參數(shù)范圍通常在0.1和0.01之間，由于穩(wěn)定性原因，一般不超過0.1。b：選擇其他的接觸類型。如果模具的網(wǎng)格比板料網(wǎng)格密，建議使用CONTACT_FORMING_SURFACE_TO_SURFACE。c：使用Constrarint接觸類型，即CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE，增加OptionialCardA，其參數(shù)SOFT=4即可。

（4）在LS_DYNA中有許多殼單元的算法，哪些適合板成形分析?

如果只是進行拉伸分析，選擇BT殼單元（Element#2），速度很快，結果可以接受；如果拉伸之后要進行回彈分析，選擇全積分殼單元（Element#16），好處是可獲得較好的回彈結果及收斂效果，缺點是耗費時間長。

結束語

通過數(shù)值模擬分析技術在沖壓技術領域中的應用研究，改變了我公司傳統(tǒng)的經(jīng)驗加實做試驗為主的沖壓加工模式。數(shù)值模擬分析技術對沖壓工藝及模具設計的預測及指導作用使沖壓工藝有了預見性和科學性，也提高了模具設計的準確性和可靠性。技術手段的提高，大幅度縮短了模具設計及制造調(diào)試的周期，也提升了企業(yè)對市場競爭的適應能力。

應用數(shù)