利用有限元素法模拟金属薄板材之深抽轴成形分析

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利用有限元素法模拟金属薄板材
之深抽轴成形分析

摘要
金属薄板成形技术广泛应用于汽车、钢铁、电器、船舶、航空航天、兵器等行业中。薄板引申成型是薄板成形中最为重要的塑性加工方法,是制造业的重要组成部分。薄板成形过程的数值模拟是一个很复杂的系统工程。在传统的板材成形方法中模具的设计制造周期比较长,需要长时间的反复试模,导致技术无法延续,进而增大了开发成本。因此模具成形方法很难满足应用要求。
随着计算机和计算机辅助技术不断的发展,此项技术在金属塑性成形的领域里得到了广泛的应用。有限元素数值模拟软件(PAM-STMP)是整合了(所有板金成形过程的)有限元素计算机模拟求解方案(的模拟软件)。利用有限元素模拟技术对薄板成形问题进行研究可以实现对起皱和拉裂等问题的预测与消除,减少甚至取消试模过程,达到缩短产品开发周期、降低产品开发成本的目的。
本文利用有限元素模拟软体(Pam Stamp)对金属薄板成形问题进行分析与研究。本文首先对金属薄板引申成形的基本理论进行了总体的阐述,并就有限元数值模拟的若干关键技术进行了分析与研究,在此基础上本文利用有限元素模拟软体(Pam Stamp)进行实例模拟分析,利用软体模拟不同工程站所受的力量以及成型状态,并对实例的模拟结果进行分析。

关键字:金属薄板;成形技术;有限元素;实例模拟
 
Abstract
 
The technology of sheet metal forming has been widely used in automobiles, steel, electronics, shipbuilding, aerospace, weapons and other industries. Extended molding is the most important plastic processing method in sheet metal forming, which is an important part of the manufacturing sector. Numerical simulation during sheet metal forming process is a very complex system engineering. In the traditional methods of sheet metal forming, the design manufacture cycle of the mold is relatively long and needs a long time to repeatedly tryout, which resulted that the technology can not continue and increased the cost of development. So the method of mould forming is difficult to meet the application requirements.
As the continuing development of computers and computer-aided technology, the technology has been widely used in the field of metal forming. Finite element numerical simulation software (PAM-STMP) is the simulation software which integrates the finite element computer simulation solving programs during all the sheet metal forming process. The study of sheet metal forming by finite element simulation technology can achieve the prediction and elimination for some conditions such as wrinkling and crack to reduce or even cancel the tryout process, thus it will achieve the goals of shortening product development cycles and reducing product development costs.
This paper analyses and researches on sheet metal forming problems by finite element simulation software ( Pam Stamp ). Firstly, This article makes an overall exposition on the basic theory of sheet metal forming extended and does some analysis and research on a number of key technology of finite element numerical simulation. On the basis of that, finite element simulation software (Pam Stamp) is used to do the instantiate simulation analysis in this paper, and simulating different project stations on their suffering power and molding condition by software simulation, and makes analysis on the examples of instance simulation results.

Keywords: sheet metal; forming technology; finite element; instance simulation

誌謝
行文至此,我的这篇论文已接近尾声;光阴似箭,我*年的研究生学习生涯也即将划上完美的句号。即将离开校园,走向人生的下一段旅程,心中难免思绪万千,有太多的人值得感恩。
首先,感谢我的指导老师XXX,这篇论文的顺利完成,离不开X老师的悉心指导与鼓励。X老师虽然肩负繁重的教学科研任务,但我做毕业设计的每个阶段中,从查阅资料,论文初稿多次修改,中期检查,到后期完成论文等整个过程中都耐心指导。虽然我的论文复杂烦琐,但是X老师认真细致地屡次对论文进行完善。我不仅敬佩X老师的专业水平,他治学严谨踏实认真的科研精神也积极影响了我的学习,我将在以后的工作中继续以他作为激励自己的榜样。在此谨向XXX老师表达真挚的谢意!
感谢这*年来授予我宝贵知识和给予我无私帮助的诸多指导老师!他们授予我的专业知识是我不断成长的源泉,同时也是完成这篇论文的基石。
感谢二十多年来一如既往为我付出的父母。是你们,节衣缩食为我创造好的学习条件;是你们,在我遭遇失败时给予我适时的鼓励。我今天获得的一切都来自于你们。在此向你们道一声感谢,我的父亲母亲!
此外,还要感谢在研究生*年中帮助我的人,我会永远铭记你们。同时,也要感谢在论文撰著过程中,帮助过我、并且配合奋斗*年的大学同学们,可以兴许顺遂完成论文,是因为一路上有你、有你们,再次发自内心地感谢所有在我论文撰著过程中赐与过我帮助的许多人,谢谢!

目录
中文摘要 …………………………………………………………... i
英文摘要 …………………………………………………………... iii
致谢 …………………………………………………………...   v
目录 …………………………………………………………... vi
表目录 …………………………………………………………... viii
图目录 …………………………………………………………... ix
第一章 绪论…………………………………………………....... 1
    1.1 研究背景与意义………………………………………... 1
1.2 研究现状………………………………………............... 2
1.3 主要研究内容……………………………………….......  3
1.4 本章小结……………………………………….............. 4
第二章 金属薄板成型的基本原理……………………………... 5
2.1 引言………………………………………………........... 5
2.2 薄板引申成型的基本原理……………………………... 6
2.2.1 薄板引申成型临界曲线……………………………....... 6
2.2.2 引申成形应力分析……………………………...............  7
2.2.3 引申成形边框皱折的产生机理………………………...  8
2.2.4 薄板引申成形极限分析…………………………….......  9
2.3 物体的构形和运动描述………………………………... 10
2.3.1 变形梯度和位移梯度…………………………………... 10
2.3.2 应力张量及变化率……………………………………... 11
2.3.3 应力张量及变化率……………………………………..   12
2.4 本章小结………………………………………............... 13
第三章 有限元数值模拟实现关键技术的研究……………....... 14
3.1 引言………………………………………………........... 14
3.2 Pam Stamp使用简介…………………………………… 14
3.2.1 性能特点………………………………………............... 15
3.2.2 回弹计算能力………………………………………....... 15
3.2.3 基于PAM-STMP的设计步骤………………………… 16
3.3 金属薄板引申成形有限元模拟关键技术的研究……... 17
3.3.1 几何模型的建立………………………………………... 17
3.3.2 单元的选择………………………………………........... 19
3.3.3 材料模型的建立与屈服准则…………………………...  20
3.4 冲压成形计算机模拟技术的配套实验技术…………... 22
3.5 本章小结………………………………………............... 23
第四章 模拟实例与结果分析………………………………....... 24
4.1 引言……………………………………………………... 24
4.2 基于Pam Stamp的模拟实例…………………………… 24
4.3 实验结果分析……………………………………….......  24
4.4 本章小结…………………………………………….......  25
第五章 总结与展望……………………………………………......  26
5.1 研究总结………………………………………...............  26
5.2 前景展望……………………………………………….. 27
参考文献 …………………………………………………………... 28

表目錄
表3.1 有限元素数值模拟软件PAM-STMP主要性能特点….............. 15
表3.2 PAM-STMP回弹计算能力.......................................................... 16
表3.3 Hughes-Liu壳单元与Belytschko-Tsay壳单元的对比分析....... 19

图目录
图2.1 薄板引申成型临界曲线………....................................... 7
图2.2 金属膜状张力拉伸应力状态示意图............................... 7
图2.3 板材被圆锥型面冲压分析示意图….............................. 8
图2.4 plane strain测量得到的成形极限数值分析.................... 9
图2.5 物体的初始构形和现时构形........................................... 11
图3.1 有限元素模拟软件(Pam Stamp)的功能界面.................. 14
图3.2 基于PAM-STMP的设计流程图..................................... 17
图3.3 弹塑性硬化材料模型的应力应变曲线........................... 21

第一章 绪论
1.1研究背景与意义
金属薄板成形技术广泛应用于汽车、钢铁、电器、船舶、航空航天、兵器等行业中。[1]金属薄板成形是指材料在外力作用下, 通过模具型腔的约束而发生塑性流动, 最终达到产品的物理和几何要求。
在传统的板材成形方法中,模具成形方法以其适应性广、生产效率高、适合大批量生产等诸多优点,多年来一直占据着主导地位。[2]但随着时代的发展,新产品的更新换代越来越快,板类件生产的多品种、小批量趋势越来越明显。而模具的设计制造周期比较长,需要长时间的反复试模,并且模具材料和加工成本都比较高,因此模具成形方法很难满足此类要求。尤其对于象飞机外壳、船体外板等大型金属三维曲面的成形,目前仍只能采用手工加工方法。此类方法工作环境差、劳动强度高、生产效率低且较难获得精确的目标形状。
迅速发展的计算机和各种计算机辅助技术,成为了现代工业生产和科学研究高效能的新工具。尤其是计算机辅助技术现在已经应用到了几乎所有行业,其强大的生命力体现在产生了大量的技术成果和显著的经济及社会效益。
随着计算机和计算机辅助技术不断的发展,得到了人类认同,此项技术已普及到社会的各个领域,特别是在金属塑性成形的领域里,得到了广泛的应用。[3]有限元素数值模拟软件(PAM-STMP)是整合了所有板金成形过程的有限元计算机模拟求解方案的模拟软件。利用有限元模拟技术对薄板成形问题进行研究可以实现对起皱和拉裂等问题的预测与消除,减少甚至取消试模过程,达到缩短产品开发周期、降低产品开发成本的目的。因此,金属薄板成型领域各种课题的进一步研究将在计算机辅助技术的帮助下展现更为广阔的前景。
1.2研究现状
薄板成形的最早形式是板金工艺。公元前4000 年,埃及人开始用手工敲制各种铜器和金器。中国明代(1637 年)出版的宋应星著的《天工开物》中也记载了古代敲制铜镜的手艺。手工模具压印和局部成形出现于公元前1500年。冲压起源于1400~1568 年问出现在瑞士等地的拉延。1850 年第一台曲柄压力机制造成功后,英国人于1857 年首次在压力机上完成了拉延成形。[4-10]1913 年美国人用钢板冲压出汽车车身。从此,冲压成形工艺开始在汽车、家用电器及电子设备的制造业中发展起来,并迅速成为薄板成形工艺的主体。[11-14]
在薄板成形的初创时期,从模具设计到薄板成形性能,大量的是未知的,试错是这个时期成形的标准方法,冲压成形系统的概念还没有形成,润滑也没有被看作成形系统中的一个重要部分。随着研究的深入和不断实践,复杂的冲压成形被分解为性质不同的组成部分,如拉延、胀形、弯曲、拉胀(拉延和胀形复合成形的简称)和翻边等。
提高材料的性能和缩小性能的不均匀性,是薄板高速成形和自动化作业的重要前提。通过提高延展性和改善硬化特性来提高材料的性能。[15]塑性成形过程是变形体边界与模具型腔的接触不断发生变化并影响内部金属变形的过程。成形过程中表面缺陷的形成与发展也正是在这样的识别过程中发生的。迅速准确地预测整个薄板成形过程中可能出现的起皱、破裂、回弹等缺陷并确定其中的一些重要工艺参数, 是薄板成形技术发展的关键问题。[16]随着计算机的应用和发展以及有限元方法的成熟, 针对金属薄板成形问题的数值模拟技术有了很大的发展。
1.3主要研究内容
本文将利用有限元素模拟软件(Pam Stamp)进行分析,并着重研究金属薄板引申成形的基本理论以及有限元数值模拟的若干关键技术,而且将利用有限元素模拟软件进行实例模拟分析。本论文主要研究内容如下:
第一章 绪论。本文在第一章主要分析论文的研究背景和研究意义,并对当前国内外该领域的研究现状进行分析和研究;
第二章 金属薄板成型的基本原理。本文在第二章对金属薄板类件成型的基本原理及变形特点进行研究,分析在成形过程中决定了产品成形效果和质量的影响因素进行分析,并对深抽引申成形的金属薄板的原理及产品性能进行重点研究;
第三章 薄板深抽引申成形中有限元数值模拟实现关键技术的研究。本文在第三章结合成品特性分析、金属材料机械性质的特点对有限元数值模拟实现的关键技术进行分析和研究。
第四章 模拟实例与结果分析。本文在第四章利用有限元素模拟软体(Pam Stamp)进行实例模拟分析,主要针对不同钢材不同成型特性,建构成型过程中金属板材受力情况、应力应变趋势以及成型后的外型变化进行分析与研究,本文利用软体模拟不同工程站所受的力量以及成型状态,并对实例的模拟结果进行分析。
第五章 总结与展望。本文在第五章对本文进行的主要工作进行总结,并对该领域后续研究工作进行展望。
1.4本章小结
本章首先阐述了本课题的研究背景与意义,分析了金属薄板成型技术的研究现状,并简要介绍了本文的主要研究内容

第二章 金属薄板成型的基本原理
2.1引言
随着科学技术的进步与发展,工业生产的制造方式与水平也在不断改进与提高。金属薄板的成形方法,从原始的手工敲打开始,经过产业革命进入到使用压力机与模具的大批量生产阶段。后来又经过信息革命,正在进入更加先进的柔性制造阶段。薄板引申成型技术就是一种可以应用于板材三维曲面成形的柔性加工方法。
薄板引申成型是薄板成形中最为重要的塑性加工方法,是制造业的重要组成部分。传统拉深成形的模具和工艺设计往往依赖经验与反复地试模、修模来保证零件的质量要求。基于薄板成形问题的理论分析结果局限性较大,因此需要对成形参数的优化,传统的做法是通过大量的实验完成。[20-21]而实验的完成大都需要依靠经验法则来进行过程参数的设定导致技术无法延续,进而增大了开发成本。
薄板成形的有限元模拟技术可以实现给定模具和工艺方案条件下零件变形的全过程的数值模拟,并依据其模拟结果判断模具和工艺方案的合理性。薄板引申成型在确定薄板拉延成形的工艺参数、成形方案以及模具设计时, 必须深入了解成形过程的金属流动规律和工艺参数的影响。随着计算机技术的迅速发展, 有限元仿真在塑性加工领域也获得了广泛的应用。成熟的仿真分析技术具有很强的经济性和柔性。
2.2薄板引申成型的基本原理
提高材料的性能和缩小性能的不均匀性,是薄板引申成形和自动化作业的重要前提。通过提高延展性和改善硬化特性来提高材料的性能。[22]塑性成形过程是变形体边界与模具型腔的接触不断发生变化并影响内部金属变形的过程。成形过程中表面缺陷的形成与发展也正是在这样的识别过程中发生的。迅速准确地预测整个薄板成形过程中可能出现的起皱、破裂、回弹等缺陷并确定其中的一些重要工艺参数,是薄板成形技术发展的关键问题。[23-24]
为了对薄板引申成形进行深入研究,需要将复杂的冲压成形过程被分解为性质不同的组成部分,如拉延、胀形、弯曲、拉胀(拉延和胀形复合成形的简称)和翻边等。[25-26]本文对上述分解部分就远离进行着重分析与研究,对薄板引申成型的相关原理进行重点分析与研究。
2.2.1薄板引申成型临界曲线
薄板引申成型临界曲线是将所有可能的应变形式被板材材料特性所规范的一种特性曲线。薄板引申成型临界曲线如图2.1所示。

    
(a)薄板引申成型边界        (b)应力路径的变化示意图
图2.1 薄板引申成型临界曲线
图2.1(a)描绘出薄板引申成型边界。如果厚度方向应力忽略,且所以板材元素(element)都呈现单线性的曲线特性,此成型边界将是板材的一个性质。虚线代表ε1=ε2 ,即受等向拉伸量。此成型图的路径常以膜状应力比 (β)表示。图2.1(b)表示在冲压一个方形角落时,两条应力路径的变化情形。
2.2.2引申成形应力分析
金属膜状张力拉伸是引申成形中一种非常典型的成形过程,下面就以它为代表分析其基本原理。金属膜状张力拉伸应力状态示意图如图2.2所示。
 
图2.2金属膜状张力拉伸应力状态示意图
金属膜状张力拉伸以致于成型形状与工具形状相同。此膜状力远大於工具与板材间的接触力。除了工具形状有小R角部分外,其他部分的厚度穿透方向的应力皆可被忽略。右侧冲压到底时,接触板材的只有与punch或与die一面而已。而四周的边框也常不是被固定死,而是容许边框材料像成型区域移动。
2.2.3引申成形边框皱折的产生机理
引申成形中皱折产生是在次应变(minor)压缩时产生的。边框的皱折可以用holder的力量压制,但是还是会发生在没有hold住的地方或只跟一个tool接触的地方。本文以板材被一个圆锥型面冲压时为例(如图2.3所示)对引申成形中皱折产生的机理进行分析与研究。
 
图2.3板材被圆锥型面冲压分析示意图
图2.3中若太多的材料被拉入穴中,会有箍状压缩应力(compressive hoop stress)发生在不被压制的C位置。解抉方法通常是加大B的hold力,可增加径向(radial)应力和应变,侧向箍状收缩加上径向拉伸以减缓箍状的挤压。拉伸量德大小取抉于板材的R值(R值为拉伸试验时的宽度与厚度应变比)。较大的R值会减小径向拉伸量,而降低被撕裂的发生。拉伸用钢材的R值通常大于1,而铝小于1,所以铝质板材发生皱折的程度相对而言更为严重。造成皱折的因素还包括弹性系数、板材厚度、及tooling,所以没有针对某材料的单一个皱折极限。上述理论研究说明了加大R有助於深抽,但没说明为何大R也有益於浅的拉伸。如汽车外部板金,他们是利用增加皱折阻抗以实现板材的成形。
2.2.4薄板引申成形极限分析
薄板引申成形极限(由plane strain进行测量)与金属板材的厚度以及应变硬化指数有关,当金属板材的厚度与应变硬化指数越大时,plane strain测量得到的成形极限也会增加,如图2.4所示。所以越厚的板材成形极限也会越高。
 
图2.4 plane strain测量得到的成形极限数值分析
如图2.4所示,当plane strain测量时不管厚度大小,而取相同的格子(grid)与事实不相符合。在几何上,颈部的剖面不管材料厚薄都是很类似的。例如这个case,较厚的板材所取的区域样品比较靠近颈部的中心,所以量的的平均应变也会较大。
2.3板料成形弹塑性有限元分析理论
金属板料成形过程是一个大位移、大应变过程,即存在材料非线性和几何非线性,又存在边界条件非线性。[27]为了准确描述板料成形过程中的板料复杂的变形规律,通常采用非线性连续介质理论进行描述,下面将对反映金属塑性变形特征的若干张量的定义以及这些量的物理意义和内在联系作简要介绍。
2.3.1物体的构形和运动描述
对于一连续介质,在发生大的塑性变形时,必须考虑前后构形的变化。为了确定物体构形中点的位置,在初始构形中引入拉格朗日坐标系OX1X2X3 (或称为物质坐标),初始构形中任意一点的位置由物质坐标Xi (i= 1,2,3)确定。在现时构形中引入欧拉坐标系ox1x2x3(或称为空间坐标系),现时构形中任意一点的位置由空间坐标xi(i=1,2,3)确定。
在连续介质力学中,对物体质点的运动,有两种描述和研究方法。一种方法是把物体质点的运动和物体的各物理量看成是物质坐标Xi和时间t的函数,并研究这些函数的变化规律,这样的描述和研究方法称为拉格朗日方法。另一种方法是把物体质点的运动和物体的各物理量看成是空间坐标xi和时间t的函数,并研究这些函数的变化规律,这样的描述和研究方法称为欧拉方法。
在板料成形有限元模拟过程中,常采用拉格朗日描述。即当连续体发生变形或流动时,连续介质中的质点沿空间内各种路径运动,质点的运动可以用下列方程表示:
  (i=1,2,3)  (2.1)
方程中给出了质点当前的位置xi,并且该质点在时刻t=0时位于点X1处,而t=0时的构形则为参考构形。图2.5为在同一参考坐标系下的初始构形和现时构形。
 
图2.5物体的初始构形和现时构形
2.3.2变形梯度和位移梯度
物体中质点的运动可由式(2.1)表示,当物体中各质点之间存在相对运动时,物体就会产生变形。考虑某一矢量为X的质点和另一矢量为(X+dX)的质点,它们的位置矢量差为dX,经过变形后其位置矢量差变为dx,在现时构形中它们的位置分别为x和dx。将上式对X1求偏导,得到张量 叫做物质的变形梯度F,对xl求偏导则得到空间变形梯度,矩阵形式分别表示为:
  (2.2)
 (2.3)
位移矢量ui,对坐标求偏导则可得到物质的位移梯度 ,或空间位移梯度 。一般来说,位移梯度的矩阵形式如下:
  (2.4)
  (2.5)
2.3.3应力张量及变化率
金属板料成形过程是一个大位移、大应变的过程,在变形过程中构形会发生较大的变化,因此应力张量在初始构形和现时构形下是不同的。下面以柯西应变张量对该理论进行分析与研究。
在现时构形中,设物体上有一微小面元dS,其单位外法线向量为n,面元上的作用力为dP,其分量为dPi。柯西应变张量[28]定义为:
  (2.6)
若该面元与分别平行于坐标平面的三个面元njdS构成一微小四面体,则由静力平衡和转矩平衡条件可得:
  (2.7)
其中 ,所以
  (2.8)
式中,  为柯西应力张量,也称为欧拉应力张量,它是一个对称二阶张量,表征现时构形中质点的应力状态。在变形的某个瞬时,物体的真实应力应该用柯西应力来表征。在笛卡儿直角坐标系中,柯西应力张量的分量就是物理应力张量。
2.4本章小结
本章对金属薄板引申成形的基本理论进行了总体阐述,从薄板引申成型临界曲线、引申成形应力分析、引申成形边框皱折的产生机理以及薄板引申成形极限分析等四个方面对薄板引申成型的基本原理进行了分析,并对板料成形弹塑性有限元分析理论进行了详细研究。

第三章 有限元数值模拟实现关键技术的研究
3.1引言
随着先进制造技术的飞速发展,塑性成形技术和现代计算机技术全方位的密切结合已代替了传统的设计方法。本文采用有限元素模拟软件(Pam Stamp)对金属薄板引申成型的过程进行模拟分析。
 
图3.1有限元素模拟软件(Pam Stamp)的功能界面
基于该软件的有限元数值模拟分析研究可在很大程度上实现对金属的流动、模具受力、温度分布、应力应变、可能的缺陷及失效形式的预知,对于优化工艺方案、工艺参数和模具结构提供了一个极为有力的保障,对保证零件质量、减少材料消耗、降低研制成本、缩短产品研制周期都有着十分重要的意义。有限元素模拟软件(Pam Stamp)的功能界面如图3.1所示。
3.2 Pam Stamp使用简介
新一代的有限元素数值模拟软件PAM-STMP是迄今为止,世界上唯一整合了所有板金成形过程的有限元计算机模拟求解方案的模拟软件。从模具设计的可行性、快速模面生成与修改,到冲压过程的模拟与优化设计都整合于该软件系统当中。
3.2.1性能特点
本文对有限元素数值模拟软件PAM-STMP主要性能特点总结于表3.1中。
表3.1有限元素数值模拟软件PAM-STMP主要性能特点
功能类别 技术性能

冲压过程
精密模拟 为用户提供了能在实际工业条件下,如考虑重力影响、压料过程、多步成形、各种拉延、切边、翻边和回弹等复杂情况下可视化的冲压成形模拟。

快速成型
数值模拟 能提供一个快速成形分析,在精度、计算时间、计算结果三者中折衷并得出最优的分析结果。计算充分考虑了弹塑性材料的性能、摩擦系数、压料力、压延筋因素。能在几分钟内提供一个快速而可靠的三维结果,用以纠正概念上的错误设计和对相关参数进行初步的改进。

快速设计

性能优化 能快速地通过参数迭代的方法获得实际的仿真模型,并快速地分析判断零件有无过切(负角)和计算出最佳的冲压方向,能够参数化地完成所有的前期模具设计的控制
3.2.2回弹计算能力
有限元素数值模拟软件PAM-STMP在对金属薄板进行引申成型模拟过程当中具有强大的回弹计算分析能力,具有速度快,稳定性能好,准确性高,能完全适应工业化的生产应用,具体功能分析详见表3.2。
表3.2 PAM-STMP回弹计算能力
功能 特点

快速性 (1)回弹计算中采用了全新的隐式算法Direct Solver,
速度大幅提高;
(2)能完成对超大规模的模型进行分析计算。

稳定性 (1)很好地控制了收敛性的问题;
(2)适用于常见工业模型;
(3)计算中自动调整时间步长。

准确性 (1)全新的算法确保回弹的准确性;
(2)计算中考虑元素,自适应网格,接触条件等因素。
PAM-STMP对于超大模型的回弹分析同样出色,由于回弹技术的提高,以及速度的加快,在连续模的模拟中可以进行多次回弹的分析,即每一步成形后都进行一次回弹的分析。因此,数值模拟结果更为准确,符合工业的实际分析需求。
3.2.3基于PAM-STMP的设计步骤
有限元素数值模拟软件PAM-STAMP可以实现了各功能模块之间的无缝连接,所有的冲压模拟数据均能在各功能模块间共享。该软件支持同CAD模型进行参数共享,从CAD模型输入零件几何参数后,可以实现快速完成模面和工艺补充面的设计与优化,并快速地分析判断零件有无过切(负角)和计算出最佳的冲压方向,然后可以实现对模面和工艺补充面的几何形状进行修改,快速地通过参数迭代的方法获得实际的仿真模型,能够参数化地完成所有前期模具设计的控制。基于PAM-STMP的设计流程图如图3.2所示。
 
图3.2基于PAM-STMP的设计流程图
3.3金属薄板引申成形有限元模拟关键技术的研究
3.3.1几何模型的建立
薄板引申成形过程计算机仿真模型的建立包括两方面工作,首先分析板料的实际受力和变形过程,建立一个可以用有限元方法来求解的力学模型。[29]在此基础上,根据具体模具和坯料的几何模型建立成形过程有限元仿真的分析模型。
实际冲压过程实际是一个非常复杂过程,受到各方面因素的制约,所以在仿真计算时要考虑到对各方面的因素进行适当的规范和简化,避免问题复杂化。[30]所以在薄板冲压成型的计算中,通常情况下,对薄板厚度方向的应力可以忽略不进行计算,因为它应力分量相对于其它较小,因此。模拟过程中最多只考虑有五个独立的应力分量。另外,如果是轴对称成型,并且不考虑起皱的话,应力分量还将减少。最简单的情况是二维的纯弯曲成型,这时可只考虑二个正应力,甚至一个正应力。如果一个冲压成形过程的力学模型与实际冲压过程的力学性能不符,那么以这个力学模型为基础的计算结果自然很难符合实际情况。[31]力学模型除涉及到应力状态外,还涉及应变状态、动态效应、边界条件等,所以选择力学模型是一个非常重要的环节。
力学模型确立后,接下来就要建立零件有限元分析模型。按照有限元分析模型要求选择有限单元的类型和划分有限元网格。有限单元类型选择的标准主要是对板料变形相关数据描述的准确性。[32]一般情况下选择壳体类单元描述板料的变形,单元的节点数确定为3或4,每节点的自由度数为5。随着计算机速度的提高和内存容量的增大,冲压成形有限元模型也不断完善,为精确地描述局部变形也不排除采用非壳体类单元。有限元网格的划分一方面要考虑变形梯度的准确描述,另一方面要考虑对各物体几何形状的准确描述。如果模具和压板采用解析面描述,只需将板料划分有限元网格,这时主要是考虑变形梯度的准确描述。由于板料的变形梯度分布是未知的,所以在仿真计算前,对其网格的划分,只能凭借着以往的经验和个人直觉。因为材料在成形中流动中存在很不规则性,往往开始选定的网格可能不能满足要求,为了提高计算精度,需要重新划分网格。所以为了提高仿真计算的速度和精度,重新对网格划分和运用自适应网格技术是非常重要的。
3.3.2 单元的选择
板料在成形过程中经受非常复杂的塑性大变形,并伴随着大应变、大转动,成形坯料在厚度方向的尺寸比其它两个方向的尺寸小得多。进行有限元模拟所选用的单元模型必须适合这种成形特点。[33-34]目前,在薄板成形有限有分析中Hughes-Liu壳单元和Belytschko-Tsay壳单元是使用最为普遍和成功的有两种壳单元。[35]对Hughes-Liu壳单元与Belytschko-Tsay壳单元的对比分析如表3.3所示。
表3.3 Hughes-Liu壳单元与Belytschko-Tsay壳单元的对比分析
壳单元 特点

Hughes-Liu 缺点:从三维实体单元退化来的,计算精度高但计算量太大
优点:不适合用来求解大型的薄板成形问题

Belytschko-Tsay 特点:采用了基于随体坐标系的应力计算方法,具有很高的计算效率,一般也具有与Hughes-Liu壳单元同样的计算精度,已经成为显式积分算法中最有效的单元
通过釆用不同数目的节点和节点上不同数量的自由度来形成不同的壳体单元,本文以Belytschko-Tsay壳单元为例进行理论分析。通过引入节点位移和转角两种自由度构造单元变形场。釆用Belytschko-Tsay单元需要构造一组坐标系.设Xi是空间固定笛卡尔坐标系,ei为其单位矢量。考虑三维板壳单元,由中面上各点沿其法矢方向伸长而张成的空间定义,将板壳中面离散为二维的单元,定义位于中面各离散点处局部坐标系 ,由此板壳单元内任意一点P的空间位置坐标可表示为:
  (3-1)
式中:Nm表示形函数,tm表示m节点处厚度,V3m表示m功节点中面的单位法矢量,Xm表示m节点的中面坐标,N表示单元节点数。
本文在理论研究中假设变形前中面的法线变形后仍保持直线,中面法线绕两个不同轴的转动,两个不同轴分别垂直于法线。单位向量V1m、V2m可由下式定义:
 (3-2)
 (3-3)
中面法线绕两个不同轴的转角为 、 ,利用形函数插值可得到单元内任意点位移,位移向量ui可表示为(3-4)
 (i=1,2, 3) (3-4)
3.3.3材料模型的建立与屈服准则
薄板成形有限元模拟大都采用弹塑性材料模型,绝大多数金属材料在室温下屈服后,要使塑性变形继续,必须不断增加应力,在真实应力-真实应变曲线上表现为应力不断上升[36],这就是应变强化现象。考虑应变强化的弹塑性材料模型的应力-应变曲线如图3.3所示
 
图3.3 弹塑性硬化材料模型的应力应变曲线
Von.Mises屈服准则只适用于各项同性的理想塑性材料;采用Hill屈服准则的材料模型称为厚向异性弹塑性模型,[37]该模型反映了板料厚度方向的各向异性;采用Barlat屈服准则的三参数各项异性材料模型不仅能够反映板料厚度的各项异性,而且能够合理描述在平面应变条件下的面内各向异性。[38]假定变形体在三个相互垂直的平面具有各向异性,这些平面的交线称为各向异性主轴。Hill假设变形物体主应力状态主轴与各向异性主轴恰好一致时,提出了正交各向异性屈服条件:
  (3-5)
式中:F,G,H为材料各向异性特征参数。
进一步假定板料在面内只有厚向异性,各向同性,通过引入厚向异性参数r,得到反映厚向各向异性特征的屈服函数:
 (3-6)
式中: 为面内单向拉伸屈服应力;r为厚向各向异性指数,可利用板条单向拉伸实验得到:
  (3-7)
式中: 为板条宽度方向应变,  为厚度方向应变。
3.4冲压成形计算机模拟技术的配套实验技术
冲压成形过程的计算机模拟技术在理论上己经比较成熟,但它在工程应用的效果还取决于与之配套的一些实用技术[39],如有关的实验技术。归纳起来,影响数值模拟技术工程应用效果的实验技术有两大类。一类是数值模拟用原始数据的获取方法与装置:另一类是数值模拟关键算法的验证与关键参数的修正实验技术与装置。数值模拟用的重要原始数据包括弹塑性本构关系涉及到的参数,如n值、r值、屈服极限等;模具和板料表面摩擦特性和参数等[40]。数值模拟方法的验证包括壳体单元理论和算法的验证及适用范围的确定,弹塑性本构关系和参数的验证及适用范围的确定,以及接触摩擦算法的验证及适用范围的确定等。这些实验技术和装置的重要性是近些年来才被人们逐渐认识的,并且越来越多的将注意力转移到实验技术和装置这些影响数值模拟在工程中的应用效果的配套技术上。
实验技术和装置之所以重要,至少有两方面的原因。首先,随着先进技术的发展,钢板材料材质已得到提升,相关技术参数发生了变化,与以前的大不相同,不同厂家、不同材质的数据存在差异,波动性较大,例如刚强度板参数就很难获得原始数据,在实验和模拟上也都是有限的。但随着不断更新的实验技术和装备,通过积累所得数据更加科学与可靠。第二个原因实是数值模拟需要人来操作,就会受到人为因素的影响,就会出现偏差,为了避免偏差就不需要有相关手段来保证环节准确性,所以实验是保证模拟正确性的基本保证。
生产中的实际冲压过程可在一定程度上检验数值模拟软件的正确性,但这种个别检验的结果并不一定具有普遍意义,因为不同的实际冲压过程涉及的材料变形方式和复杂程度以及接触摩擦的状态可能相差很远。因此全面检验数值模拟软件可靠性的方法是系统地设计一系列实验,使得所有算法在所有可能的实际工作状态下的性能都得到检验。
3.5本章小结
本章就有限元数值模拟的若干关键技术进行了分析与研究,本章研究的主要内容包括对有限元素数值模拟软件(Pam Stamp)使用进行了简要介绍,并在此基础上从几何模型的建立、单元的选择以及材料模型的建立与屈服准则等三个方面对金属薄板引申成形有限元模拟关键技术进行了相关研究,本章最后对冲压成形计算机模拟技术的配套实验技术进行了简单的分析。

第四章 模拟实例与结果分析
4.1引言
有限元素模拟软件(Pam Stamp) 是整合了所有板金成形过程的有限元计算机模拟求解方案的模拟软件,将塑性成形技术和现代计算机技术全方位的密切结合已逐步取代了了传统的设计方法。对于优化工艺方案、工艺参数和模具结构提供了一个极为有力的保障,对保证零件质量、减少材料消耗、降低研制成本、缩短产品研制周期都有着十分重要的意义。
本文采用有限元素模拟软件(Pam Stamp)对金属薄板引申成型的过程进行模拟分析。主要针对不同钢材不同成型特性,建构成型过程中金属板材受力情况、应力应变趋势以及成型后的外型变化进行分析与研究,本文利用软体模拟不同工程站所受的力量以及成型状态,并对实例的模拟结果进行分析。
4.2基于Pam Stamp的模拟实例

(4.2-4.4供客户添加实验数据)

4.3实验结果分析

(4.2-4.4供客户添加实验数据)


4.4本章小结

(4.2-4.4供客户添加实验数据)

第五章 总结与展望
5.1研究总结
金属薄板成形技术广泛应用于汽车、钢铁、电器、船舶、航空航天、兵器等行业中。薄板成形问题是一个既有材料非线性又有几何非线性的复杂问题,薄板成形过程的数值模拟是一个很复杂的系统工程。在传统的板材成形方法中模具的设计制造周期比较长,需要长时间的反复试模,导致技术无法延续,进而增大了开发成本。因此模具成形方法很难满足应用要求。
随着计算机和计算机辅助技术不断的发展,此项技术在金属塑性成形的领域里得到了广泛的应用。本文利用有限元素模拟软体(Pam Stamp)对金属薄板成形问题进行分析与研究,预测与消除起皱和拉裂, 计算回弹, 确定压边力以及预测和改善模具磨损等,从而减少甚至取消试模过程,达到缩短产品开发周期、降低产品开发成本的目的。
本文基于Pam Stamp对金属薄板成形问题所进行的主要研究内容,得出的主要研究成果与结论如下:
(1)本文作者通过大量阅读相关文献,深入了解了金属薄板成形的课题研究背景,分析了当前国内外研究现状,并在此基础上系统的总结了课题的研究意义;
(2)为了对金属薄板成形问题进行深入细致的分析研究,本文首先对金属薄板引申成形的基本理论进行了总体的阐述,主要包括:薄板引申成型临界曲线、引申成形应力分析、引申成形边框皱折的产生机理以及薄板引申成形极限分析等四个方面,并对板料成形弹塑性有限元分析理论进行了初步研究;
(3)为了结合计算机模拟仿真技术对金属薄板成形问题进行研究,本文就有限元数值模拟的若干关键技术进行了分析与研究,研究内容主要包括:几何模型的建立、单元的选择以及材料模型的建立与屈服准则等三个方面;
(4)在上述理论分析的基础上,本文利用有限元素模拟软体(Pam Stamp)进行实例模拟分析,利用软体模拟不同工程站所受的力量以及成型状态,并对实例的模拟结果进行分析。(根据第四章内容客户可对该结论进行修改)
5.2前景展望
由于本课题的研究时间与本人学识水平所限,本文的研究虽然取得了预期的成果,本文对该课题的分析研究工作不可避免的存在局限性和片面性,相关研究还有待继续细化和深化来完善该领域的研究。本课题的后续改进工作可以在如下方面展开:
(1)建立精确的力学模型,是提高模拟结果的基本保障;
(2)在物理分析方面,我们需要做很多工作,特别是在对破裂机理和失稳准则研究;
(3)在计算方法方面,研究收敛性问题,提高模拟过程的稳定性;研究更好的计算方法、提高计算效率,缩短模拟计算时间;
(4)加强技术软件的开发,同一个平台,工艺软件的通用性。

参考文献
[1]钟志华,李光耀.薄板冲压成形过程的计算机仿真与应用[M].北京:北京理工大学出版社,1998.
[2]印雄飞, 阮雪榆. 板料成形过程的数值模拟[J].塑性工程学报,1999,6(1):21- 25.
[3]肖景容,李尚.健塑性成形模拟理论[M].武汉:华中理工大学出版社1994.
[4]P. V. Marcal & I. P, King. Elastic-plastic Analysis of Two- dimensional S Ystemsby the Finite Element Method. Int. J. Mech. Sci.Vol. 9,1967.
[5]Y. Yamadaetal. Plastic Stress-strain Matrix and its Application for the Solution of Elastic-plastic Problems by the Finite Element Method. Int.J.Mech. Sci. Vol. 10, 1968.
[6] H.D. Hibbitetal. A Finite Element Formulation for Problems of Large Strain and Large Displacement. Int. J. Solids Structure, Vol. 6, 1970.
[7]J.R.Osiasetal. Finite Elasto-Plastic Deformation, Int.J. Solids Structure Vol. 10,1974. 6R. M. McMeeking & J.R.Rice. Finite Element formulation for Problems of Large Elastic-plastic Deformation. Int. J. Solids Structure, Vol.11, 1975.
[8]N.M.Wang&B.Budiansky. Analysis of Sheet metal Stamping by a Finite-Element Method. J. App. Mech, Vol. 45, 1978.
[9]Tang S C. Computer prediction of the deformed shape of a draw blank during the binder-wrapstage. J. Appi. Metalworking. 1980,1 (3):6 95-712.
[10]F.J. Arlingbausetal. Finite Element Modeling of a Stretch Formed Part. Computer Modeling of Sheet Metal Forming Process, AIME,1985.
[11]B.H.Lee, Y.T .Keum, R.H. Wagoner. Modeling of the friction caused by lubrication and surface roughness in sheet metal forming. Journal of Materials Processing Technology. 130-131 (2002) 60-63.
[12]P. V. Marcal & I. P, King. Elastic-plastic Analysis of Two- dimensional S Ystemsby the Finite Element Method. Int. J. Mech. Sci.Vol. 9,1967.
[5]Y. Yamadaetal. Plastic Stress-strain Matrix and its Application for the Solution of Elastic-plastic Problems by the Finite Element Method. Int. J. Mech. Sci. Vol. 10, 1968.
[6]H.D. Hibbitetal. A Finite Element Formulation for Problems of Large Strain and Large Displacement. Int. J. Solids Structure, Vol. 6, 1970.
[7] J. R. Osiasetal. Finite Elasto-Plastic Deformation, Int.J. Solids StructureVol. 10,1974.6R. M. McMeeking & J.R.Rice. Finite Element formulation for Problems of Large Elastic-plastic Deformation. Int. J. Solids Structure, Vol.11, 1975.
[8]N.M. Wang & B. Budiansky. Analysis of Sheet metal Stamping by a Finite-Element Method. J. App. Mech, Vol. 45, 1978.
[9] Tang S C. Computer prediction of the deformed shape of a draw blank during the binder-wrapstage. J. Appi. Metalworking. 1980,1 (3):6 95-712.
[10]F.J. Arlingbausetal. Finite Element Modeling of a Stretch Formed Part. Computer Modeling of Sheet Metal Forming Process, AIME,1985.
[11]B.H.Lee,Y.T.Keum, R.H. Wagoner. Modeling of the friction caused by lubrication and surface roughness in sheet metal forming. Journal of Materials Processing Teehnology. 130-131 (2002) 60-63.
[12]S. Zhang, P.D. Hodgson,M.J. Cardew- Hall,5. Kalyanasundaram. A finite element simulation of micro-mechanical frictional behavior. Journal of Materials Processing Technology 134(2003)81-89.
[13]B. Ma, A.K.Tieu,C.Lu,Jiang. A finite-element simulation of asperity flattening in meta1forming. Journal of Materials processing Teehnology:130-131(2002)450-455.
[14]E. Doege, C. Kaminsky, A. Bagaviev. A new concept for the description of surface friction phenomena. Journal of Materials Processing Technology 94 (1999) 189-192.
[15]解后循.车身覆盖件冲压成形数值仿真研究硕士学位论文[D].2003(4).
[16]金朝海.板料成形动力显式弹塑性有限元仿真技术研究哈尔滨工业大学博士论文[D].2001年12月
[17]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.
[18]赵振铎:板料冲压工艺中的摩擦与润滑[J],锻压机械,1997,(1):3-6.
[19]张广林,王世富.冲压加工润滑技术[M],北京:中国石化出版社,1996
[20]杨连发, 李和平.变压边力拉伸模设计[M].模具工业,2002 (9).
[21]王炳德刘莹周立新等板材液压成形实验[J].研究锻压机械2002(2).
[22]印雄飞,阮雪榆.板料成形过程的数值模拟[J].塑性工程学报,1999, 6(1) : 21- 25.
[23]王东哲,娄臻亮,张永清.薄板拉深工艺中压边力闭环控制的研究现状[J].机械工程师, 2000 (7) .
[24]郭正华.铝合金板温成形关键技术的研究[D].武汉:华中科技大学博士学位论文,2004
[25]许京荆.薄板冲压成型的回弹预测研究[D].上海:上海大学博士学位论文, 2001.
[26]向毅斌,陈敦军,吴诗惇,板料成形模拟中动态边界条件的处理[J].模具技术,2002,(4):3~6.
[27]黄宜坤陈欣,王凯等.多点成形技术的发展和应用[J].模具技术,2011(5):55-58.
[28]黄祥煜,吴伯杰,曾攀.薄壁紫铜零件多次拉深成形的数值模拟[J].锻压技术, 2005, (1) : 17.
[29]杨曦,王东哲,包向军,何丹农,阮雪榆.板料拉深成形关键性技术研究[J].汽车工艺与材料, 2000 (11).
[30]秦泗吉.常压边力液压拉深模设计[M]. 液压气动与密封,2001 (10).
[31]宋起峰.国产轿车用冷轧薄钢板的成形性能评价[J].金属成形工艺,2000(4).
[32]王晓林,周贤宾:板料成形接触摩擦过程的有限元模拟技术研究[J],塑性工程学报,2000.7(1).
[33]李尚健.金属塑性成形过程模拟[M].北京:机械工业出版社1999.
[34]张士宏,尚彦凌.郎利辉等用动态显式有限元法对板材成形进行计算机模拟[J].塑性工程学报,2001(3).
[35]罗亚军等.板料成形中的有限元数值模拟技术[J].金屑成形工艺,2000(6).
[36]卢国清.应用应变分析方法对冷轧钢板拉深成形的研究[J].理化检验-物理分册, 2002(6) : 223- 225.
[37]陈中奎.金属板料冲压成形过程有限元数值模拟的研究与开发[D].北京:北京航空航天大学博士学位论文, 2001.
[38]钟志华李光耀.薄板冲压成型过程的计算机仿真与应用[M].北京:北京理工大学出版,1998.
[39]饶进军,包忠诩,黄菊花.人工神经网络技术及其在板料成形智能化中的应用[J].塑性工程学报, 2002 (3).
[40]胡轶敏林忠钦徐伟力等车身覆盖件冲压成形动态仿真的研究进展[J].力学进展,2000(5).


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