PAM-STAMP软件钣金成形数值模拟实践教程08蒙皮拉伸

第八章 蒙皮拉伸成形过程模拟 (2)
8.1 蒙皮拉伸工艺简介 (2)
8.2 蒙皮拉伸成形数值模型建立 (3)
8.2.1蒙皮拉伸成形简化 (3)
8.2.2 蒙皮拉伸成形分析流程 (3)
8.3 蒙皮拉伸成形仿真示例 (5)
ESI-ATE公司
第八章蒙皮拉伸成形过程模拟
8.1 蒙皮拉伸工艺简介
蒙皮拉伸拉形工艺是指板料两端在拉形机夹钳夹持下，夹钳沿一定轨迹运动或模具上升使板料与拉形模接触，产生不均匀的平面拉应变而使板料与拉形模贴合的成形方法[]。

蒙皮拉伸拉形工艺是板料成形工艺的一个重要分支，该工艺主要用于大型壳类零件的小批量生产，是航空和航天器蒙皮制造的主要方法[]。

蒙皮拉伸拉形过程中板料在拉力的作用下逐步包覆在模具表面，形成所需要零件形状。

成形中主要通过拉形模和夹钳的相对运动，对板料施加拉力和弯矩，使板料与拉形模贴合面逐渐扩展，并最终完全贴合。

其实质是通过对板料协同施加一定的膜向拉应力和弯曲力矩，使板材尽可能进入全塑性状态，从而达到减小板材弯曲内力，减轻膜向应力分布不均现象，并最终达到减小卸载回弹、提高零件成形精度的目的[][]。

由于蒙皮拉形所需的成形模具结构简单，制造成本低，因此十分适合于小批量、多品种零件产品。

蒙皮是飞机的外形零件，构成了飞机的气动外形，因而要求外形准确、流线光滑和表面无划伤、擦伤、粗晶等缺陷[]。

与普通的板料成形工艺（如冲压成形等）相比，蒙皮拉伸成形过程中板料与模具间存在较大的接触面积，两者间的接触状态对零件的可成形性及成形零件的质量如壁厚分布的均匀性，成形件表面质量等会有更加重要的影响，不容置疑其是影响蒙皮拉伸成形工艺的重要因素之一[]。

随着现代飞行器制造技术的发展，蒙皮形状日趋复杂，对壁厚均匀度的要求越来越高，在某些特殊的蒙皮拉伸成形工艺中，如在大型飞机蒙皮生产中所采用的镜面蒙皮拉伸成形工艺，对板料与模具间的接触与摩擦状态要求进行严格控制，以保证生产出合格的产品。

8.2 蒙皮拉伸成形数值模型建立
8.2.1蒙皮拉伸成形简化
拉形机工作时机构运动较复杂，控制的部件也较多，在有限元模型中必须有所简化。

需要的组件除了板料和模具外，还有钳口（牛鼻子）与夹持端。

钳口的作用是通过圆角与板料接触，使板料端部变形均匀。

为了分析的简化，用相应的几何网格来表示。

夹持端对板料产生牵引作用。

实际机床中通过夹紧板料加大摩擦力来工作，但在分析中夹持端简化成板料两端的刚体壳单元，与板料共节点来实现。

夹持端的作用也可简化成板料两端的节点施加力和位移来分析。

在位移加载中，将复杂的运动曲线加在夹持端和钳口的节点上，即模拟整个夹钳的复杂运动。

图8-1 蒙皮拉形过程示意
蒙皮拉形工作步骤一般可有预拉，模具顶，补拉等过程，并可以通过拉、弯、顶的组合实现更多的工艺过程[]。

典型成形步骤的简化：
一． 装夹过程。

对于曲率大的零件，通常将板料预弯便于夹持，使后阶段的变形更为真实。

二． 预拉过程。

夹钳对板料两端用力控制施加一个切向拉力或用位移控制运动一段距离，使材料进入塑性。

在分析时可通过计算板料与模具的
位置，沿这个方向施加力和位移。

三． 模具上顶。

在模具上施加相应速度控制，完成上顶过程。

四． 卸载回弹过程。

与其它成形分析中回弹相似，但有必要进行切边回弹的计算，除去在钳口处变形较大的单元的影响。

8.2.2 蒙皮拉伸成形分析流程
采用PAM-STAMP 2G模拟蒙皮拉伸拉形工艺过程流程图如图8-2所示，从这个流程图中可以看出，我们在模拟蒙皮拉伸拉形工艺过程中主要关注：模具几
何设计结果、下料量估计结果、成形精确模拟结果和蒙皮拉伸拉形补偿结果及其输出。

这也就分别对应解决了模具设计、毛坯估计、成形过程中缺陷（起皱、破裂等）和回弹补偿问题。

图8-2 PAM-STAMP 2G模拟蒙皮拉伸拉形工艺过程流程图
8.3 蒙皮拉伸成形仿真示例
本次模拟针对一个双曲的蒙皮零件，如图8-3。

零件的曲率较大，成形难度大。

工艺方案为：
第一步，模拟板料装夹过程。

第二步，模拟模具上顶的过程。

第三步，回弹预测。

图8-3 蒙皮零件
一． 准备工作。

导入模具、板料等，生成分析所需的部件。

a)建立分析文件strenchform，工程类型为AUTOSTAMP。

b)导入模具几何，从project/import选择CAD，在import of CAD model对话
框中选择导入到setup module中。

选择导入的模具igs文件，网格尺寸换默认即可，点Meshing对话框中的apply，进行网格划分。

最后得到如图8-的模具网格。

将导入的模型重名为Part total。

图8-4 模具图图8-5 钳口
c)导入板料，由于需要模拟板料拱起的装夹过程，要求板料有一定弧度，在
CAD软件中建模。

在选择导入的模具igs文件，点Meshing对话框中mesh size取10，点apply，进行网格划分。

将导入的模型重名为blank。

d)导入夹钳几何（牛鼻子）。

选择导入的一边（模具Y轴正方向）的夹钳igs
文件，点Meshing对话框中的apply，进行网格划分。

将导入的模型重名为GD1。

再导入另一边，命名为GD2。

最后得到如图8-的模具网格。

e)生成夹持端。

选择板料边缘节点，作为夹持端。

拾取板料一端（靠GD1
的一端）的网格节点，右击后点Add selection to object，加到新的部件GD1-nodes中，注意不选点选Remove from other objects。

再选取另一端的节点，加到GD2-nodes中。

如图8-6。

图8-6 生成夹持端的节点
f)新建坐标系。

在process下点create object按钮，新建名为local的坐标系。

在板料上选一点，按板料的经纬方向选择X、Z轴。

如图8-7。

图8-7a 图8-7b
图8-7c
图8-7 生成新的坐标系
二． 装夹预弯过程。

a)建立分析步phase1。

在对象属性对话框中点Stages manager，将stage改
为phase1。

在对象属性对话框中右击下面的分析步phase1，选择激活
blank，GD1，GD2，GD1-nodes和GD2-nodes等组件，将等激活。

b)为组件定义属性。

在对象属性对话框的All stages下，右击Part total，属
性设为surface tool；右击blank，属性设为surface blank；右击GD1与
GD2，属性设为surface tool。

c)添加材料属性。

在设置板料的材料属性。

在objects attributes对话框中all
stage下blank对象添加材料属性。

在Mechanical parameter对话框中点新
建材料，按图8-10中的设置，在材料库中选取AL2008_iso的材料。

板
料厚度为2.8mm。

d)为GD1与GD2添加刚体属性。

在GD1上点击右键，选择add attributes。

在add objects attributes对话框中选择Rigid body，按默认完成。

在GD2
上进行同样操作。

e)夹钳运动控制。

夹持预成形时夹钳向模具方向平送。

在GD1上右击，在
add objects attributes对话框中选择Cartesian kinematic，限定刚体自由度，
在X方向平动速度为1.5mm/ms，因子为-1。

除X方向外全部设 lock，参考系为local，如图8-。

用同样方式为GD2添加Cartesian kinematic属性，X方向速度为0.75mm/ms，其它方向锁住。

图8-8 添加钳口运动控制
f)夹持端节点运动控制。

将GD1与GD2的刚体属性与运动控制属性拷贝
到GD1-nodes与GD2-nodes。

g)添加接触属性。

成形中只有夹持端与板料的接触，在GD1下新建接触属
性，从接触面选为blank，摩擦系数为0.12。

在GD2下进行同样操作。

h)设置分析参数。

在双击Global objects 下的Control属性，将结束控制设
置为progression，结束时间为280ms。

在Global objects下添加mesh transformation属性，新建两个Autopositioning，将GD1和GD2定位在板料上，方向沿Z轴负向。

其它设为默认。

图8-10 钳口定位
装夹预弯过程设置完毕。

三． 上顶过程。

a)建立模拟上顶的分析步phase2。

在Stages manager中新建分析步phase2，
位于phase1之后。

在对象属性对话框中右击下面的分析步phase2，选择
激活Part total，blank，GD1，GD2，GD1-nodes和GD2-nodes等组件，
将等激活。

b)添加刚体属性。

在GD1上点击右键，选择add attributes。

在add objects
attributes对话框中选择Rigid body，按默认完成。

在GD2和total part上
进行同样操作。

c)夹钳运动控制。

上顶成形时夹钳保持不动。

在GD1上右击，在add objects
attributes对话框中选择Cartesian kinematic，将全部自由度设 lock，参考
系为local。

用同样方式为GD2添加Cartesian kinematic属性。

将GD1
与GD2的刚体属性与运动控制属性拷贝到GD1-nodes与GD2-nodes。

d)设置模具运动控制参数。

在total part上右击，在add objects attributes对
话框中选择Cartesian kinematic，在Y方向平动速度为2mm/ms。

除Y方
向外全部设 lock，参考系为local，如图8-11。

图8-11 模具运动控制
e)添加接触属性。

成形时除有夹持端与板料的接触，还有模具与板料的接
触，在total part下新建接触属性，从接触面选为blank，摩擦系数为0.12。

在GD1和GD2下进行同样操作。

f)设置分析参数。

在blank添加网格自适应属性。

在Global objects下添加
mesh transformation属性，新建Autopositioning，将total part定位在板料下，方向沿参考local的y轴负向。

在双击Global objects 下的Control 属性，将结束控制设置为part total的行程控制，结束时间为-60ms。

其它
设为默认。

图8-12 模具定位
四． 回弹设置。

a)打开Stage manager，新建分析步springback，type选为springback，position
选在phase2之后。

b)在springback分析步中激活blank。

在该步下的blank添加属性springback，
计算方式选implicit。

在blank下添加Boundary condition on points，在blank 上选三点，分别约束住xyz三个、yz两个、z一个自由度。

回弹过程设置完。

接着可以提交计算。

五． 结果分析
第一步，预成形阶段。

这种工艺方案下预成形进入塑性比较小，如图8-14塑性应变基本为0。

图8-13 预成形完零件形状
图8-14 零件塑性变形
第二步，模具上顶阶段。

主要成形发生在此阶段。

厚度变化较小，破裂产生的可能性较小，这与零件实际生产一致。

拉形完毕零件部分的塑性应变最大值达到0.17，但分布不均匀。

第三步，回弹预测。

在不切边时，零件回弹量较大，零件部分的位移达到40mm。

从图8-可看出，零件回弹后的不贴模比较严重。

另外，由于零件曲率比较大，在回弹计算设置的约束点比较难选，可能引起误差太大。

图8- 回弹位移
图8- 回弹截面对比
由结果可看出，卸载后零件不贴模是成形最主要的缺陷。

比较好的改进方式是在模具上顶后进行补拉，使整体变形趋于均匀。

这种方法要求机床有较复杂运动控制命令输入，在目前还是通过人工手调来实现。

参考文献：。