椭圆盒拉深成形的数值模拟

椭圆盒拉深成形的数值模拟
Ξ林启权1,2, 宁智群1, 赵　雄1
(1.湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭411105
2.华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室,武汉430074)
[摘要]　在板料的冲压成形过程中,应变硬化化指数n 和厚向异性系数r 是两个重要的材料力学参数.采用DY NAFORM
软件通过对椭圆盒的拉深成形过程进行数值模拟,研究了应变硬化化指数n 和厚向异性系数r 对零件成形性能的影响.
关　键　词:拉深;数值模拟;DY NAFORM;应变硬化化指数n ;厚向异性系数r ;成形性能
中图分类号:TG 386 文献标识码:A 文章编号:10005900(2005)02013606
Numerical Simulation of the Dra wing process of
the E lliptical Box -like Dra w n P art
LIN Qi -quan , NING Zhi -qun , ZH AO Xiong (1.C ollege of M echanical Engineering ,X iangtan University ,X iangtan ,411105China ;
2.Huazhong University of Science and T echnology ,Wuhan ,430074China )
【Abstract 】　S train hardening index n and coefficient of normal anis otropy r are tw o important mechanics parameters of
materials in the stamping process.By using program DY NAFORM to simulate the drawing process of the elliptical box -
like drawn parts ,effect on the formability of sheet metal parts of n and r was studied.
K ey w ords :　numerical simulation ;DY NAFORM ;strain hardening index n ;coefficient of normal anis otropy r ;form 2
ability of sheet metal parts.
.掌握椭圆盒冲压成形的规律是分析形状更为复杂的零件冲压成形的基础.然而,由于对工件在拉深成形过程中的变形特点和流动规律缺乏全面的了解,往往难以加工出高质量的工件.另外.对于工件中缺陷的产生,也往往缺乏科学的预测手段.近年来,随着计算机技术的
飞速发展,各种数值方法相继被用于分析金属成形问题[1～4].本文采用动力显式有限元板料软件
DY NAFORM [5～8],对椭圆盒件拉深成形过程进行了数值模拟,着重研究了应变硬化指数n 和厚向异性系
图1　椭圆盒CAD 模型
数r 对零件冲压成形性能的影响.
1　有限元分析模型的建立
1.1　C AD 模型的建立
由于前处理器DY NAFORM 只能建立简单的轴对称
模型,而椭圆盒件为非对称结构,根据软件的特点和数
据接口等条件,本文采用UG NX 2.0来建立模具的C AD
模型如图1所示.椭圆盒的长、短半轴和高度的中面尺
寸分别为a =120mm ,b =80mm ,h =80mm ,盒底圆角
半径r =5mm ,材料为厚为1mm 的08钢.
1.2　有限元网格模型的建立通过标准数据交换接口IGES 到把C AD 模型输入到DY NAFORM 软件中.综合考虑计算精度和效率,采用Belytschko -Lin -Tsay 板壳元对模型进行网格划分.将得到的有限元网格定义为成形分析的凹模,通过偏移(O ffset )操作可以得到另外一个的有限元网格的模型,偏移的距离一般为板料厚度再加上一盈值(通常为板厚的10%左右),而此偏移的距离实际就是模拟生产中凸、凹模中的间隙.本文取的间
第27卷第2期2005年6月 湘　潭　大　学　自　然　科　学　学　报Natural Science Journal of X iangtan University V ol.27N o.2Jun.2005
Ξ收稿日期:20041024 基金项目:华中科技大学塑性成形模拟及模具国家重点实验室开放课题资助项目(03-5)
作者简介:林启权(1965),男,湖南浏阳人,博士研究生,副教授.
隙值为1.1mm.由于本文研究的椭圆盒件不适合手动划分网格,所以采用自适应网格.
参数设置:弹性模量为2.07×105MPa ,泊松比为0.28,屈服点σs =648MPa ,摩擦系数为0.3,板料厚
度1mm.
Dynaform 计算程序采用动力显式算法,稳定性条件的限制使计算时间步长不能太大,它是影响计算效率的关键因素.模拟实际的冲压过程,需要引人虚拟冲压速度或虚拟质量.本文取凸模运动速度为
4000mm/s.虚拟质量对时间的缩放步长系数取10-6s ,采用定常压边力,压边力取50kN.
2　数值模拟分析
2.1　应变硬化指数对成形性能的影响
表1给出了模拟成形中硬化指数n 的取值范围.
表1　模拟成形参数
硬化指数n
压边力ΠkN 凸、凹模圆角半径Πmm 拉延筋摩擦系数虚拟冲压速度Πmm ・s -10.18
505无0.1140000.20
505无0.1140000.22
505无0.
1140000.24505无0.114000
拉深成形时对成形性的考察可以通过对拉深方向最大应力和最小厚度来进行.
当最大应力过大而超过材料的极限值时就会发生拉裂现象.同样,当最小厚度太小,即减薄率太高,也越易拉裂.
2.1.1　应变硬化指数对Z 方向应力的影响 图2为不同n 值时Z 方向应力场.
(a )n =0.18 (b )n =0.20
(c )n =0.22 (d )n =0.24
图2　不同n 值时的Z 方向应力场
从图2可以看出,最大应力都出现在凹模圆角下方的直壁部分,此处在拉深过程中容易出现拉裂现象.图3表示了n 对Z 方向最大应力的影响,由图可见,随着硬化指数的增大,最大应力逐渐减小,这就意味着越容易拉深成功,即拉深性能越好.
731第2期 林启权等 椭圆盒拉深成形的数值模拟
图3　n 对Z 方向最大应力的影响
2.1.2　硬化指数对制件厚度的影响 图4为不同n 值时厚度场分布图
.
(a )n =0.18 (b )n =0.20
(c )n =0.22 (d )n =0.24图4　不同n 值时的厚度场分布图
图5　n 对坯料最小厚度的影响
从图4可以看出,最大减薄出现在与凸模圆角对应
的部位,在拉深过程中此处也容易出现拉裂现象.图5
为应变硬化指数n 对坯料最小厚度的影响,由图可见,
随着应变硬化化指数n 的增大,最小厚度逐渐增加,这
就意味着拉深时的减薄现象缓和,即拉深性能逐渐变
好.
总之,通过分析,可以很直观地看出,n 对拉深成形
的影响明显,高的应变硬化化指数对拉深是很有利的.
2.2　厚向异性系数r 对成形性能的影响
表2为模拟成形中厚向异性系数r 的取值范围.8
31 湘　潭　大　学　自　然　科　学　学　报 2005年
表2　厚向异性系数r 的取值范围
厚向异性系数r
压边力ΠkN 凸、凹模圆角半径Πmm 拉延筋摩擦系数虚拟冲压速度Πmm ・s -11.4
505无0.1140001.6
505无0.1140001.8
505无0.1140002.0505无0.114
000
本试验将从拉深方向最大应力和最小厚度来考察厚向异性系数对成形性能的影响.2.2.1　厚向异性系数对Z 方向应力的影响 图6为不同r 值时的Z 方向应力场,图7为厚向异性系数对Z 方向最大应力的影响
.
(a )n =0.14 (b )n =0.16
(c )n =0.
18 (d )n =0.20
图6　不同r 值时的Z 方向应力场
图7　厚向异性系数对Z 方向最大应力的影响
从图7的曲线可以看出,随着厚向异性系数的增加,拉深方向的最大应力在逐渐增加.
2.2.2　厚向异性系数对制件厚度的影响厚向异性系数r 是指板料厚度方向与板平面方向比较,其变形的难易程度.图8为不同r 值时的厚度场分布图.
9
31第2期 林启权等 椭圆盒拉深成形的数值模拟
(a )n =0.14 (b )n =0.
16(c )n =0.1.8 (d )n =0.20
图8　不同r 值时的厚度场分布图
从图8可以看出:r 值越大,表示板料越不易在厚度方向变形,也就是越不易变薄或增厚;反之,r 图9　厚向异性系数对坯料最小厚度的影响
值越小,越易在厚度方向变薄或增厚.因此,若增大r 值,使板料易于在宽度方向变形,则可减少起皱,
有利于拉延进行和产品质量的提高.同样,材料r 值
大,板料受拉时,厚度不易变薄,因而也不易产生拉
裂.为更形象的说明这个变化规律,图9为厚向异性
系数r 对坯料最小厚度的影响.
由上图的r 值与最小厚度试验曲线关系,可以
说明r 值越大,椭圆盒的最小厚度就越大,因此,板
料的拉深性能越好.
3　结　论
通过对椭圆盒形件所进行的一系列数值模拟,
可得出了以下结论:a .应变硬化指数n 对拉深成形影响明显,高的硬化指数对拉深是很有利的;
b .向异性系数r 对拉深成形影响也较显著,厚向异性系数愈高,对拉深愈有利.
硬化指数n 和厚向异性系数r 越大,板料的拉深成形性能越好,这和理论结果相符.所以在实际生产中,可以在模具设计完成之后,先利用计算机进行数值模拟分析,调整各参数值,以求得较好的成形效果,从而获取满意的冲压成形制品.
41 湘　潭　大　学　自　然　科　学　学　报 2005年
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(上接第130面)
5　结　论
本文提出了由3个CCII 器件构成的电流模式三输入、单输出多功能滤波器电路,比同类的滤波电路要简单,且具有以下一些优点:
a .要的元器件较少;
b .能实现多种滤波功能;
c .ω0,Q 值可实现独立可调,且它们对无源元件的灵敏灵低;所有的电阻、电容接地,因而易于集成;
d .信号由Z 端出,具有较强的电流输出能力.
参　考　文　献
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41第2期 林启权等 椭圆盒拉深成形的数值模拟 。