板料成形中有限元模拟技术的应用

板料成形中有限元模拟技术的应用

衡　猛　周建忠

(江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013)

摘要:使用传统的靠经验和反复修模试模的方法研发模具,不仅难以掌握板料成形的真实过

程,而且会造成人、财、物、时的浪费。将有限元技术引入冲压成形模拟中是解决这一问题行之有效的方法,对板料冲压成形模拟进行了讨论,并重点介绍了Dynaform 软件的应用。

关键词:有限元模拟;Dynaform ;板料成形;汽车覆盖件模具 汽车工业是国民经济的重要产业之一,而覆盖件的研发周期长是阻碍新车型尽快推向市场的重要瓶颈。目前覆盖件及模具的设计制造工艺、先进装备及CAD/CAM 的应用已取得了重要进展,缩短了设计制造周期、提高了产品的质量、减轻了劳动强度,但CAE 的发展略显滞后。从模具开发的整个过程来看,设计初期的模具工艺结构、冲压工艺参数的合理选择,能有效地减少调试修模工作量,缩短了开发周期,降低模具成本。因而,推广应用CAE 技术,研究板料冲压的仿真成形是摆在覆盖件及模具行业

收稿日期:2003-10-23

第一作者简介:衡猛,男,1979年生,硕士研究生。

面前的重要课题。

1　板料冲压成形模拟的发展[1～4]

板料成形数值模拟研究始于20世纪60年代,之前人们主要用试验分析的方法了解塑性成形的性能,为设计提供依据。在20世纪70年代中期到80年代中期,主要是建立一些简单的有限元分析模型和应用,包括二维平面问题和轴对称问题,这阶段大多采用薄膜单元。20世纪80年代中后期开始三维板料成形分析研究,各种板壳单元被应用于成形分析。1973年,Kabayashi 采用刚塑性有限元法模拟了板料冲压成形过程。1976年,Weifi 用弹塑性有限元法模拟圆形板料在半球形凸模作用下的胀形和

最终,以该零件凹模为例,根据LOM 原型翻制的硅胶模、砂型以及熔射并补强后的凹模(表面硬度50～55HRC )如图15～17所示

。

图15　硅胶模—凹模 图16　砂型—

凹模

图17　带不锈钢壳层的硬模—凹模

3　结束语

采用与快速原型相结合的等离子熔射快速制造金属硬模新技术,成功地在短时间内制造出表面具有高耐磨性、高硬度的不锈钢模具。实践证明,该技术在制模周期、成本、模具精度和模具寿命几个关联因素中找到了一个很好的结合点,能满足当前汽车工业车型变化极快,换型时间短的需要。

后续试冲压结果表明,冲压成形有限元模拟对于冲压模具设计有良好的指导作用,采用LOM 制作原型有良好的复型性。参考文献:

[1]　张海鸥.金属模具快速制造技术,电加工与模具,2002(2):6～9[2]　王伊卿,朱东波,卢秉恒.电弧喷涂制造汽车覆盖件模具,模具

工业,2001(9):41～44

[3]　徐达,宋玉华,张人佶,等.基于快速成形技术的汽车覆盖件金

属模具制造.清华大学学报(自然科学版),2000,40(5):1～5

设计・研究

《电加工与模具》2004年第2期

拉延过程。1978年,Wang 和Budiansky 采用完全球冲头胀形及冲压成形过程,计算得到的应变分布与实验结果吻合较好。1980年,OH.S.I 用刚塑性有限元法对成形中的拉弯进行分析。此时,人们从简单的轴对称胀形分析开始发展到三维形状零件的拉延分析,从薄膜单元发展到一般单元和蜕化壳元,发展了材料模型,如:刚-(粘)塑性、弹-(粘)塑性、结晶-塑性和速度敏感材料模型,从粗糙到逐步精确的接触摩擦模型,有限元显式积分算法也开始应用。20世纪80年代,板料冲压有限元数值模拟得到了迅速的发展。Lee 等于1982年开发出了一套预测板料成形成败的软件,福特汽车公司的研究人员也从1980年开始就覆盖件成形分析的弹塑性有限元法展开研究,研制了M TL FRM 系统,并在实践中应用。20世纪90年代中期以后,人们除了继续以往的研究之外,很大部分注意力转向了解决实际加工中的工艺和技术问题,如多步成形、回弹起皱、压边控制、坯料形状、工艺设计及优化、复杂零件成形等。

目前世界各大汽车公司对板料冲压成形模拟都相当重视,欧美,日本等发达国家在汽车主要覆盖件开发过程中100%要经过仿真检验。很多实用的商业化模拟软件也在实践中得以应用。通用板料成形模拟软件如:ANSYS 、ABAQUAS 、PRO/M ECHAN 2ICA 、MARC 、AL GOR ;专用板料成形模拟软件如:D YNAFORM 、D YNA 23D 、AU TOFORM 、ROBUST 、PAM 2STAMP 等。

2　板料成形有限元模拟软件Dynaform 的应

用

有限元数值模拟的优点在于能提前预测产品成

形的可能缺陷,从而为设计者提供合理的设计依据和工艺安排,以缩短设计制造周期,降低成本提高产品质量等。以下以在汽车覆盖件行业应用最为广泛的Dynaform 软件为例,简单介绍冲压成形有限元数值模拟的运用。

Dynaform 软件是美国ETA 公司和L STC 公司联合开发的板料成形仿真专用软件。该软件由前处理器(pre 2processor )、求解器(solver )和后处理器(post 2processer )组成。Dynaform 提供丰富高效的单元类型,领先的接触和交界处理技术,百余种材料模型,可直观地看出板料的厚向应变图、最大应力位置、成形极限图及富于真实感的动画等。eta/Dy 2naform 可模拟预压边、拉延、翻边、弯曲、多工步成

形等过程,能预测板料起皱、拉裂、回弹、压痕、料厚变化、拉延筋布置及压力机吨位等工艺参数。可帮助模具设计者明显减少模具开发时间及减少费用,是板料冲压成形理想的CAE 工具。

2.1　冲压成形模拟的步骤

(1)曲面模型的建立。可通过两种方式建立曲

面模型,一种是在Dynaform 中直接建立。另一种是通过商品化的Pro/E 和U G 等软件导入。因第一种方式功能较简单,应用不太方便,所以常用第二种方法。即在Pro/E 和U G 等软件中建立覆盖件模型,并进行必要的工艺补充,然后建立相应的凸凹模和压边圈模型,提取各自的曲面,然后存为IGES 格式,并导入Dynaform 软件。也可将外界建立好且经过工艺补充的覆盖件模型导入Dynaform ,然后通过偏置等处理生成凸凹模和压边圈模型。

(2)单元网格的划分。一般采用先自动划分单元网格后手动划分的方法。如曲面模型形状较复杂或由多重曲面组成,则往往易产生误差或单元面法向不一致,难以划出正确的结果。因此在划分完网格后,要检查凸凹模、压边圈和板料网格的法矢量、边界、重复单元、修改网格直至没有错误为止。网格的划分应正确地反映结构的受力和变形情况,网格的粗细稠密选择要适当。网格细密则结果更精确,但计算量也更大,浪费机时;网格太粗则计算量小,但误差较大且不能真实反映变化情况。应在保证计算精度和目的的前提下,选用适当的单元类型,先对预估受力变形剧烈的地方,采用较细密的网格划分,以保证有足够的单元反映该区域的变化情况。

(3)分析模型的建立。网格划分完毕并检查正确后,将各单元集分别定义为凸凹模、板料和压边圈。设置好模具、板料和压边圈之间的相对位置,并定义它们之间的接触类型和参数,设置必要的工艺参数,如动模运动曲线、压边圈运动曲线和力曲线以及摩擦系数和材料性能参数。如是多步成形,则要注意不能移动上一步分析的单元信息模型,以免因原有的应力、应变和单元节点数据的不对应而导致错误。前处理后会生成分析计算的输入文件(3.dyn )和有限元模型文件(3.mod )。

(4)分析计算。前处理完成后,即可通过Dy 2naform 接口引入L S 2D YNA 中进行运算,运算结果

会生成一个d3plot 文件,以供后处理调用。

(5)模拟结果后处理。eta/Post G L 可读取

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5—《电加工与模具》2004年第2期 设计・研究