DynaForm官方培训教程.预备知识

se
f Ao
st
se
s e 1 e e
ee
ln( 1 e e )
d
材料模型基本定律---Hook定律
• 弹性s = E e • 塑性s = K en • 当s = UTS和 e = n可以得出：K = UTS/nn K为硬化模量（以上方式可以近似获得K值）
板料CAE常用材料模型
• • • • • • 调整压边力 改善润滑条件 增加辅助工序（改变产品圆弧或斜度，增加整形） 调整拉延筋 变换材料或者调整板料尺寸 多步拉延
起皱和叠料
• 产生原因
– 由于局部压应力过大导致薄板失稳所致，正好与拉裂的产生 原因相反 – 两种应力状态容易起皱
• 环向应力: 法向起皱与侧壁起皱失稳 当冲压件的周长不断减少, 此时只要板料中未受支撑 区域的长度与厚度之比较 大就会起皱.
– 回弹等原因造成产品扭曲，形成凸凹不平
• 后果(外观零件)
– 影响产品美观
表面缺陷应对措施
• 解决办法
– 调整冲压工艺方案，使成形过程中，表面区域的材料滑动和 摩擦减小 – 主要不平度要求部位及相关特征造成的回弹影响
Stoning Test Simulation – Example
To simulate the stoning test for body outer panels in the shop This function will identify the surface defect (dips, dimples, etc.) on the part surface
第二部分
板料CAE数值仿真
– 板料CAE数值仿真中的有限元法简介 – 板料CAE数值仿真技术的实施和作用Biblioteka 有限单元法• 起源
– 有限元法是随着计算机技术发展而出现的一种基于变分原理 来求解偏微分方程的有效数值计算方法。 – 起源于20世纪40年代的结构力学的矩阵算法。 – 1960‘s——克拉夫（Clough）提出“有限元法”术语。
内容纲要(1)
• 第－部分 板料成形中的基本问题
– 影响板料成形的材料因素及基本理论 – 板料成形过程的常见缺陷及产生原因
• 第二部分
板料CAE数值模拟
– 板料CAE数值仿真中的有限元法简介 – 板料CAE数值仿真技术的实施和作用
第－部分
板料成形中的基本知识
– 影响板料成形的材料因素及基本理论 – 板料成形过程的常见缺陷及产生原因
Door Panel Simulation Result after Springback
Stoning Test Results from the Shop
Left hand side
Surfaces Defect Identified
Right hand side
Stoning Test Simulation – Example
onset of necking
sy
rupture
变形不足应对措施
• 解决办法
– 调整压边或者拉延筋等，使产品均匀变形 – 调整拉延模设计（工艺补充面）
表面缺陷
• 产生原因
– 滑移线：产品或者模具设计不合理，导致材料弯曲滑移，产 生滑移线
• 材料本身：材料单拉应力应变曲线上有屈服点伸长 • 外部约束
试验测得的工程应力应变曲线
• 平滑处理
真实应力应变曲线
True Stress Cauchy' s Stress Force fl s e 1 e e Current Area Ao Ac
True Strain
l Change in Length ln ln 1 e e Current Length lo
材料因素---拉伸试验
• 拉伸试验
– 测定材料性能的基本手段
原始 样本
加载 样本
卸载后 样本
材料因素---应力/应变(工程)
• 应力 • 应变 • 塑性应变
– 材料的拉伸性能
se = F__ Ao
ee = l - lo lo eplastic = lF – lo wF - wo
• 弹性应变
– 材料的弹性性能(回复)
• 基本思想
– 把连续体视为离散单元的集合体。
• “化整为零”。将连续体分解为有限个性态比较简单的“单元”。 对这些单元分别进行分析。 • “积零为整”。将各个单元重新组合为原来的连续体的简化“模 型”，求解得到基本未知量（位移）在若干离散点的数值解。 • 根据数值解再回到各单元中计算其他物理量（应变、应力、温度 等）。
emaj = - emin , et = 0；smaj 0 , smin 0 , st = 0
• OD：纯剪切
–
• OE：双向压缩
– et = emaj = - 1/2 emin smaj 0 , smin 0 ,and smin smaj , st = 0
FLD在成形仿真中的应用
有限单元法的特点
• 适用范围 – 有限元法应用领域非常宽广，原则上在一切复杂情况下都可使用， 适合处理大量的物理问题。 • 弹性变形问题。 • 以大应变和非线性的材料行为为特征的塑性应变问题。 –对塑性加工问题的体积不变条件一般通过拉格朗日乘子法或 罚函数法引入。 • 温度场问题。 • 流动问题等。 求解参数多,并且解有较高的准确性。 – 有限元的在足够高的离散程度下,可获得 • 局部位移。 • 变形和变形速度。 • 应力。 – 此外,根据离散化和边界条件的准确度,有限元法能计算连续体力学 的所有局部参数和所有的积分目的量。 然而，有限元法的万能应用是以大的计算设备发展为前提的。
– 应变为0的平面应变点 – 影响重要的参数是厚度
• Keeler公式
– t<2.5mm FLD0 = (23.3 + (14.13 x t)) x (n/21)
其中t的单位是mm。
– 2.5<t<5.5mm FLD0 = (20 + (20.67 x t-1.94xtxt)) x (n/21)
材料成形结果判定
•
•
金属塑性有限元法的实施步骤
• • • • 用假想的线、面将连续体分成若干具有简单几何形状的“有限单元”。 假设这些单元在且仅在其边界上的若干个离散节点处互相连接。将这些节点的位移 （速度）作为问题的基本未知量。 选择适当的插值函数，以便由每个“有限单元”的节点位移（速度）唯一地确定该单 元中的位移（速度）分布。 利用位移（速度）函数对坐标的偏导数可根据节点位移（速度）唯一地确定一个单元 中的应变（或应变速率）分布。由单元的应变（或应变速率）以及材料的本构关系， 可确定单元的应力分布。 根据虚功原理可建立每个单元中节点位移（速度）和节点力的关系，即单元刚度方程。 将每个单元所受的外载荷根据作用力等效的原则移置到该单元的节点上，形成等效节 点力。 按照各节点整体编号及节点自由度的顺序，将各单元的刚度方程迭加，组装成问题的 整体刚度方程。 根据边界节点必须满足的位移（速度）条件，修改整体刚度方程。 求解整体刚度方程，得到节点位移（速度）。 根据求得的节点位移（速度），计算各单元的应变（或应变速率）和应力。
– 二维纯弯曲回弹计算公式 – 弹性回弹: 屈服应力,模具间隙,板料厚度 – 塑性回弹：塑性变形区释放残余应力的卸载过程
12 m 3 R Et
• 后果
– 导致冲压件的尺寸和模具的工作表面尺寸不符
翻边和侧壁残余应力造成扭曲
回弹应对措施
• 解决方法
– – – – – 调整产品设计(圆角等,产品均衡等) 调整模具圆角和尺寸 调整工艺方法(变压边力) 模具结构方法 黑色：CAD设计的产品截面线 蓝色：回弹补偿前的产品截面线 回弹补偿 红色：回弹补偿后的产品截面线
• OA：二向拉伸（两个方向应变相等）
– emaj = emin , et = -2emaj； smaj = smin 0, st = 0
• OC：平面应变
– emaj = -et emin = 0 ； smaj smin 0 , st = 0
• OB：单向拉伸
– emaj = - 2 emin = - 2 et smaj 0 , smin = 0 , st = 0
• 应变分量(三个主方向)
– 主应变(主应变是材料的拉伸方向) emaj = ( l – lo)/lo – 次应变 emin = ( w - wo)/wo – 厚度方向应变ethk = ( t - to)/to
材料因素---应力/应变曲线
• 应力应变曲线
– 杨氏模量（E）E = s/ e（弹性阶段） P A – 屈服应力：发生塑性变形时的应力 s s a Initial uniaxial yield point s experimental curve 这一点不是精确的，传统测量点是： L 0 L 0.2%应变 – 抗拉强度（UTS）：最大应力点，均匀塑性 L e n e L 变形停止，发生颈缩 plast ic strain elast ic P strain s A （屈服和抗拉范围越大，塑性变形区大，有利于深拉伸） – 泊松比n ：弹性变形时纵向和 onset of se 横向应变比 necking – 加工硬化指数或强化指数n su 来源于应力和应变关系， hardening n越大，失效前均匀变形越大，变形强化明显， rupture s 增大均匀变形区范围。抵抗颈缩能力越大，适合胀形。 y
y y i y0 0
s
材料因素---厚向异性系数
• 厚向异性系数（R） – 轧制生产时，微观晶粒重组变形 – 轧制方向材料延伸，厚度方向材料压缩 – R是宽度方向应变和厚度应变方向比值 – R越大，抵抗失稳变薄的能力，深拉延性能越好 – 三个分量：R0，R45，R90 ， 表示平面内各向异性 -- 厚向异性系数反映了板料在厚度方向的变形能力,r值越大,表示板料越 不易在厚度方向产生变形,即不易变薄也不易增厚.在压缩应力作用 下,r值越大板料易于在宽度方向变形,可减少起皱的可能性;在拉应力 作用下,r值越大,板料在受拉处不易变薄,可减少被拉裂的可能性.
• 后果
– 影响零件的精度和美观性 – 影响下一道工序的正常进行
起皱和叠料一般解决方法
• 解决办法
– 增加起皱处的法向接触力（有导致其他部位被拉裂的危险） – 准确预测材料的流动情况 – 产品形状和模具形状 – 增大压边力 – 增加拉延筋数量或者增加高度
5 kN
10 kN
50 kN
回弹及扭曲
• 产生原因
• 分类——按程度不同分
– 微观拉裂
• 工件中已产生肉眼难以看清的裂纹，一部分材料已失效 • 单纯的拉胀或单纯的弯曲引起局部拉应变过大
– 宏观拉裂
• 工件已出现肉眼可见的裂纹或断裂 • 通常主要由薄板平面内的过度拉胀引起局部拉应变过大
开裂/减薄应对措施
• 解决办法
– 改变法向接触力和切向摩擦力的分布，降低拉裂区的拉应变值
• • • •
安全裕度 严重减薄 基本变形量 允许增厚
板料成形过程的常见缺陷及产生原因
• 开裂/减薄 • 起皱/折料 • 回弹扭曲 • 变形不足 • 表面缺陷 ……
开裂/减薄
• 产生场合
– 深冲工艺 – 小半径区域，凸模圆角处（材料的抗拉弯强度） – 侧壁中心（材料延展性，塑性失稳） – 材料通过拉伸筋进入凹模，流动局部化。
钣金成形的材料塑性模型: Option 1: Bilinear Model Option 2: Exponential Model
ETAN E ds ,s s y de
ds ,s s y de
Option 3: Experimental Data
s ke n k e y e
Result from Stoning function
Very good correlation with testing result
Door Outer – Light Strip Visualization
Move light strips to detect surface defects over the panel.
eelastic =
lF – l wF - w
材料因素 --- 真实应变
•
真实应变
– 因为lo是通过无穷多个中间状态，才逐渐变成l – 真实应变（中间无穷多个中间状态，数学积分）
eT = ln(l / lo)=ln( 1+ ee)
•
真实应变可加应变（CAE数值模拟中采用）
材料因素---应变三个分量
补偿前：7.1mm 补偿后：-.3mm 补偿前：-3.8mm 补偿后：-0.7mm
补偿前：-13.3mm 补偿后：-0.1mm 补偿前：9.0mm 补偿后：-.3mm
材料变形不足
• 产生原因
– 材料没有足够拉伸，没有达到一定的变形量
• 后果
– 回弹 – 产品刚度不足(软)
su
se
hardening
p n
, for
s s y
exponential
最新材料本构-Trip钢
温度变化率
TRIP钢在两种温度下的硬化曲线 700C 800C
200C
200C
不同温度下的仿真结果
不同初始塑性应变的相变诱发
材料成形结果判定---成形极限图FLD
• 由试验测得的曲线，成形极限图的横纵坐标由次应变和主应变表 示。 • FLD0－成形极限曲线和FLD上的主应变轴的交点