dynaform回弹分析详细教程

基于Dynaform的JL70右连接板零件成形
工艺及模具设计
李君才
（重庆工商大学 机械设计制造及其自动化专业 05机制2班 ）
摘要: 实践表明，采用有限元数值仿真技术对零件成形过程进行模拟，并根据仿真结果进行冲压工艺规划和模具的设计，以改良传统冲模设计与制造过程中耗时长、成本高等缺陷，把制造过程中可能出现的问题集中在设计阶段解决，以便快速经济地制造模具，提高零件质量。

本设计是基于有限元分析软件DYNAFORM 的成形过程的仿真分析与模具设计。

首先进行前处理设置，将仿真需要的各种参数输入进去，然后进行仿真的后处理分析。

通过对仿真的后处理分析，了解各种参数对成形的影响，进一步提出改进措施，重新输入参数进行分析。

然后在基于仿真分析的基础设计模具，这样保证了模具结构的合理性。

关键词:模拟仿真、DYNAFORM、模具设计、工艺参数优化
Base on Dynaform JL70 right Junction panel Ban parts forming process and die design
Li Juncai
(Chongqing Technology and Business University ,mechanical design automation and manufacturing professionals ,05 mechanism classes two)
Abstract: Practice shows that the use of finite element simulation technology to partsforming process modeling, and simulation results are in accordance with the planning process and tamping die design, to improve the design and manufacture of traditional die in the time-consuming process of a long, the cost of higher defects in the manufacturing process problems that may arise in the design phase concentrated solution for rapid economic and die manufacturing, improve the quality of parts.
The design is based on finite element analysis software DYNAFORM the process of forming simulation analysis and die design. First set up to deal with before, the simulation will need to enter into the various parameters, and then to simulate the post-processing analysis. Through the simulation of the post-processing analysis, an understanding of various parameters on forming the impact of further improvement measures, re-enter the parameters for analysis. Then based on the analysis of the simulation based design mold, such a guarantee die structure is reasonable. Keywords: simulation、DYNAFORM、mold design、Technological parameter optimization
目录
目录
1.绪论 (4)
1.1 引言 (4)
1.2 板料冲压成形的主要特点 (5)
1.3 板料成形仿真技术的国内外应用现状 (5)
1.4板料冲压仿真技术的发展趋势 (8)
1.5本课题的主要设计内容和基本思路 (11)
2.冲压成形有限元理论及软件简介 (13)
2.1 有限元方程及其求解步骤 (13)
2.2 有限元求解格式 (15)
2.3 Dynaform软件与有限元模拟计算步骤 (15)
3.JL70右连接板零件建模与冲压工艺规程设计 (19)
3.1 零件结构特点与冲压工艺顺序安排 (19)
3.2 零件的模型构建 (19)
3.3 零件中性层曲面的创建 (20)
3.4冲压方向确定 (23)
3.5 零件毛坯的反求 (25)
4.JL70右连接板零件成形工艺设计与数值模拟 (28)
4.1快速成形评估 (28)
4.2 模面设计 (30)
4.3 成形工艺有限元模型的建立 (32)
4.3.1 有限元网格的划分 (32)
4.3.2上、下模及压边圈的生成 (33)
4.3.3 有关主要工艺参数的初定值 (36)
5.仿真结果分析与工艺参数的优化调整 (41)
5.1 仿真结果分析 (41)
5.1.1 FLD图分析 (41)
5.1.2 厚度变化图的分析 (42)
5.1.3 冲压力、压边力曲线及分析 (42)
5.1.4 零件尺寸、形状的测量与分析 (43)
5.2 工艺参数的优化调整方案 (43)
5.3 优化后的仿真结果的对比分析 (44)
5.4零件的回弹分析 (50)
6.JL70右连接板零件的成形模具设计 (54)
6.1 模具结构方案的设计 (54)
6.2 模具结构设计工作图 (60)
7.结论 (61)
致谢 (62)
参考文献 (63)
1.1.绪论绪论绪论
1.11.1 引言引言
当前，板料成形仿真领域的研究集中在几个方面：揭示零件几何形状、模具几何形状及结构、材料类型及性能参数等各种因素对成形结果及成形性能的影响；通过引入知识工程等技术，进一步提高成形模拟精度及仿真计算效率；板料冲压加工作为一个标准化生产过程，在汽车、轻工、航空、国防等领域应用非常广泛，在现代工业生产中占有举足轻重的地位。

传统的板料冲压加工所具有特点决定了板料冲压工艺及模具的设计主要依靠设计师的经验，缺乏准确、可靠的定量分析与计算，使得设计制造的模具必须经过反复试压修改，甚至需要修改原产品的设计或报废、重制模具后，才能冲出合格的制件 ，这一“试模”过程，导致了各种资源及时间的巨大浪费。

另外，随着冲压零件多样性、复杂性和对成形精度要求的日益提高，传统板料加工方法不仅难以保证加工质量，在加工成本方面也毫无优势可言，而且模具开发周期长，难以满足市场对产品提出的低成本、低生产周期、高质量的要求，使企业失去应有的市场竞争力。

板料冲压成形仿真技术正式在此环境下提出并发展起来的。

其主要任务是帮助确定毛坯几何形状尺寸、预测零件成形过程中的破裂、起皱及回弹等成形缺陷、分析零件的冲压成形性能、对工艺方案和工艺参数进行优化等。

板料冲压成形计算机仿真涉及数学、力学、材料科学、冲压工艺学、计算机科学、计算机图形学等多门学科的综合应用 ，需要综合多学科知识进行研究；其理论性很强、应用性很广。

要开发出一个计算效率高、适应性强、稳定可靠、功能齐全的板料成形过程计算机仿真软件，必须将冲压工艺CAE 与模具CAD 进行集成化，即一方面采用CAD 系统为数值分析建立几何模型，另一方面采用数值分析对CAD 设计结果进行评价，优化工艺参数和优化模具结构。

在工程实际中应用板料冲压成形计算机仿真技术，是从根本上改进现行模具设计模式的一个有力手段，是促进模具工业技术进步的关键因素之一，对于实现工业生产现代化具有重要意义。

1.2 1.2 板料冲压成形的主要特点板料冲压成形的主要特点板料冲压成形的主要特点
板料冲压成形计算机仿真涉及数学、力学、材料科学、冲压工艺学、计算机科学、计算机图形学等多门学科的综合应用，需要综合多学科知识进行研究；其理论性很强、应用性很广。

要开发出一个计算效率高、适应性强、稳定可靠、功能齐全的板料成形过程计算机仿真软件，必须将冲压工艺CAE 与模具CAD 进行集成化，即一方面采用CAD 系统为数值分析建立几何模型，另一方面采用数值分析对CAD 设计结果进行评价，优化工艺参数和优化模具结构。

在工程实际中应用板料冲压成形计算机仿真技术，是从根本上改进现行模具设计模式的一个有力手段，是促进模具工业技术进步的关键因素之一，对于实现工业生产现代化具有重要意义。

主要表现在以下几个方面：①增加产品和工程的可靠性；②在产品的设计阶段发现潜在的问题；③经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本；④缩短产品投向市场的时间 模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。

1.1.3 3 3 板料成形仿真技术的国内外应用现状板料成形仿真技术的国内外应用现状板料成形仿真技术的国内外应用现状
国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件是诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段，CAE 开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。

这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求， 从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。

目前流行的CAE 分析软件主要有NASTRAN 、 ADINA 、ANSYS 、ABAQUS 、MARC 、MAGSOFT 、COSMOS 等。

MSC-NASTRAN软件因为和NASA 的特殊关系，在航空航天领域有着很高 的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为基础，兼并了PDA公司的PATRAN ，又在以冲击、接触为特长的DYNA3D 的基础上 组织开发了DYTRAN 。

近来又兼并了非线性分析软件MARC,成为目前世界上规模最大的有限元分析系统。

ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进 行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。

ADINA 非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的 K.J.Bathe教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。

并同时具有隐式和显
式两种时间积分算法。

由于其在非线性求解、流固耦合分 析等方面的强大功能，
迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件。

20世纪90年代，板料冲压仿真分析应用的重点正逐渐转移到复杂型面覆盖件
的工艺分析上，在这个时期，在国际上出现了众多的商品化软件（见表）。

国外部分板料成形仿真CAE及其应用
软件名称开发单位国家备注
ABAQUS H.K.S 美国在BMW得到应用
LS-NIKE3D LSTC公司美国主要用于Ford、GM、Chrysler等
AutoForm 苏黎世
瑞士主要用于德国大众、上海大众等
ETH
INDEED INPRO 德国Benz子机构，在Audi、Fiat等应用LS-DYNA3D LSTC公司美国已与ANSYS公司合作，用于Ford、GM等PAM-Stamp E.S.I 法国在GM、Fiat、Nissan等企业得到应用DynaForm E.T.A公司美国为LS-DYNA3D做前后置处理，在中国一汽得到
成功应用
MSC/Dytran MSC公司美国在Boeing公司得到成功应用
近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设
计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的
有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计
算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军
工，船舶， 铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发
生了质的飞跃。

我国关于板料冲压仿真技术的研究始于20世纪80年代后期，经过十几年的发展，取得了血多有价值的研究成果，相继开发了具有我国自主知识版权的板料冲压成形仿真软件，如吉林大学同拓金网格模具中心开发的KMAS软件、华中科技大学的VIFORM、北京航空航天大学的SheetForm、湖南大学的CADEM软件等。

纵观板料成形CAE技术在我国的研究、发展及应用情况可以看出：在我国该项技术仍主要集中各高校之中，缺少研究部门和工业部门之间的密切合作，这种情况大大限制了该项技术在我国的推广及应用。

另外，大多数板料成形仿真软件，由于在理论分析及冲压工艺参数设置等方面都做了相应的假设及简化，因而在实际使用过程中，需要操作者具有一定的相关专业知识、理论水平、模拟技巧和经验。

尤其对于复杂覆盖件的成形仿真，仿真结果的正确性对操作者的依赖形更强。

这些特点使此类软件更多的是面向专业分析人员，而非广大的产品、工艺及模具设计人员，从而使其解决实际问题的能力受到了很大的限制，也限制了该项技术在我国大多数中、小型企业中的广泛应用。

由于有限元分析有着如此强大的功能,所以将它运用到实际中将非常重要.21世纪是汽车工业的世纪,要生产汽车就少不了汽车覆盖件的生产.由于汽车覆盖件在冲压过程中涉及到的应力应变关系非常复杂,要想保证其质量相当困难,但是如果将仿真软件应用到上面将使生产过程变的非常简单.
汽车覆盖件成形加工生产目前主要依靠传统经验设计来制定冲压工艺、开发相关模具，具有相当大的随意性和不确定性。

然而板料成形的力学过程及成形影响因素非常复杂，是一个集几何非线性、材料非线性、接触非线性于一体的强非线性问题，用传统的解析方法很难求解。

塑性成形理论经过100多年的发展，已相当成熟。

随着计算机应用技术的普及，板料塑性成形过程用有限元方法进行数值模拟已成为一项有效解决该问题的高新技术。

汽车覆盖件包括覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室及车身的所有厚度3mm 以下的薄钢板冲压而成的表面和内部零件，其重量占到汽车用钢材总量的50%以上。

汽车覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为复杂的空间曲面、结构尺寸大和表面质量高等特点。

在冲压时毛坯的变形情况复杂，故不能按一般拉伸件那样用拉伸系数来判断和计算它的拉伸次数和拉伸可能性，且需要的拉延力和压料力都较大，各工序的模具依赖性大，模具的调整工作量也大。

汽车覆盖件成形过程中板料上的应力应变分布情况非常复杂，成形质量影响因素较多。

从变形方式看，板
料的成形是拉延、翻边、胀形、弯曲等多种变形方式的组合过程。

对一个给定的零件来说，一套合理的模具和工艺方案的确定，不仅要靠实践经验和理论计算，还往往离不开反复地试模和修模。

因此汽车覆盖件模具设计的主要任务就是要解决好冲压过程中板料不同部位之间材料的协调变形问题，既要避免局部区域过分变薄甚至拉裂，又要避免起皱或在零件上留下滑移线，还要将零件的回弹量控制在允许的范围内。

汽车覆盖件冲压模拟所采用的有限元方法是弹塑性有限元法。

弹塑性有限元法在板材成形数值模拟领域采用L a g ra ng e 描述，不仅能计算工件的变形和应力、应变分布，而且还能计算工件回弹和残余应力，是板材成形数值模拟的主要方法。

在汽车覆盖件冲压成形过程中，坯料与模具所构成的大变形接触冲压系统都须满足弱形式的虚功原理，而方程的求解涉及到时间域的数值积分方法问题。

目前汽车覆盖件冲压分析多采用动态显式算法。

在显式求解法中，用中心差分法进行动态问题的时域积分。

显式求解法既没有收敛性问题，也不需求解联立方程组，但时间步长受到数值积分稳定性的限制。

而在回弹模拟阶段普遍采用静态隐式算法求解。

接触问题中的接触力大小则通过拉格朗日乘子法或罚函数法求解。

板料的弹塑性变形的有限元方法求解步骤：建立冲压过程的力学模型→建立相应的有限元分析模型→根据板料变形特性选定壳体单元类型并确定有关参数→根据板料变形特性选定弹塑性本构关系及有关参数→根据板料和模具的表面特性及其润滑状态选定摩擦定律及参数→对压料板的刚体运动和板料的弹塑性变形进行求解。

1.1.44板料冲压仿真技术的发展趋势板料冲压仿真技术的发展趋势
纵观当今国际上CAE 软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：
(1)、与CAD 软件的无缝集成
当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD 软件的集成使用，即在用CAD 软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE 软件中进行有限 元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。

为了满足工程师快捷地解 决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD 软
件（例如Pro/ENGINEER、U nig ra p h ics、So lid E dg e、So lidW or ks、IDEAS、Be n t l e y 和A u toCAD等）的接口。

有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采 用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Para s o lid内核的实体建模技术，能和以Para s o lid为核心的CAD软件（如U nig ra p h ics、So lid E dg e、So lidW or ks）实现真正无缝的双向数据交换。

(2)、更为强大的网格处理能力
有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。

由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的 正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。

自动六面体网格划分 是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适 用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。

对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果 使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。

自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据 有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。

对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。

自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。

(3)、由求解线性问题发展到求解非线性问题
随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求 解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材 料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。

众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技 巧，学习起来也较为困难。

为此国外一些公司花费了大量的人力和
物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。

它们的共同特点是具有高效的非 线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。

(4)、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解
有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。

而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解 对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。

现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场 问题的求解。

例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即"热力耦合"的 问题。

当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动……这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解， 即所谓"流固耦合"的问题。

由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。

(5)、程序面向用户的开放性
随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定 义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。

现代工业生产对冲压产品的“精、省、净”要求，以及先进冲压成形技术的形成和发展，为新一代冲压成形仿真技术提出了一系列新的要求，总的来看，该项技术的发展趋势包括：
（1）进一步提高仿真精度和效率。

重点突破残余应力计算及回弹预测的准确性；发展快速有限元仿真技术，实现“当天工程”、甚至“2小时工程”；同时，加强基础理论及相关的实验研究，以更好地解决复杂变形路径等基础性问题。

（2）加强初始化设计环节的研究。

初始方案作为计算分析的起点和方案修改的基础，至今仍靠有经验的技术人员来完成。

迫切需要将知识库工程（KEB）、专家系统（ES）、人工智能（AI）、现代设计方法等与有限元仿真软件相结合，实现智能化初始方案的确定，减少对工艺专家的依赖。

(3)加强与基础试验的结合。

材料性能参数、摩擦状态、起皱与破裂判据等数据都来自试验，其真实性、准确性是限制仿真分析精度和可靠性的重要因素之一。

尤其对某些新材料，更需要依赖大量的基础试验建立和确定能精确描述其变形行为的本构模型。

(4)提高成形分析的能力。

主要是提高对复杂形状结构覆盖件的起皱、破裂、回弹的预测能力；提高对非比例及循环往复加载等复杂加载方式下材料变形的跟踪分析能力；不仅提高对拉深工序的成形仿真及回弹预测能力，而且提高相应翻边、切边等工序的回弹预测能力。

(5)提高工艺条件的优化能力。

借助神经网络、遗传算法、现代优化设计方法、敏感度分析等数学方法来实现对主要工艺参数的优化，对板材成形，尤其是复杂覆盖件的成形过程进行分析，并得到有关坯料几何形状、压边力、拉延筋布局及尺寸等的优化工艺条件，用于指导工艺条件的优化调整。

从而使新一代冲压成形
仿真技术向实用化、全局优化、智能化、集成化、并行化、协同化等方向发展。

板料冲压成形计算机仿真是一项先进技术，它随着指导理论的发展而发展。

为能保证开发出质量可靠的仿真软件，必须对系统进行尽可能完善的设计。

在系统设计过程中必须遵循软件工程方法，保证文档齐全、格式规范，以便于做好系统开发工作。

仿真作为一门综合性的科学，将随着其相关领域技术的深入发展，继续向纵深快速发展，同时将扩大其综合应用的领域，在国防建设和国民经济建设中发挥更大的作用。

但是，作为一门综合性的科学，仿真技术还有许多理论及技术问题需要继续进行深入的研究探讨。

我国应大力开展仿真技术的理论研究和技术应用研究，尽快缩短与先进发达国家在技术上的差距。

系统仿真技术的发展，必将推进我国科学技术水平的进一步提高。

1.1.55本课题的主要设计内容和本课题的主要设计内容和基本思路基本思路.
本课题的重点研究的问题是CAE 有限元仿真软件DYNAFORM 的应用.
在对该零件进行CAE 分析之前 ，必须完成其三维造型、曲面造型，调整零件的方向使其冲压方向跟dyn a f orm 软件的坐标系z 轴一致，并导出其曲面造型的igs 格式文件，这样才能被dyn a f orm 分析软件读取。

在仿真过程中,关键是毛坯反求和各种参数的设定.在毛坯反求时可能遇到毛坯边缘不光滑、反求出来的毛坯位置不对和毛坯形状不标准难排样等问题. 零件是否能够拉深成功，可以对零件进行。