冲压件回弹有限元仿真分析

冲压件回弹有限元仿真分析

摘要针对不锈钢件难以成形以及在冲压过程中易产生回弹，采用有限元分析软件DYNAFORM，以沈阳地铁2号线连接板为例，对模拟得到的材料厚薄图、材料回弹图进行分析，优选工艺设计。阐述了CAE技术在模具开发中的重要作用。

关键词有限元分析；冲压；DYNAFORM

0 引言

2006年大连机车引进了不锈钢城轨车体生产线，并先后承接大连快轨金州延伸线、沈阳地铁2号线、天津地铁2号线城轨地铁车辆的生产。

不锈钢相对传统碳钢城轨车有外表面无需涂装，可有效实现车辆轻量化，可有效提高车辆使用寿命等优点。虽然有以上优点，但是奥氏体不锈钢热膨胀系数是钢的1.1倍，弹性模量大，抗拉强度屈服强度大，这些特点决定了不锈钢车体从设计到制造都与碳钢车体有着很大的不同。它决不是简单的材料替换，而是一种全新的车体，因此开发周期和质量都难以控制。

在不锈钢车体中有大量的冲压件，对不锈钢车体的生产起着至关重要的作用。回弹是冲压模具设计中要考虑的重要因素之一。回弹现象主要表现为整体卸载回弹、切边回弹和局部卸载回弹，当回弹量大于允许容差时，就会影响冲压件的产品精度，从而产生缺陷产品。因此，回弹一直是影响、制约模具和产品质量的重要因素。本文以地铁车辆中的连接板为例，使用DYNAFORM软件对板材进行冲压成形模拟仿真，预测冲压所产生的回弹，为模具的设计提供前期依据。

1 DYNAFORM介绍

美国ETA公司和LSTC公司联合研发的DYNAFORM软件，是一种基于有限元方法建立，模拟仿真板料成型过程的专用软件。Dynaform软件包含BSE、DFE、Formability三个大模块，能够完成坯料形状、压边力、拉延筋、冲压速度等几乎所有冲压模具设计参数。

回弹是一种小变形过程，是在加载完成后卸载过程中产生的。但是在回弹过程中毛坯的所有点不会同时处于卸载状态中，部分点存在加载的可能。因此成型模拟的准确性会影响回弹模拟的准确性。

DYNAFORM使用混合计算方法来分析回弹变形，为避免准静态隐式积分算法中的迭代计算，成型的模拟采用动态显式积分算法。回弹时，卸载起主要作用，工件主要为弹性变形，而静态隐式算法可以得到较为准确的计算结果。所以DYNAFORM采用动态显示算法模拟成型过程，以静态隐式算法计算回弹。

DYNAFORM的前处理功能非常丰富。目前主流CAD软件的图形文件均能快速准确的导入DYNAFORM中，同时模具设计人员在DYNAFORM中也可以自行创建几何模型。通过DYNAFORM中的DFE模块、BSE模块能够帮助模具设计人员设计出模具、坯料和排样等，从而在模具设计前期为用户提供初步的可行性分析。

LS-DYNA软件作为DYNAFORM的求解器是目前业界公认的板料成型模拟分析结果最准确的软件之一。LS-DYNA软件通过动力显式求解器模拟冲压过程，完成冲压模拟分析后，LS-DYNA软件自动转换为隐式求解器进行回弹分析。

ETA-Post软件是ETA公司针对DYNAFORM专门开发的后处理软件。用户通过ETA-Post软件可以产看板料变形后应力、应变的云图，从而对求解结果可以更直观的了解。此外，ETA-Post软件还能将冲压过程中的各种参数随时间变化的曲线通过曲线图标显示，方便设计人员查阅。

因此目前，在机械制造业、大学等科研单位DYNAFORM已得到广泛应用[3]。

2 冲压成形的数值模拟仿真

2.1 网格的划分

网格划分将有限元仿真分析计算的精度和计算量，因此网格划分是建立有限元模型的重要步骤。模具网格的划分要根据网格数目、网格疏密、单元阶次、网格质量、网格分界面分界点、位移协调性等因素综合考量。坯料划分网格的时候，可通过软件的自适应网格划分技术，先采用单元数目较少的均匀分布。在计算过程中，根据局部变形的剧烈程度，对变形剧烈的区域软件自动地进行二次网格划分，这样不仅能够保证计算精度，还能提高计算的效率。图1为坯料最终的网格划分。

2.2 材料的选取

毛坯材料为SUS304不锈钢，厚度t=2mm，选用软件数据库提供的36号材料模型作为本次模拟计算的有限元单元类型，其主要参数如下：杨氏模量E=207GPa，泊松比V=0.3。

2.3 模拟结果的分析

图2所示是连接板回弹后的厚向位移分布云图。

3 结论

通过DYNAFORM软件仿真计算能够较为准确模拟板料的冲压过程，预测

板料在冲压操作过程中可能产生的回弹变量，使模具设计人员在模具试制之前及时完善冲压工艺，提高模具设计精度，缩短模具试制时间，减少修模次数，从而降低模具研发成本，缩短模具开发周期。

参考文献

[1]唐镜，黄鹤辉.汽车覆盖件模具冲压有限元仿真分析.南宁：广西大学，2008.

[2]薛松，周杰，罗征志，阳德森.保险杠内板成型回弹模拟分析及工艺控制.锻压设备与制造技术2005年第四期重庆：重庆大学，2005.

[3]陈文亮.板料成型CAE分析教程.北京：2005.