冲压成形有限元仿真基本理论

NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’2005 （2005年）
BENCHMARK 2 :
Springback Prediction of A Cross Member
2013-11-29
南京航空航天大学 机电学院
26
NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’2005 （2005年）
1.3 板料冲压成形的物理现象 1.4 板料冲压成形的常见缺陷及产生原因
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 3
1.1 引言 汽车车身的重要性
汽车工业是衡量一个国家工业水平的重要标
志，为国民经济的支柱产业 。 汽车车身占整车质量的百分比大： 客车、轿车和专用汽车 40－60％； 货车 16－30％ 车辆的更新换代速度加快。 机的重要性。
南京航空航天大学 机电学院 13
2013-11-29
当前国际上几个有影响的研究组织
以S.C. Tang为代表的Ford公司的研究小组。
他们基于增量型弹塑性有限变形理论
（大变形理论），采用Newton－Raphson
迭代算法求解，建立了专门由于分析车
身覆盖件冲压成形分析的静力隐式
（static implicit）格式的有限元方法。
南京航空航天大学 机电学院 18
2013-11-29
NUMISHEET标准考题的发展
为了促进板料冲压成形仿真的研究和应用，国
际上发起了定期召开的板料成形三维数值仿真
国际会议NUMISHEET（International Conference on
Numerical Simulation of 3-D Sheet Forming Process）分别
第三章的主要内 容
第一节 板料冲压成形技术概述 第二节 冲压成形过程的计算机仿真技术及作用 第三节 冲压成形过程的力学模型与有限元求解方法 第四节 板壳理论及有限元法
第五节 模拟仿真软件的使用
2013-11-29
南京航空航天大学 机电学院
2
第一章 板料冲压成形技术概述
1.1 引言 1.2 板料冲压成形的分类
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 16

以R.H. Wagoner和T. Altan为代表的OSU（Ohio State University）研究小组。他们采用刚塑性 和刚粘塑性本构关系，基于薄膜理论和板壳 理论，采用修正的Newton－Raphson迭代法求 解，开发了分别用于分析二维和三维冲压成 形问题的静力隐式格式有限元软件，他们对 接触问题的处理具有独到之处。
面板件； 车身结构件则指支撑覆盖件的全部车身 结构零件的总称。
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 6
冲压技术在汽车制造业中重要地位
据统计，汽车上有60－70％的零件是用
冲压工艺生产出来的。因此，冲压技术 对汽车的产品质量、生产效率和生产成 本都有重要的影响。 冲压工艺具有生产效率高、尺寸一致性 好、原材料消耗低、冲压件质量轻、强 度和刚度好、工艺过程简单等优点。
2013-11-29
南京航空航天大学 机电学院
15
以Nakamachi（仲町英治）、Makinouchi（木野内）
为代表的日本板料成形研究组织（Japan Sheet Metal Forming Research Group）。这是一个由来 自于汽车工业、钢铁工业、大学和政府机构的 37家单位组成的联合研究机构。他们基于增量 型弹塑性有限变形理论和Mindlin理论，采用中 心差分算法求解，开发了静力显式（static explicit）和动力显式（dynamic explicit）两种格式 的有限元软件，应用于日本的一些汽车厂和钢 铁厂。
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 28
2013-11-29
南京航空航天大学 机电学院
17

以D.Y. Yang和J.H. Kim为代表的韩国汉城大学研 究小组。他们采用刚塑性和弹塑性本构关系， 应用薄膜单元、壳单元和块单元，开发了静力 隐式、动力显式和隐式/显式耦合三种格式的有 限元软件。

以E. Onate等人为代表的位于巴塞罗那的国际工 程数值方法中心（International Center for Numerical Methods in Engineering）。他们除了开展工程中 的有限元理论和方法研究之外，还用“流动型” 有限元法对冲压成形问题进行分析。
BENCHMARK 3 :
Channel Draw/Cylindrical Cup Benchmark
View of Specimen A before binder closure in Stage 2 2013-11-29
View of Specimen B before binder closure in Stage 2 27
南京航空航天大学 机电学院
22
NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’2002 （2002年）
2013-11-29
南京航空航天大学 机电学院
23
NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’2002 （2002年）
Forming of Front Fender
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 24
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院
12
1985年，Toh和Kobayashi采用壳单元理论，用刚塑

性有限元法首次分析了方形盒的拉深过程，这标 志着冲压成形三维有限元仿真的开始； 1985年，Makinouchi（木野内）用弹塑性有限元法 分析了弯曲和修边过程； 1986年，Nakamachi（仲町英治）也用弹塑性有限 元法分析了冲压成形的一般问题； 1987年，Park等人用刚粘塑性有限元法分析了轴 对称冲压成形问题； 1988年，Nakamachi用弹塑性有限元法模拟了方形 盒的拉深过程。
南京航空航天大学 机电学院
板料成形有限元仿真关键技术的发展 求解算法
动力显式算法（Dynamic explicit algorithm） 静力隐式算法（Static implicit algorithm） 一步逆成形算法（One-step Inverse algorithm）
单元技术 薄膜单元 块单元 壳单元 本构关系 各向同性材料的屈服准则 各向异性材料的屈服准则
是： OSU标准考题（1988年）、VDI（德国汽车
学会）标准考题（1991年）、NUMISHEET’93、
NUMISHEET’96、NUMISHEET’99、 NUMISHEET’02、
NUMISHEET’05。
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院
19
NUMISHEຫໍສະໝຸດ BaiduT标准考题的发展
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院
14
美国Lawerence Livermore国家实验室的Hallqist等
人从1976年开始从事动力显式算法的研究工作， 起初开发了用于二维大变形冲击碰撞分析分析 的应用程序DYNA2D，随后又推出了进行三维 分析的DYNA3D和可用于板料成形分析的 LS_DYNA3D。该系列软件采用的是动力显式积 分算法，无收敛问题，可以解决大规模的动力 非线性问题。
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 7
冲压仿真在汽车业制造中重要性
数值仿真是产品和设计和制造的核心技术之
一。数值仿真是使板料冲压成形由“经验” 走向“科学”，由“定性”走向“定量”的 桥梁。
对于汽车制造业来说，21世纪的竞争核心将
是新产品的竞争，实现高质量、低成本、短 周期的新车型的开发正是赢得这场竞争的关 键。
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 8
板料冲压成形技术的发展概况
有限元技术的发展 1960年，Clough教授在论文中首次提出“有限元” 这一名词，Courant、Argyris、Turner、Clough和 Zienkiewicz的论文促成了有限元法的诞生，奠定 了早期有限元法的基础； 1967年，Marcal教授和King提出了弹塑性有限元格 式； 1968年，Yamada（山田嘉昭）推导了小变形问题 弹塑性矩阵的显式表达，大大推进了小变形弹塑 性有限元法的发展；
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 11
1978年，N.M. Wang和Budiansky基于非线性薄膜理
论，用弹塑性大变形TL格式分析了任意几何形 状模具的冲压成形问题，首次考虑了坯料在模 具表面的滑动和粘着效应的接触摩擦现象； 1980年，S.I. Oh和Kobayashi用刚塑性有限元法分 析了任意形状模具的拉深问题； 1983年，E. Onate和Zienkiewicz用粘塑性有限元法 分析了非对称模具的冲压成形问题； 1984年，N.M. Wang用刚塑性有限元法分析了速率 敏感型材料的冲压成形问题；
OSU标准考题（1988年）
2013-11-29
南京航空航天大学 机电学院
20
NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’93 （1993年）
2013-11-29
南京航空航天大学 机电学院
21
NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’96 （1996年）
2013-11-29
1973年，Oden等人建立了热粘弹塑性大变形有限
元方法；
1974年，McMeeking等人建立了更新的Lagrange格
式的大变形弹塑性有限元方法；
至此，用于大变形问题分析的弹塑性有限元理论
已经系统的建立起来了。
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 10
板料成形有限元分析的发展 1973年，Kobayashi和Mehta把刚塑性有限元法用于 分析冲压成形问题，这是人们第一次用有限元法 来模拟冲压成形过程； 1974年，Iseki等人用弹塑性增量型有限元法模拟 了液压胀形过程； 1976年，Wifi基于轴对称理论，用弹塑性增量型有 限元法模拟了圆形坯料在半球形凸模下的胀形和 拉深过程； 1977年，在美国GM公司召开了一个关于板料冲压 成形力学分析的研讨会，有两篇论文分别采用薄 膜单元和库仑摩擦理论，这在当时已相当完善；
课程的主要内容
绪论
模压技术与模具的分类
模具的基本结构
冲压成形有限元仿真基本理论
冲压成形三维仿真分析系统 冲压成形仿真的工程应用
基于反向模拟的毛坯外形设计技术
冲压模具设计的模面工程技术 模具设计制造过程智能化集成技术
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 1
NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’2005 （2005年）
BENCHMARK 1 :
Springback Prediction of Decklid Inner Panel
Forming of Front Fender
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 25
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 9
1970年，Hibbit、Marcal和Rice基于有限变形理论，
应用增量法建立了全Lagrange格式的大位移、大 应变弹塑性有限元法，Marcal又于同年推出了弹 塑性有限元程序MARC，即现在广泛应用的商品 化大型有限元软件MARC的前身；
日本轿车的发展对其汽车工业的促进起了举足
轻重的作用就是明显的例证。
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院 5
板料冲压成形技术的概念
利用金属塑性变形的特点，通过一定方
式对金属板料施加压力，使其产生所需 的塑性变形，从而获得满足所需的各种 形状的零件。
车身覆盖件和车身结构件
车身覆盖件系指覆盖车身内部结构的表
2013-11-29 南京航空航天大学 机电学院
降低汽车车身重量对环境保护和缓解能源危
4
发展汽车工业（轿车）的需要
通信、自动控制等领域的发展起到了重要的促 进作用。
对轿车车身的要求很高，从而大大促进了新技
汽车工业的发展对机械、电子、材料、计算机、
术和新设备的发展，由此全面带动了其它各种 车型车身技术的开发。