板料成型技术中的拉深筋研究

1 前言在汽车覆盖件成形过程中，零件各部分成形条件不同，因此各部分成形所需的成形力不同，通常要采用拉深筋来进行控制。

拉深筋参数的合理取值是控制金属流动、防止出现起皱和破裂的重要手段。

拉深筋的设计是冲压模具设计的关键技术。

拉深筋作为一种改善成形性的有效方法，其作用机理是：当板料渡过拉深筋时，会在A点、C点、E点附近发生弯曲变形，如图1，在B点、D点、F点附近发生反弯曲变形，反复的弯曲和反弯曲变形所产生的变形抗力即为拉深筋的变形阻力。

同时，当板料在AB、CD、E F段上滑动时，会因摩擦而产生摩擦阻力。

拉深筋的变形阻力和摩擦阻力之和即为拉深筋阻力。

也有学者认为，拉深筋阻力还应包括板料通过拉深筋后由于应变强化而导致后续变形抗力增大所增加的变形阻力。

在拉深模具中设置拉深筋就是要利用拉深筋阻力来控制毛坯各部分的成形力，从而起到控制局部变形条件，使零件各部分的变形条件趋于平衡，最终保障零件的顺利成形。

随着现代制造技术的发展，板料冲压成形的有限元模拟已成为模具设计与制造的关键技术。

在有限元模拟中精确模拟真实拉深筋很困难，主要是因为拉深筋尺寸较小，形状复杂。

要精确考虑板料与拉深筋的接触，则必须将拉深筋曲面划分成非常小的网格，但这会大大增加计算量，降低了计算效率，同时对模具几何形状的修改也极其不利。

因此这种做法不常被采用。

通常的做法是采用等效拉深筋模型，也就是将真实拉深筋等效为一条附着在模具表面且能承受一定约束力的拉深筋线。

这就需要计算单位长度的拉深筋需要承受的拉深筋约束阻力，所以拉深筋阻力模型的性能直接影响到计算精度。

为此，近40年来很多学者分别采用实验研究、理论分析和有限元方法对拉深筋的作用机理、拉深筋阻力、拉深筋对成形质量的影响作了研究。

2 拉深筋等效阻力模型的理论研究在板料成形过程中，拉深筋阻力是控制板料流动重要手段之一。

为此，不少学者希望利用塑性成形理论建立合理的数据模型，从而直接计算拉深筋阻力。

1978年，Weidemann将板料通过凸凹筋圆角时必须克服的摩擦力和由于弯曲/反弯曲变形产生的变形阻力，并建立了著名的拉深筋阻力模型（1）。

式中t—板料的初始厚度ω—拉深筋的长度μ—摩擦系数σs—屈服强度ψ—板料弯曲角Rg、Rb—拉深筋的肩部、底部半径P—单位长度上的等效压边力Weidemann模型形式简单，便于使用。

但是该模型存在以下不足：①忽略了材料的硬化特性、各向异性特性和板厚的变化；②防止压边圈被抬起的最小压边力和板料弯曲角都是待定的；③由于假设等效弯曲半径与拉深筋的半径相等，这将导致压筋深度较浅时对弯曲应变估算过高。

1982年，Chrysler公司的N.M.Wang建立了半圆形拉深筋阻力的平面应变数学模型。

他假定已变形板料的形状由平面和曲面构成，曲面半径与拉深筋半径一致，每个曲面部分的变形分为3个过程：圆角处的弯曲、绕圆角的滑动和反弯曲，圆角处的弯曲、绕圆角的滑动和反弯曲。

并假设变形前后法线方向保持不变，材料满足变形应力，与应变速率无关及Hill 的各向异性屈服准则，忽略包辛格效应。

板料与拉深筋表面的接触摩擦系数μ为常数。

将这种拉深筋阻力模型应用于拉深筋压入深度大于拉深筋半径的情况，计算值与实验值吻合较好，对压入深度较浅的情况误差较大。

1983年，B.S.Levy应用虚原理，考虑材料的各向异性和应变率，根据Nine的实验数据回归出一个拉深筋阻力的预测模型（2）DBRF=α0+（α1+α2μ）X（2）式中X=F（，b，n，R，m，r）R，b—拉深筋的圆角半径和宽度m，r ，n，—板料的应变速率敏感系数、塑性应变比、硬化指数、应变速率和等效应变Levy模型形式也比较简单，但该模型是根据Nine的实验数据回归出来的，缺乏通用性。

1988年，Stoughton基于能量守恒原理提出了如公式（3）所示的拉深筋阻力数学模型。

DBRF=[（F1eμψ+μFe+F2+F3）eμψ+μFe+F4+F5] eμψ+F6 (3)式中μ—摩擦系数ψ—板料弯曲角Fi—对应于图1中A～F的6个弯曲/反弯曲点Fe—拉深筋开始闭合过程中引起板料弹性变形而产生的附加弹性力Stoughton模型具有以下优点：①考虑了材料的硬化特性、各向异性特性和板料在弹性变形时厚度的变化；②给出了拉深筋阻力和防止压边圈被抬起的最小压边力的计算公式；③弯曲角和等效半径都是可计算的。

不足之处在于其形式极为复杂，必须确定每一点弯曲和反弯曲角，实际损伤比较困难。

1992年，Kluge提出了类似于Weidemann模型的拉深筋阻力模型。

与Weidemann模型相比，Kluge模型中除了考虑了材料的硬化特性和给出了弯曲角的计算公式化外，Weideman n模型的不足仍然没有得到解决。

瑞典的Mattiasson提出了一种考虑压边间隙的等效拉深筋阻力模型.荷兰的Meinders用实验和仿真相结合的方法对拉深筋的阻力进行了研究。

波兰的Rojek提出了一种简化的等效拉深筋阻力模型，它不考虑材料流经拉深筋时的应变效应和由于弯曲/反弯曲引起的硬化效应。

国内华中理工大学的李尚健于1991年建立了与N.M.Wang的数据模型相似的拉深筋阻力模型，并将计算结果与实验值进行了比较。

上海交通大学的包友霞等人基于Weidemann模型，考虑了材料硬化、厚向异性系数对拉深筋阻力的影响，建立了一种改进的等效拉深筋阻力模型，该模型能够真实反映拉深筋压入深度对阻力的作用，并给出了弯曲角的计算公式。

3 拉深筋阻力的有限元分析随着计算机技术和非线性有限元理论的发展，有关拉深筋的有限元计算方法逐渐成为研究热点。

1986年，Michigan技术大学的B.Maker，S.K.Samanta等人在大位移、大转动的弹塑性有限元理论的基础上，采用壳单元、库仑摩擦定律，有编写了计算拉深筋阻力和板料经过拉深筋时应变状态的有限元程序。

Carleer等采用基于混合欧拉拉格朗日算法的有限元程序对半圆形拉深筋进行了计算，文中的板料沿厚度（0.7mm）方向划分为4层4结点平面应变单元，仿真结果与实验值吻合很好。

随着非线性有限元软件的商业化，很多学者开始直接借助现有软件研究拉深筋。

J.Cao和M.C.Boyce应用ABAQUS有限元软件研究了拉深筋压入深度对拉深筋阻力的影响。

他们将板料流过拉深筋时的变形状态简化为平面应变状态，不考虑辛格效应和应变速率的影响，有限元模型的几何参数与Nine的实验数据相同。

计算结果与Nine的实验结果相比较，最大误差为18.2%，最小误差为零，T.Meinders建立了一种基于罚约束法的拉深筋等效模型，该模型不仅考虑拉深筋阻力与压实拉深筋所需的压筋力，还将板料厚向应变以一种约束条件代入等效拉深筋模型的刚度矩阵。

应用于杯形件仿真时，仿真结果比只考虑拉深筋阻力的计算结果更接近实际值。

Y.T.Keum等将拉深筋阻力和板料通过拉深筋时的减薄量作为拉深筋附近结点的边界条件，建立了拉深筋阻力的数值计算模型。

Y.M.Heo等定量分析了拼焊板拉深成形时拉深筋形状尺寸对焊缝移动的影响。

H.Naceur等基于一步法，对拉深变形中的拉深筋阻力进行了优化，并开发了优化算法。

用此优化算法计算的结果与OPTRIS计算结果吻合较好。

M.Samuel基于平截面假设，分析了板料通过拉深筋时的弯曲/反弯曲的变形特点以及应力应变状态，建立了拉深筋数值仿义模型，并将该模型植入MARC软件中，仿真结果与实验值吻合较好。

Ludovic等人基于弹塑性理论和1oveKirchhoff假设，建立了拉深筋的有限元分析模型。

国内有许多学者进行了这方面的研究。

邢忠文等等应用弹性大变形有限元理论，开发出针对半圆形拉深筋的数值模拟软件。

杨玉英等人基于自已开发的成形模拟软件，分析了拉深筋的几何形状对压边力和拉延筋约束阻力的影响。

李硕本、金淼等人通过数值模拟和实验相结合的方法研究了拉深筋的作用机理以及几何参数对拉深筋阻力的影响。

叶又等利用Ls-Dyna 软件，采用了基于随动强化材料模型和平面应变假设，计算了板料经过半圆形拉深筋时受到的阻力和板料厚向应变，计算结果比采用各向同性强化材料模型的计算结果更接近实验值。

4 拉深筋的实验研究通过各种模拟实验或真实实验来研究拉深筋的作用一直是研究的重点Lloyd，M.J.Paiter在拉深实验仪上对半圆形的拉深筋进行研究，得出拉深筋阻力随筋压入深度、摩擦系数、拉延速度的变化而变化的结论。

80年代初，通用汽车公司的H.D.Nine专门设计了一个拉深筋阻力模拟测试仪，这一实验仪已经成为目前拉深筋机理研究的主要仪器。

该实验仪可以分离出拉深筋阻力的两个组成部分：弯曲/反弯曲力和摩擦力。

他指出弯曲变形力约占整个拉深筋阻力的65%～85%，该研究为以后拉深筋方面的研究工作捉供了非常有价值的实验方法和数据。

1991年，Chrysler公司的N.M.Wang和V.C.Sha在MTS成形性能测试仪上，针对半圆形筋、矩形筋、拉深槛、矩形筋与拉深槛的组合筋这4种拉深筋，以凸模负载曲线为参照，研究了不同润滑、不同夹紧力时的拉延阻力大小及其对冲压件极限拉延深度的影响，指出拉深筋的几何形状是影响阻力大小的重要因素。

Waterloo大学的John A.Schey等人应用Nine设计的拉深筋模拟测试仪研究了润滑条件、筋表面粗糙度对普通钢板和镀层钢板的摩擦系数的影响。

国内哈尔滨工业大学的邢忠文和杨玉英等人也在大量实验的基础上研究了拉深筋阻力的形成机理及其影响因素，指出拉深筋阻力是由板料通过拉深筋时的弯曲/反弯曲变形力和摩擦力以及因变形硬化引起的在变形抗力3部分共同组成，拉深筋阻力的影响因素包括拉深筋的形式、拉深筋参数、材料特性、润滑条件、变形速度、压边力等，其中拉深筋参数和形状对拉深筋阻力的影响最大。

5 拉深筋研究的发展方向经过半个多世纪的发展，拉深筋的研究已经进入工业实用，在改善成形性、提高产品质量方面发挥了及其重要的作用。

几乎所有的车身覆盖件在拉延成形中都需要拉深筋来调节拉延阻力，拉深筋的合理布置是车身覆盖件成形的磁键技术。

目前，该领域的发展趋势是：l）继续完善拉深筋阻力模型，提高计算精度，使等效拉深筋模型尽可能准确地反映真实拉深筋的特点。

2）开发功能较强的拉深筋优化算法，以便有效地根据零件形状、成形特点而进行修改，实现优化设计程序自动化。

3）随着环境的要求，车身覆盖件将越来越多的使用高强度钢板和铝合金等轻量化材料，与普通钢板相比，这些材料的成形性较差。

要提高这些难成形材料的成形性需要多方面的研究，其中包括新型拉深筋的设计。

如图2所示的是美国Auto/SteelPartnership提出的一种针对高强度钢板的新型拉深筋。

他们认为这种拉深筋有利于缓解拐角处的压应力，减小角部破裂的趋势。