矩形水槽沖壓成形有限元分析與研究_畢業(yè)設(shè)計說明書

1、沖壓成形越來越多地應(yīng)用在汽車制造業(yè)及其它工業(yè)中。矩形件是板材成形中 的一種典型件，因此研究影響矩形水槽沖壓成形的各種因素是非常重要的。本課題利用dynaform對矩形水槽拉深進(jìn)行了因素影響的有限元仿真分析。通 過改變各工藝參數(shù)，研究分析矩形件沖壓成形的成形極限、板料的變薄及增厚情 況，找出最優(yōu)的分塊壓邊圈方案，得出壓邊力、速度、凹模圓角半徑、凹模轉(zhuǎn)角 半徑等工藝參數(shù)的較優(yōu)組合，可以有效地提高矩形件的沖壓成形性能，為現(xiàn)實中 零件的設(shè)計和生產(chǎn)提供一個可行的方案。關(guān)鍵詞 板料成形矩形水槽有限元分析title finite element analysis and research of rectan

2、gulartank stampingabstractstamping is increasingly used in automobile manufacturing and other industrics. rectangulor part is one of the typical workpieces in shect metal forming process. tt is very important to study on various factors which affecting stamping rectangular tank.the finite element an

3、alysis of the factor which affecting rectangular tank drawing is simulated via ovnaform. by changing the process parameters, the depth of forming, the changing of thickncss and thinness during the forming process is analyzed. the optimal block the blank holder scheme is founded. a suitable combinati

4、on of factors which includes blank holder force, punching speed, the die fillet radius, the die corner radius is gotten. thus, it can effectively improve forming performance of rectangular piece. a feasible option is provided for the real part of the design and production.keywords sheet metal formin

5、g rectangular tank finite element analysis目錄1 緒論11.1選題背景11.2矩形件沖壓成形研究現(xiàn)狀11.3主要研究目標(biāo)及內(nèi)容21.4論文的組織結(jié)構(gòu)32矩形件沖壓成形工藝?yán)碚摲治?2. 1矩形件沖壓成形理論42.2矩形件沖壓成形工藝特點52.3影響矩形水槽沖壓成形的因素62.4 本章小結(jié)73基于有限元的矩形水槽拉深成形建模與仿真83. 1 dynaforni 簡介 83.2基于dynaform的矩形水槽沖壓成形模擬的流程93.3矩形件成形仿真103.4 本章小結(jié)214矩形件拉深成形的模擬分析224.1壓邊圈方式對成形的影響224.2凸模沖壓速度對成形的

6、影響234.3凹模圓角半徑對成形的影響264.4 fi模直壁轉(zhuǎn)角半徑對成形的影響294.5壓邊力對成形的影響314.6根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計優(yōu)化方案364. 7 本章小結(jié)38結(jié)束語40致謝42參考文獻(xiàn)431緒論1.1選題背景拉深是板料沖壓成形屮的主耍成形方式，在汽車、航空航天、右油化工等諸多等領(lǐng)域 均有廣泛的應(yīng)用。例如，汽車車身覆蓋件、大油罐等的成形均采用拉深工藝。然而,如何保 證板料塑性成形零件的質(zhì)量，降低廢品率，減少模具的返工，縮短模具設(shè)計周期，一直是板 料犁性成形領(lǐng)域的一大難點。板料沖壓成形是現(xiàn)代工業(yè)中一種十分重要的加工方法，在汽車、家用電器、儀器儀表 等領(lǐng)威得到廣泛應(yīng)用。拉深又稱拉延、壓延或

7、引仲，是沖壓成形技術(shù)屮的一種重耍工藝。 它是利用拉深模具在壓力機(jī)的壓力作用下，將預(yù)先剪裁或沖裁成一定形狀的毛坯，控制成 立體空心件的一種加工方法。拉深件的可加工尺寸范圍也是相當(dāng)廣泛的，從幾毫米的小零 件直到輪廓尺寸達(dá)2-3米的大型零件，都可以用拉深方法制成，因此在汽車、飛機(jī)、儀表、 電子等工業(yè)部門以及日常生活用品的沖壓生產(chǎn)中，拉深工藝占據(jù)相當(dāng)重要的地位役傳統(tǒng)的沖壓工作，需要花費(fèi)大量的時間進(jìn)行沖壓工藝計算，然后設(shè)計制造出相應(yīng)的沖 壓模具，再試壓，修正模具的工作參數(shù)。由于數(shù)值模擬可以幫助人們預(yù)測加工結(jié)杲，有助于 提高生產(chǎn)效率，所以采用冇限元法對金屬塑性成形過程進(jìn)行全面數(shù)值模擬，已得到該領(lǐng)域 廣大學(xué)

8、者的普遍重視。20世紀(jì)80年代以前，受有限元分析方法和計算機(jī)速度的限制，有限 元分析主要處理小規(guī)模的線性問題。90年代以后,有限元軟件功能的逐漸完善，近年來發(fā) 展起來的數(shù)值模擬技術(shù)幫助解決了沖壓模擬這一塑性加工領(lǐng)威的難題宀役木課題即針對矩形水槽沖壓成形的常見缺陷和問題，以簡單的非軸對稱零件矩形 零件為研究對象，首先通過文獻(xiàn)查閱分析確定影響矩形水槽壓成形主要變化因索:壓邊力、 分塊壓邊圈的劃分及凹模圓角、凹模轉(zhuǎn)角等，繼而運(yùn)用dynaform對矩形件進(jìn)行簡單的有 限元仿真分析，找出這些因素對矩形水槽沖壓成形的影響；通過調(diào)整各種參數(shù)比較得到優(yōu) 化的方案，為實際應(yīng)用時沖出合格產(chǎn)品做參考。1.2矩形件沖

9、壓成形研究現(xiàn)狀自英國學(xué)者alexander parks在1857年開發(fā)并取得銅板拉深工藝專利以來，拉深成形 工藝不斷取得發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在目前的理論研究中，對非軸對稱拉深變形的研究成果很 多，也比較成熟。迄今為止，國內(nèi)外專家學(xué)者對矩形件的研究主要集中在如下幾個方面:（1）用試驗手段對矩形件法蘭部分的特定部位進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變解析，分析了法蘭變形 及直邊部的變形緩和作用隨形狀特性的變化，并通過適當(dāng)?shù)厍谐迮鞯慕遣坎牧匣蛘{(diào)整板本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第2頁共44頁 坯長短邊變形尺寸，研究對拉深極限的影響。如北京理工大學(xué)的鄂大辛采用實驗手段對盒 形件法蘭部分的特定部位進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變解析，分析了法蘭變形及

10、直邊部的變形緩和作用隨 形狀特性的變化，并通過適當(dāng)?shù)厍谐鍓牡慕遣坎牧匣蛘{(diào)整板壞t短邊變形尺寸，研究對 拉深極限的影響叫 如2008年臧順來等人對盒形件法蘭起皺臨界壓邊力影響規(guī)律研究， 研究起皺是盒形件拉深成形中的主要缺陷，而壓邊力是控制法蘭起皺的主要手段，研究了 材料性能和工藝參數(shù)對盒形件拉深法蘭起皺臨界壓邊力的影響規(guī)律。（2）利用邊界節(jié)點的初始速率就可確定最優(yōu)毛坯的外形，如1999年上海交通大學(xué)的 姚華和陳軍采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測毛壞外形和2000年韓國學(xué)者shim hyunbo, k.son等 人提出形狀靈敏度分析方法設(shè)計非圓拉深件的最優(yōu)毛坯外形回。（3）在金屬板材成形中，起皺預(yù)測和防止的

11、研究一直是熱點和難點所在，起皺預(yù)測 的研究至今已冇50多年的歷史，早期通常采用解析模型研究方法，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā) 展，有限元數(shù)值模擬在近年來成為主要研究手段。如2000年上海交通大學(xué)的鄭曉丹、汪 銳、何丹農(nóng)應(yīng)用專家系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了盒形件拉深極限的研究，闡述了專家系統(tǒng)在盒形件拉 深成形極限分析屮的應(yīng)用，論述了建立專家系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),包括系統(tǒng)信息描述、知識表 示方法、實例庫的建立以及系統(tǒng)的推理結(jié)構(gòu)等何。1.3主要研究目標(biāo)及內(nèi)容本項課題以矩形水槽為研究對象c通過對簡單的矩形水槽沖壓成形進(jìn)行冇限元數(shù)值模 擬，比較幾種不同情況下矩形水槽的成形效果，得出成形效果最優(yōu)的一組參數(shù)。本課題的主要內(nèi)容歸納如下：（

12、1）分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，確定木課題的研究內(nèi)容；（2）研究并分析矩形水榊成形理論和其成形缺陷，如起皺、破裂和為充分拉深，確 定英影響因素：壓邊力、模具參數(shù)等；（3）介紹板料成形的有限元數(shù)值模擬基木理論及dynaform軟件的數(shù)值模擬過程， 確定研究矩形水槽成形工藝的具體仿真試驗方案；（4）選擇板料及模具的參數(shù)，使用pw/e建立cad模型，使dynaform建立沖壓 模具、分塊壓邊圈和板料的有限元模型，選定合適的試驗參數(shù)；（5）對比不同的分塊壓邊圈的成形效果，確定所采用的分塊壓邊圈；（6）通過改變影響一系列矩形水槽沖壓成形的因素的仿真試驗，比較成形性能，得出矩形水槽沖壓成形的優(yōu)化方案。本科畢業(yè)設(shè)

13、計說明書（論文） 第3頁 共44頁1-4論文的組織結(jié)構(gòu)本文以板料拉深成形屮比較冇代表意義的矩形水槽為主耍研究對象，從理論上分析和 研究其拉深成形過程中成形機(jī)理和變形特點及缺陷，并用板料成形模擬仿真專用軟件 dynaform對矩形水槽進(jìn)行仿真和分析，并對矩形水槽成形的最優(yōu)方案進(jìn)行預(yù)測。全文分為五章，各章內(nèi)容如下：笫1章：簡要介紹了課題研究的背景和意義，分析了國內(nèi)外沖壓成形工藝相關(guān)技術(shù)的 研究現(xiàn)狀，確立了課題的研究內(nèi)容和目標(biāo)，闡述了論文的結(jié)構(gòu)安排。第2章：進(jìn)行矩形水槽拉深過程的理論分析，并簡要分析了矩形件沖壓成形工藝的特 點和影響矩形水槽沖壓成形的因索。第3章：介紹了 dynaform軟件以及矩形

14、水槽沖壓成形的有限元模擬的流程。笫4章：用dynaform對拉深成形進(jìn)行模擬分析，對不同影響因素作用下的矩形水槽 成形過程對其變形特點進(jìn)行了仿真分析，得出矩形水槽沖壓成形的優(yōu)化方案。結(jié)論：簡要總結(jié)了木課題研究取得的成果與不足，并對今后的工作進(jìn)行了展望。2矩形件沖壓成形工藝?yán)碚摲治鲈跊_壓生產(chǎn)中，拉深件種類很多，形狀各杲，雖然它們的沖壓過程都叫拉深，但其變 形區(qū)的位置、變形性質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及其分布等各不相同，所以工藝參數(shù)、工序數(shù)目與 順序的確定方法及模具設(shè)計原則與方法都不一樣，按變形力學(xué)特點拉深件可分為桶形件 （圓桶形件，帶凸緣圓桶件，階梯圓桶件）、曲面回轉(zhuǎn)體零件（球形、拋物線形、錐形等）、 盒

15、形件（方形、矩形、橢圓形等）和不規(guī)則形狀零件等四類。木文選取矩形水槽這一簡單 典型的盒形件作為拉深研究對象。2.1矩形件沖壓成形理論矩形水槽屬于低盒形件，低盒形件拉深吋（圖2. 1）僅有微量材料沖角部轉(zhuǎn)移到直邊， 即圓角與直角間的相互影響很小，因此可以認(rèn)為直邊部分只是簡單的彎曲變形，毛坯按彎 曲變形展開計算。圓角部分只發(fā)生拉深變形，按圓筒拉深展開，再用光滑曲線進(jìn)行修正即 得毛坯。計算步驟如下：按彎曲計算直邊部分的展開長度1。olo = /+0.75rp式中：ii包括修邊余量內(nèi)的矩形件的高度，mm, rp底部圓角半徑。把圓角部分看成是直徑為2r、高為h的圓筒件，則展開的毛坯半徑為：r = 7r2

16、+2r/7-0.86（r + 0.16r） （r > rprt ）r = 42rh（25 時）用光滑曲線連接直邊和圓角部分，即得毛壞的形狀和尺寸。具體做法是：由bc屮點 作圓弧r的切線，再以r為半徑作圓弧與直邊和切線相切。這時面積+ f=-f,拉深時圓 角部分多出的面積+ f向直邊轉(zhuǎn)移以補(bǔ)充直邊部分面積-f的不足。31圖2.1矩形件的毛坯確定2.2矩形件沖壓成形工藝特點此處省略nnnnnnnnnnnn字。如需要完整說明書和設(shè)計圖紙等. 請聯(lián)系扣扣：九七一九二零八零零另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計下該論文已經(jīng)通過答辯矩形件是一種非旋轉(zhuǎn)體零件。矩形件零件可劃分為2個長度為l-rp和2個長度為 b-2

17、rp的直邊加上4個半徑為鼻的1/4圓筒部分。假設(shè)4個圓角部分連接起來，把直邊分 開，則圓角部分的變形相當(dāng)于宜徑為2p、高為h的圓筒件的拉深，直邊部分的變形相當(dāng) 于彎曲。但實際上圓角部分和直邊部分是聯(lián)系在一起的整體，因此矩形件的拉深又不完全 等同于簡單的彎曲和拉深何。(1) 矩形件拉深成形時，零件表面網(wǎng)格發(fā)生了明顯變化。由此表明法蘭變形區(qū)直邊 部分發(fā)生了橫向壓縮變形，使圓角處的應(yīng)變強(qiáng)化得到緩和，從而降低了圓角部分傳力區(qū)的 軸向拉應(yīng)力，相對提高了傳力區(qū)的承載能力。（2）矩形件拉深時，法蘭變形區(qū)圓角處的拉深阻力大于直邊的拉深阻力圓角處的變 形程度大于直邊處的變形程度。因此，變形區(qū)內(nèi)金屬質(zhì)點的位移量直

18、邊處大于圓角處，導(dǎo) 致了這兩處的位移速度的不同，而毛坯的這兩部分乂是聯(lián)系在一起的整休，變形時必然相 互牽制，這種位移速度差會引起剪切力，這種剪切力稱為位移速度誘發(fā)剪應(yīng)力。雖然，誘 發(fā)剪切力在兩處交界面達(dá)到最大值，并由此向直徑和i員i角處的中心線逐漸減小。i員i角部分 傳力區(qū)內(nèi)剪應(yīng)力減小了，從而也相對地提高了傳力區(qū)的承載能力。曲于上述原因，矩形件 成形極限高于直徑為2r的圓筒形件的成形極限。（3）剪應(yīng)力形成的彎矩引起變形區(qū)平面內(nèi)的彎曲變形，從而使變形區(qū)變得相當(dāng)復(fù)雜。 板平而內(nèi)的彎曲變形使變形區(qū)直邊處外緣和圓角處內(nèi)緣形成起皺的危險區(qū)，同時述可能引 起矩形件壁裂的產(chǎn)生“2.3影響矩形水槽沖壓成形的因

19、素影響矩形件沖壓質(zhì)量因素非常多，如毛坯參數(shù)、模具參數(shù)、板材參數(shù)、工藝條件（如 壓邊力、沖壓速度、模具和板料的潤滑條件等）等等。木文主要研究沖壓速度、壓邊力、 模具參數(shù)對成形結(jié)果的影響e（1）沖壓速度沖壓速度與沖壓過程有著i分密切的關(guān)系,沖壓速度的大小直接影響沖壓產(chǎn)品的的成 形智力。其屮當(dāng)速度過大時，在變形過程起皺的趨勢降低；速度過小時，起皺就會明顯增 加。（2）壓邊力零件拉深屮的主要缺陷為起皺和開裂，壓邊力過小，矩形件的法蘭變形區(qū)部分的材料 容易失穩(wěn)起皺，壓邊力過大，矩形件的斜坡過度區(qū)材料流動困難，容易拉裂。當(dāng)模具基本 確定時，先粗選壓邊力，然后對成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬。矩形水槽沖壓成形過程中由

20、于板料存在厚度差，整體壓邊圈難以滿足壓邊要求。由于 在模擬中發(fā)現(xiàn)改變壓邊力不能解決矩形水槽邊沿部分的起皺,解決這樣的問題要使用不同 的壓邊力，所以運(yùn)用分塊壓邊圈的方式來使矩形水槽的沖壓成形優(yōu)化。分塊壓邊圈比整塊 壓邊圈能使矩形件獲得更好的成形深度,板料的減薄情況得到改善；可以通過調(diào)整壓邊力 組合工藝參數(shù)的方法使矩形水槽獲得更好的成形性能,研究為捉高矩形水槽的成形性能以 及分塊壓邊圈在矩形水槽板沖壓成形中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。（3）模具參數(shù)當(dāng)凹模圓角半徑過小吋，拉伸毛坯的直壁部分與底部過渡區(qū)的彎曲變形加大，使危險本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第7頁 共44頁 斷面的強(qiáng)度受到削弱，毛坯側(cè)壁傳力區(qū)的拉應(yīng)力

21、相應(yīng)增人，這樣會使拉伸系數(shù)增人，板料 的變形阻力增加，從而引起總的拉伸力增加、成形件出現(xiàn)開裂和模具壽命降低；若凹模的 圓角半徑過大，板料的變形阻力小，金屬的流動性好，但也會減小壓邊的有效面積，使制 件容易起皺。2.4 本章小結(jié)本章首先介紹了矩形水榊件沖壓成形的基本理論，分析了矩形水榊的變形特點，并在 此基礎(chǔ)上找出了影響其沖壓成形的因素及本文耍研究的主耍因素，為第四章矩形水槽壓成 形的仿真分析與優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。3基于有限元的矩形水槽拉深成形建模與仿真本課題選用非線性有限元理論和飯金成形非線性有限元分析軟件dynaform對矩形水 槽的加工方法拉深成形過程進(jìn)行動態(tài)模擬。通過計算，可以觀察板料在

22、拉深成形過程 中的變形狀態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變分布和壁厚變化，預(yù)知可能在何處出現(xiàn)起皺、變薄和開裂等現(xiàn)象, 并通過修改必要的參數(shù)來防止上述現(xiàn)象的出現(xiàn)，最終獲得動態(tài)模擬所需的部分工藝參數(shù), 例如壓邊力、模具圓角半徑等，以保證實際生產(chǎn)的可靠性"何。3. 1 dynaform 簡介dynaform軟件是美國eta公司和lstc公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形數(shù)值模擬的專用 軟件，是ls-dyna求解器與eta/femb前后處理器的完美結(jié)合，是當(dāng)今流行的板料成形 與模具設(shè)計的cae工具之一。在其前處理器(preprocessor) ±可以完成產(chǎn)品仿真模型的生 成和輸入文件的準(zhǔn)備工作。求解器(ls-d

23、yna)采用的是世界上最著名的通用顯示動力為 主、隱式為輔的有限元分析程序，能夠真是模擬板料成形中各種復(fù)雜問題。后處理器 (postprocessor)通過cad技術(shù)生成形象的圖形輸出，可以直觀的動態(tài)顯示各種分析結(jié)果。dynaform軟件可應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，汽車、航空航天、家電、廚房衛(wèi)生等行業(yè)?？?以預(yù)測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕、冋彈、成形剛度、表面質(zhì)量，評估板 料的成形性能，從而為板成形工藝及模具設(shè)計捉供幫助。木文選用dynaform來對矩形件的沖壓成形進(jìn)彳亍仿真研究，因為dynaform作為板料沖 壓成形的專用軟件，和其他幾個比較流行的軟件相比，無論在易操作性、前處理、后處理

24、 和模擬的準(zhǔn)確性上都具有很大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面20 22：(1) dynaform具有功能豐富的前處理器。它具有強(qiáng)大的圖形文件導(dǎo)入功能，能夠方 便而無數(shù)據(jù)丟失地讀入iges格式文件以及ug、pro/e、catia等主流cad軟件的圖形文件, 同時用戶也可以在dynaform中很方便地創(chuàng)建點、線、面等幾何模型。(2) dynaform的求解器采用了業(yè)界非常著名的非線性動力顯式有限元軟件ls-dynao ls-dyna是采用顯隱結(jié)合的算法進(jìn)行板料成形模擬的最具有代表性的軟件，計算穩(wěn)定，效 率高，模擬結(jié)果準(zhǔn)確性很好。雖然ls-dyna也能夠進(jìn)行仿真，但是其材料庫相對dynaform 而言

25、就冇一些欠缺，軟件的易操作性也較差。(3 ) dynaform有強(qiáng)大的后處理功能。eta-post是eta公司開發(fā)的一款專門針對 dynaform的后處理軟件，它口j以方便用戶直觀地得到求解結(jié)果。在eta-post中新增加的 graph模塊屮，用戶可以利用曲線圖表功能來顯示拉深過程屮各種參數(shù)隨吋間變化的曲線。（4）支持從個人機(jī)、工作站到巨型機(jī)的所有駛件平臺?？杉嫒輦€人機(jī)、工作站、大 型機(jī)及巨型機(jī)等硬件平臺上的全部數(shù)據(jù)文件。在個人機(jī)、工作站、大型機(jī)及巨型機(jī)等硬件 平臺上具有統(tǒng)一的用戶界面?？膳c大多數(shù)的cad軟件集成并有接口。具有智能網(wǎng)格劃分, 良好的用戶開發(fā)環(huán)境。3. 2基于dynaform的矩

26、形水槽沖壓成形模擬的流程對矩形沖壓成形進(jìn)行仿真，主要包括兩個步驟：（1）建立矩形水槽沖壓模具模型，可 以用3d軟件pro/e建立矩形水彩與模具的曲而模型，再以一定的數(shù)據(jù)格式（如iges等） 將零件導(dǎo)入仿真軟件。（2）在建立好的模型的基礎(chǔ)上建立有限元模型，進(jìn)行有限元的前處 理、有限元分析和仿真結(jié)果分析。在dynaform對矩形水槽成形過程有限元仿真的具體操 作步驟如圖3. 1所示22'25o圖3. 1在dynaform屮對矩形水槽沖壓成形仿真流程圖3.3矩形件成形仿真木課題研究矩形件的沖壓成形性能和規(guī)律，矩形件是最常見的幾何形狀相對比較規(guī) 則、應(yīng)用比較廣泛的一類沖壓件，在非軸對稱件中具有

27、一定的代表性。矩形件也是薄板金 屈沖壓件屮較難成形的一類零件，矩形件由丁含冇直邊區(qū)和圓角區(qū)的緣故，變形區(qū)內(nèi)各處 毛坯變形大小的分布是不均勻。因此，研究矩形水槽的沖壓成形性能對以后復(fù)朵矩形件的 研究冇著一定的指導(dǎo)意義?？紤]到?jīng)_壓件受工件幾何參數(shù)、模具幾何參數(shù)、材料性能、材料厚度、沖壓力、拉深 極限、變壓邊力等因素的影響，因此要獲得良好的試驗效果，首先應(yīng)建立合理工藝模型, 步驟如下：3. 3.1模具幾何模型及材料模型的建立在pro/e中建立凸模、凹模、板料的模型，在草繪狀態(tài)卜繪制凸模（如圖3.1）.凹 模（如圖3.2）、板料的尺寸（如圖3.3）。對于凸模和凹模草繪后進(jìn)行拉深，拉深深度為 凸模80m

28、m,凹模100mm；對板料草繪后填充。由于矩形件的拉深成形特點，需要繪制分塊 壓邊圈，將凹模分開（如圖3. 4和圖3.5）o圖3. 1凸模尺寸501-100.00圖3. 2凹模尺寸圖3. 3板材尺寸/1pn.c$k.ief丿1圖3. 4分塊壓邊圈y1圖3. 5壓邊圈y23.3.2文件保存對生成的實體模型保存副本，文件類型選擇*igs,在輸出iges窗口，選取曲面，坐 標(biāo)缺省。這樣就能把相應(yīng)的模型轉(zhuǎn)換*igs文件，供dynaform調(diào)用。同吋將相應(yīng)的實體 模型保存以便在后面改變模具參數(shù)重新建模所用。3.3.3模型導(dǎo)入和編輯打開dynafonn軟件，依次將凹模、凹模、板料、分塊壓邊圈導(dǎo)入（如圖3.

29、6）。然后編輯零件層，a對應(yīng)凹模，t對應(yīng)凸模，b對應(yīng)板料,y1對應(yīng)分塊壓邊圈yl, y2對應(yīng)分 塊壓邊圈y2,如此方便以后工作（如圖3.7）。板料口模、圖3. 6導(dǎo)入后的模型圖3. 7編輯模具3.3.4修剪模型選擇surface對導(dǎo)入的模型進(jìn)行處理，刪除不必耍的表面。刪去相應(yīng)的表面后如圖3. 8所示。圖3. 8表而處理后的模型3.3.5模型網(wǎng)格化分別對凹模、凸模、板料和分塊壓邊圈進(jìn)行網(wǎng)格化，相應(yīng)的單元的參數(shù)設(shè)置如圖3. 9 和圖3. 10,設(shè)置最大尺寸為30. 000mm,最小尺寸為0. 5mm,弦高尺寸為0. 150mm,角度為 20. 000°，間隙公差為2. 500 um,忽略

30、孔洞尺寸為0.000mm。對板料的網(wǎng)格化,設(shè)置當(dāng)前 零件層為板料，tool radius為3. 750000mm。網(wǎng)格化后的模型如圖3. 11所示。曲面冋格化網(wǎng)格| tool mesh二廠不連接®原始零件層l邊界檢查l refine sharp angle參數(shù)最大尺寸|30.000最小尺寸|0.500 弦35 |0.150角度（20.000 間隙公差|2.500 忍略孔洞尺寸|0.000l設(shè)置根據(jù)：匚選擇曲面應(yīng)用接麥網(wǎng)格7是| 圖3.9凸模、凹模、壓邊圈單元網(wǎng)格化參數(shù)圖3.10板料單元網(wǎng)格化參數(shù)退出圖3. 11網(wǎng)格化后的模型3.3.6定義板料的材料與屬性和模具間距板料的材料和屈性設(shè)定

31、，在定義毛坯里添加板料，然后進(jìn)入材料庫窗口選擇低碳鋼中dqsk, type37所對應(yīng)的材料。如下圖3. 12和圖3. 13所示，相應(yīng)的中文參數(shù)如表3. k圖3.12板料的材料屬性表3. 1材料性能參數(shù)厚度寬度屈服極限強(qiáng)度系數(shù)厚向異性應(yīng)變強(qiáng)化t/ mml/ mmajmpak/ mpa指數(shù)r指數(shù)n1200154. 30512.21.650. 23圖313板料的屬性模具間隙的確定，首先在定義模具中，然后在用戶口定義中新建用戶定義工具名稱, 零件層屮選擇相應(yīng)的模型件。如圖3. 14所示其屮a對應(yīng)凹模，t對應(yīng)凸模，b對應(yīng)板料， yl對應(yīng)分塊壓邊圈yl, y2對應(yīng)分塊壓邊圈y2。定義模具間的距離如圖3.1

32、5所示，選取工具中的定位工具中移動工具，選擇要移動 的模具如a、t、yl、y2,在距離中輸入移動距離，移動方向為z方向。使得t、yl、y2在 z方向移動+0. 6mm, a在z方向移動-0. 6mm0圖3.15移動模具距離圖3. 14定義用戶工具3.3.7定義凸模的運(yùn)動和壓邊力在定義工具里如圖3.16所示，選擇用戶定義工具中選中t,然后定義凸模的運(yùn)動z方向，沖壓速度，沖壓行程負(fù)號表示z的負(fù)方向。定義壓邊力，在yl和y2下定義載荷曲線中選擇作用力，z方向，輸入不同的壓邊力（如圖3. 17和圖3.18） o圖3.16凸模的運(yùn)動情況圖3. 17作用在壓邊圈yl上的壓邊力圖3. 18作用在壓邊圈y2上

33、的壓邊力3.3.8對模型進(jìn)行有限元計算定義完所冇的參數(shù)后進(jìn)行后處理，在分析屮選擇ls_dyna （如圖3.19）,為了在后 處理中能夠較好的觀察成形過程，一般設(shè)定step二20。求解器采用full run dyna,求解器 精度采用單精度。同時在計算機(jī)內(nèi)存較人時，為了加快運(yùn)算速度，可以適當(dāng)提高dynaform 運(yùn)算器的內(nèi)存值。圖3. 19 analysis的參數(shù)設(shè)置（圖 3. 19d）o(a)成形等值線圖(b)成形矢量圖本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第20頁 共44頁 3. 3. 9后處理在仿真結(jié)朿后，可以進(jìn)入dynaform的postprocess的后處理環(huán)境，進(jìn)行一系列后處理。(1) 等值線

34、對單元應(yīng)力和相關(guān)的結(jié)果等進(jìn)行顯示。在同一等值線上是以同一顏色顯示的，相應(yīng)的 等值線值在圖形窗口右邊的顏色柱顯示(圖3. 20a)。(2) 矢量圖標(biāo)將結(jié)果以矢量形式顯示(圖3. 20b),能夠?qū)Σ牧系牧鲃有赃M(jìn)行顯示。(3) 成形極限圖用來評價板料的可成形性(安全和失效區(qū)域)。圖屮每一點的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)代表每一 單元的最大和最小應(yīng)變，基丁零件的可成形性分析將fld圖(forming limit diagram)(圖 3. 19c)劃分為7個區(qū)域，crack斷裂區(qū)域、risk of crack斷裂危險區(qū)域、safe安 全區(qū)域、wrinkle tendency 起皺趨勢、warinkle 起皺、sev

35、ere wainkle 嚴(yán)重 起皺、insufficient stretch不充分拉深，毎個區(qū)域用不同的顏色表示。(4) 厚度用來模擬坯料在成形中的厚度等值線變化，以評估沖壓質(zhì)量。數(shù)值的讀取，根據(jù)所要 的點顏色到圖形右邊的顏色柱找到對應(yīng)顏色，所顯示的數(shù)值即為所求的。其中單位為mmmjusnv.11wm/hni刃加”/zuwtiv10»wu.40w/cmacm(c)成形fld圖4sz2419.72m8i4.m66752q.sbb6o61/wo1ii ii(d)成形厚度變化圖圖3.20后處理分析3,4本章小結(jié)木章簡要闡述了有限元基木理論，論述了以有限元分析為基礎(chǔ)的dynaform軟件的特

36、 點，建立了基于dynaform的矩形件有限元模型。4矩形件拉深成形的模擬分析矩形件是薄板金屬沖壓中較難成形的一類零件，并且在其成形過程中的變形特點具有 一定的典型意義，因此很冇必要對其進(jìn)行數(shù)值模擬。在矩形件拉深成形過程屮，板材不同 部位的受力狀態(tài)、變形方式以及變形性質(zhì)存在較大羌異，材料的性能參數(shù)、模具幾何參數(shù) 和壓邊力等因索，都影響著矩形件的成形規(guī)律和拉深性能。本章應(yīng)用dynaform冇限元軟 件，采用動力顯式算法模擬了矩形件拉深成形過程。對其討論的順序是根據(jù)各因素對矩形水榊沖壓成形影響大小來安排的。先確定分塊壓 邊圈的分塊方式，然后討論其它影響因素。在影響矩形水槽沖壓成形因素中模具參數(shù)和壓

37、 邊力對其影響相對較大，故先討論相對次要因素如沖壓速度，確定較佳的沖壓速度，然后 討論模具參數(shù)，選擇較佳的凹模圓角半徑和凹模轉(zhuǎn)角半徑，因為在仿真試驗中，矩形水槽 的沖壓使用了分塊壓邊圈，壓邊力對矩形水槽沖壓成形的影響最大，故最后討論。4.1壓邊圈方式對成形的影響壓邊圈會對板料所受的壓邊力冇影響，導(dǎo)致對成形效果造成影響。整塊壓邊圈時的最 大破裂危險處為厚板凸模側(cè)壁圓角，而分塊用邊圈吋的最大破裂危險處為薄板凸模側(cè)壁圓 角，即分塊壓邊圈能夠提高變截面板厚板的成形性能,但能保證薄板凸模側(cè)壁圓角不發(fā)牛 破裂。所以耍對壓邊圈方式進(jìn)行研究，尋找更好的壓邊圈方式，試驗方案如下：表4. 1壓邊圈方式整塊壓邊圈不

38、分塊如圖4.1(a)分塊壓邊圈方式1分塊壓邊圈方式2在矩形件邊緣分塊4.1 (b)在矩形件邊緣以內(nèi)分塊4.1 (c)破裂傾向嚴(yán)重起皺tufott(c)分塊壓邊圈方式2圖4.1不同分塊方式成形極限圖結(jié)果分析如下：經(jīng)過一系列嘗試仿真試驗得出，當(dāng)使用整塊壓邊圈時候，起皺現(xiàn)象嚴(yán)重，當(dāng)屮間沖壓 部分為充分拉深；當(dāng)使用分塊壓邊圈方式1時，起皺基木沒有改善，但是中間沖壓部分依 舊未能充分拉深，而且邊緣地區(qū)開始破裂；當(dāng)使用分塊壓邊圈方式2時，起皺明顯減少, 屮間能得到充分拉深，達(dá)到預(yù)期的效果。所以以后仿真試驗均使用分塊壓邊圈方式2。4.2凸模沖壓速度對成形的影響拉深速度會對板料的壓邊力冇影響，拉深速度大口j以

39、減小起皺現(xiàn)象。所以要對拉深速 度進(jìn)行研究，試驗方案如下：(1) 凸、凹模的間隙為it, fi模圓角半徑為12mm,轉(zhuǎn)角半徑為15mm；(2) 材料dqsk,板厚為1.2mm；(3) 拉深深度為50mm,壓邊力y1二30心、y2二1200心。根據(jù)上述的參數(shù)設(shè)定在dynaform中進(jìn)行分析，分別采用不同的沖壓速度進(jìn)行模擬， 模擬試驗結(jié)果如表4. 2,試驗結(jié)果變化如圖4. 2-4. 5：表4.2不同拉深速度下的拉深模擬數(shù)據(jù)拉深速度mni/s10002000300040005000最人變薄率19.3320.5120.8821.1221.29最人變厚率14.1014.7714.9114.9014.89最

40、大正應(yīng)變0.4780.4740.4730.4730.473最人負(fù)應(yīng)變-0.461-0.454-0.452-0.452-0.451最大正應(yīng)力pa371.186368.366369.348360.990361.500最人負(fù)應(yīng)力pa-350.779-342.125-347.574-339.670-347.380成形效果較好好較好破裂傾向破裂傾向2520504 _ +最大孌蒲率 最大變厚率j111 000200030004000s300圖4.2不同沖壓速度下的厚薄變化+聶大正應(yīng)孌 亠最大負(fù)應(yīng)變拉深速度(mn/s)圖4.3不同沖壓速度下的應(yīng)變變化拉深詢(mm/s)亠最大正應(yīng)力 最人員應(yīng)力00000000

41、000000000005 4 3空買處；-4圖4.4不同沖壓速度下的應(yīng)力變化！=-(a)速度 1000mm/s(b)速度 2000mm/snw(c) 速度 3000mm/s破裂傾向(d) 速度 4000mnvs破裂傾向ttafotcicnq=immi(e) 速度 5000mm/s圖4. 5不同沖壓速度下的成形極限圖結(jié)果分析如下：(1) 上圖可以看出拉深速度在1000mm/s-3()()()mm/s的拉深速度中的成形區(qū)域都 比較穩(wěn)定，法蘭區(qū)域的變化不同，主要區(qū)別是在成形區(qū)域上，安全的成形區(qū)域隨著速 度的增大而增加，凸緣圓角處的起皺減少。在4000mm/s和5000mm/s吋候，有破裂 傾向。(2

42、) 從拉深厚薄的曲線可以看到，在5000mm/s附近出現(xiàn)了最大變薄率最小的點, 而變厚率幾乎沒有多大的變化，這說明在拉深速度較小的時候，由于材料流進(jìn)凹模成 形區(qū)的速度較小，同時較小的速度也增加了流動的阻力，從而導(dǎo)致了在低速時也容易 拉裂的。而速度過大，在法蘭區(qū)的材料來不及補(bǔ)充，同吋直壁的承載能力也會變差, 所以高速拉深時也會出現(xiàn)拉裂的現(xiàn)象。(3) 如圖4.3和圖4.4,從應(yīng)變和應(yīng)力的變化看，拉深速度變化并沒冇引起它們 的太大變化，但是應(yīng)變和應(yīng)力的大小明顯地大于前面因素的影響，說明拉深速度會引 起較人的應(yīng)變和應(yīng)力。通過上面的分析可以看到，拉深的速度不宜過低或者過高，合適的拉深速度不但 可以減少凸

43、模圓角處的起皺，而且對于拉深的成形效果也很好?？梢钥吹?，拉深的合 適速度應(yīng)該在1000mm/s3000mni/s。4.3凹模圓角半徑對成形的影響凹模圓角部分是凸緣和矩形水榊內(nèi)壁部分的過渡區(qū)，材料比較復(fù)雜，徑向收拉應(yīng)力, 切向收壓應(yīng)力。凹模圓角處是減小板料的摩擦阻力和彎曲變形阻力，冇利于板料流動，容 易使板料成形。所以研究凹模圓角半徑對成形的影響，試驗方案如下：(1) 凸凹模間隙為it,板厚為1.2mm,轉(zhuǎn)角半徑為15mm；(2) 材料為dqsk；（3）沖程 50mm,壓邊力 y1 二30kn、y2=1200kn,速度 2000mm/so根據(jù)上述的參數(shù)設(shè)定在dynafonn屮進(jìn)行分析，分別釆用不

44、同的凹模圓角進(jìn)行模擬, 模擬試驗結(jié)果如表4. 3,試驗結(jié)果變化如圖4. 6-4. 9：表4.3不同凹模圓角下的拉深模擬數(shù)據(jù)凹模圓角mm10121415最大變薄率36.0120. 5113. 74715. 05最人變厚率9. 4514. 7715. 30714. 56最大正應(yīng)變0.4870. 4740. 4770. 452最大負(fù)應(yīng)變-0. 380-0. 454-0. 475-0. 462最人正應(yīng)力pa373. 70036& 366340. 830365. 030最大負(fù)應(yīng)力pa-345.656-342. 135-352. 582-353. 078成形效果破裂好未充分拉深未充分拉深1214凹

45、模圓角伽）+最人變薄率%-最人變厚率%150505050504 3 3 1圖4.6不同i叫模圓角半徑下的拉深厚薄變化凹模圓角（皿）亠最大正應(yīng)變 最人負(fù)應(yīng)變圖4.7不同凹模圓角半徑卜的應(yīng)變變化-200-300-400門模圓角(imn)亠最大正應(yīng)力 最人負(fù)應(yīng)力?8iuw(d)圓角半徑15mmo o o o rd 4.uo o o o o o o不同凹模圓角半徑下的應(yīng)力變化圖4.9(b)員|角半徑12mm為充分拉深不同凹模圓角半徑下的成形極限圖結(jié)果分析如下：(1)根據(jù)表4. 3不同凹模|員|角半徑卜拉深數(shù)據(jù)和圖4. 9不同凹模圓角半徑下的成形 極限圖，凹模圓角半徑為12nm)的成形較好，未出現(xiàn)拉裂的

46、情況。而圓角半徑為lonrni時， 出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象，但是在圓角半徑為14mni和15mni吋候，出現(xiàn)為充分拉深情況。從起皺方 面，各凹模圓角半徑下的起皺情況大致相同。（2）從拉深的厚薄變化圖可見，當(dāng)凹模圓角半徑越小，板料的變薄越嚴(yán)重，主要的 變薄區(qū)分布在底面圓角的周圍，造成圓角處的拉裂。凹模圓角半徑對應(yīng)力和應(yīng)變的影響并 不明顯。由上述分析可以知道，凹模圓角不能過小，當(dāng)凹模圓角半徑過小時，拉仲毛壞的直壁 部分與底部過渡區(qū)的彎曲變形加大，使危險斷面的強(qiáng)度受到削弱，毛坯側(cè)壁傳力區(qū)的拉應(yīng) 力相應(yīng)增大，板料的變形阻力增加，從而引起總的拉伸力增加、成形件出現(xiàn)破裂。當(dāng)凹模 圓角半徑過大增大流動性吋造成形件的

47、不充分拉深。所以選取圓角半徑為12mm。4.4凹模直壁轉(zhuǎn)角半徑對成形的影響凹模轉(zhuǎn)角部分位于筒壁部分，轉(zhuǎn)角可以減小筒壁內(nèi)的摩擦和加大板料的流動性，有利 于板料的成形，所以研究凹模圓角半徑對成形的影響，試驗方案如下：（1）凸凹模間隙為it,板厚為12mm,凹模圓角半徑為12inin；（2）材料為的dqsk；（3）沖程 50mm,壓邊力 y1 二30kn、y2二 1200kn,速度 2000mm/so根據(jù)上述的參數(shù)設(shè)定在dynafonn屮進(jìn)行分析，分別釆用不同的沖壓速度進(jìn)行模擬， 模擬試驗結(jié)果如表4.4,試驗結(jié)果變化如圖4.10413。表4.4不同轉(zhuǎn)角下的拉深模擬數(shù)據(jù)凹模轉(zhuǎn)角mm10121518最人

48、變薄率%20. 17220. 2020.5119. 15最大變厚率%15. 0214. 7314. 7713. 96最大正應(yīng)變0. 4540. 4520. 4740.483最大負(fù)應(yīng)變-0. 490-0. 475-0. 454-0. 447最人正應(yīng)力pa331.974334. 70636& 366335. 677最人負(fù)應(yīng)力pa-346. 572-350.206-342. 135-34& 734成形效果起皺、耒充分拉深未充分拉深較好未充分拉深凹模轉(zhuǎn)角伽）+最大變蒲率%7最大變厚率«圖4.10不同凹模轉(zhuǎn)角半徑下的拉深厚薄變化凹模轉(zhuǎn)角（皿）y-最大正應(yīng)變 亠最犬負(fù)應(yīng)變圖4.

49、11不同凹模轉(zhuǎn)角半徑下的應(yīng)變變化c c-u ol- a-j +最大正應(yīng)力pa 亠最大負(fù)應(yīng)力pnu/l.-ixl12 15 is圖4. 12不同凹模轉(zhuǎn)角半徑下的應(yīng)力變化(a)轉(zhuǎn)角半徑10mm未充分拉深轉(zhuǎn)角半徑12mm(c)轉(zhuǎn)角半徑15mm(d)轉(zhuǎn)角半徑18mm圖 4.13不同凹模轉(zhuǎn)角半徑卜的成形極限圖結(jié)果分析如下：(1) 凹模轉(zhuǎn)角半徑在lomni出現(xiàn)輕微起皺的情況，起皺的區(qū)域發(fā)生在表面的闘角和直 壁轉(zhuǎn)角處，隨著轉(zhuǎn)角的變大，起皺情況減弱。但是，轉(zhuǎn)角的大小對于減小起皺并不明顯。(2) 從厚薄圖看，在較小轉(zhuǎn)角吋出現(xiàn)較大的變薄和變厚現(xiàn)象，這是由于轉(zhuǎn)角處過小 阻礙了材料向凹模的流入，造成在轉(zhuǎn)角處，法蘭區(qū)起

50、皺嚴(yán)重，而成形區(qū)直壁拉裂的情況。 而應(yīng)力很應(yīng)變在轉(zhuǎn)角增大大一定程度后趨于穩(wěn)定，所以對于兩者影響不大。根據(jù)上述可知，轉(zhuǎn)角半徑不能過小，而其大小應(yīng)該和凹模的i員i角半徑相近，所以選凹 模轉(zhuǎn)角半徑為15mm。4.5壓邊力對成形的影響為了防止板料直接進(jìn)入凹模，必須加有壓邊力。為了防止起皺，在凸緣部分采用壓邊 圈，加壓邊圈后，材料邊沿部分流動性穩(wěn)定，不容易起皺。由于在相同壓邊力下，為了使 矩形水槽不破裂，矩形水槽屮間部分沒有完成拉深成形。所以在此使用分塊壓邊圈，使矩 形水榊中間和兩端得到不同的壓邊力。試驗方案如下：(1) 凸凹模間隙為it,凹模圓角半桎為12mm,板厚1.2mm,轉(zhuǎn)角半輕為15mm；(2

51、) 材料為的dqsk；(3) 沖程 50mm,速度為 2000mm/s。根據(jù)上述的參數(shù)設(shè)定在dynaform +進(jìn)行分析，分別采用不同的壓邊力進(jìn)行模擬，模擬試驗結(jié)果如表4. 5和表4. 6,試驗變化如圖4. 14-4. 21。表4.5不同壓邊力y1下的拉深模擬數(shù)據(jù)壓邊力y1kn10305070壓邊力y2kn1200最人變薄率%18.44最人變厚率%15. 70最人正應(yīng)變0. 478最人負(fù)應(yīng)變-0. 475最大正應(yīng)力pa369. 247最人負(fù)應(yīng)力pa-34& 589成形效果稍皺12001200120020. 5122.2124. 8014. 7713. 8612.410. 4740. 4

52、750. 470-0. 454-0. 440-0. 428368. 367363.915363. 453-342.135-337. 758-343.376好破裂傾 b"破裂傾向+最大變薛% 十最大變，薛3(2e刃5070壓邊力(kn)圖4. 14不同壓邊力y1下的厚薄變化+最大正應(yīng)變-最大負(fù)應(yīng)變壓邊力(kn)圖4. 15不同壓邊力y1下的應(yīng)變變化亠最大正應(yīng)力p8-最大負(fù)應(yīng)力旳o o o o o o oo o o o o ok圖-2-3-4圖4. 16不同壓邊力y1下的應(yīng)力變化tutor破裂傾向(c)壓邊力 y1 二50kn(d)壓邊力 y1 二70kn圖4. 17不同壓邊力y1下的極限應(yīng)力圖+最大變薄率7最大變厚率壓邊力(kn)表4. 6不同壓邊力y2下的拉深模擬數(shù)據(jù)壓邊力y1kn30303030壓邊力y2kn1000120015001700最大變薄率%19. 6520. 5122. 1131