U形件拉彎成形及影響回彈因素的模擬分析

1、中國汽車工程學會2003 學術年會 SAE-C2003M135 形件拉彎成形及影響回彈因素的模擬分析 陳鑫韓英淳于雪 吉林大學汽車工程學院一汽大眾汽車有限公司 摘要 針對形件拉彎成形時容易產(chǎn)生回彈的問題，采用有限元法對其拉彎成形過程進行了模擬，并分析 了影響回彈的各因素。本文對有效控制形件拉彎時的回彈與指導模具設計具有一定的參考意義。 關鍵詞：形件拉彎回彈模擬分析 Simulation Analysis of -draw Bending Forming and Influencing Factors of Springback Chen Xin, Han Yingchun, Yu Xue Ji

2、lin University, FAW-Volksvagen Abstract For the question of springback of -draw bending forming components, the process of forming was simulated by FEM, and the influencing factors of springback were analyzed. The paper is significant to control effectively the springback of -draw bending forming co

3、mponents and design the dies. Key words: -draw Bending Springback Simulation Analysis 1 前言 形件或U 形截面的結構件廣泛用于汽車工業(yè)中，此類構件通常是在常溫下通過模具彎曲板料來成 形的，尤其是形件需要拉彎成形?；貜検窃擃惲慵澢尚闻c模具設計時需要考慮的主要問題1。因此 研究影響形件拉彎成形時回彈的因素，具有重要的實用意義。通常采用三種方法研究板料彎曲的回彈， 即解析法1-3 ，實驗研究法4-6 ，數(shù)值模擬法7-9。由于板料沖壓成形時的回彈是較復雜的問題，目前理論解 析尚不完善。因此，采用有限元法對彎曲成

4、形過程進行仿真分析，并能對回彈進行預報，是最行之有效的 方法。 2 研究對象與目標選擇 2.1 研究對象 采用動顯式有限元法模擬分析帶法蘭的形件的拉彎成形（圖1）過程，并分析影響拉彎成形回彈的 主要因素。 2.2 影響回彈因素的選定 根據(jù)形件拉彎成形的特點，確定下列影響回彈的因素為研究分析目標 ： 1）凸、凹模間的工作間隙對回彈的影響 ； 2）模具成形圓角半徑對回彈的影響 ； 3）沖壓材料特性對回彈的影響 ； 4）壓料力及緩沖力對回彈的影響 。 SAE-C2003M135 中國汽車工程學會2003 學術年會 圖1 形件拉彎過程簡圖 根據(jù)形件彎曲時回彈的特點，選用如圖2 所示的兩個特征角q1 和

5、q2 來定量地評價回彈量，其中， q1 是工件平底面與側(cè)壁間的夾角；q2 是工件直法蘭與側(cè)壁間的夾角。 2 1 圖2 表征拉延回彈的特征角q1 和q2 3 有限元法模型與模擬條件 3.1 有限元法模型及基本方程 采用DYNAFORM 與LSDYNA3D 軟件來分析。用圖1 所示的剛塑性模型進行形件拉彎成形過 程的模擬。由于對稱性，故僅取一半作為有限元法分析模型。假設模具是剛體，板料是各向 同性的彈塑性 材料，并且在塑性變形時其應力應變間的關系滿足下述指數(shù)方程： s y = K(e 0 + e p n （1）. 式中e0 是彈性應變分量，e p 是當量塑性應變；n 為硬化指數(shù)；K 為與材料性質(zhì)有

6、關的常數(shù)。n 值和K 值系由實驗得出。 用于模擬分析的材料性能參數(shù)見表1，為拉伸試驗值10。 中國汽車工程學會2003 學術年會 SAE-C2003M135 表1 用于模擬分析的材料性能參數(shù) 材料 彈性模量E （GPa） 應變硬化指數(shù)n 硬化系數(shù)K (MPa 泊松比 屈服強度s (MPa 抗拉強度b (MPa 板厚向異性指數(shù)R 延伸率（） 普通鋼板210 0.207 312 0.3 172 290 1.6 30 高強度鋼板200 0.227 536.5 0.3 180 312 1.5 38 鋁合金70 0.238 53 0.3 168 298 0.6 26 3.2 變形條件的簡化 由于拉彎的板

7、料的相對厚度Bt >3，故可視形件的拉彎為寬板彎曲。寬板彎曲時其應變狀態(tài)是平 面應變狀態(tài)，變形區(qū)的應力狀態(tài)則是立體的三向應力狀態(tài)。為此，可做如下假設： 1） 塑性彎曲后，彎曲區(qū)的橫截面仍保持平面； 2） 板料寬度方向的變形忽略不計； 3） 彎曲變形區(qū)的等效應力s 與等效應變間的變化關系與單向拉伸時的應力應變關系一樣，并且有下 列關系11 ： s = Ke n （2） 3.3 邊界接觸摩擦條件 根據(jù)板料與模具的切向運動情況，接觸摩擦條件按庫侖摩擦模型，并且取靜摩擦系數(shù)為0.1，動摩擦 系數(shù)為0.06。 3.4 拉彎成形模型的選擇與描述 將形件彎曲的成形過程抽象成如圖1 所示的力學過程，它包

8、括四種特征不同的運動體。成形時壓 料板先壓住板料，之后凸模下行將板料壓進凹模，至沖床下死點時完成拉彎成形。具體的成形模具與板料 見圖3。上述四個運動體，僅有板料是彈塑性變形體，其余均為剛體。 圖中取凹模寬度尺寸為100mm，凸模寬度為1002C（C 表示凸凹模的單面工作間隙），C 值為1.1t ， 1.2t 及1.3t ，三個不同值（t 為板料厚度）。凸模的圓角半徑Rp 10mm，凹模的圓角半徑Rd 10mm。凸 模的工作行程為40mm，虛擬的沖壓速度為5 ms ，板料的長度尺寸為240mm，壓料力Fb 分別為30kN， 50kN 及60kN。 圖3 形件的拉彎成形模具與板料 3.5 有限元網(wǎng)

9、格的劃分 為了兼顧節(jié)省時間與保證計算模擬的精度，對凸、凹模的網(wǎng)格劃分尺寸采用5mm×5mm，而對板料來 說，可以劃分較大的網(wǎng)格20mm×20mm，如圖4 所示。 在分析時可以運用自適應網(wǎng)格劃分方法，當超過一定的誤差范圍時，網(wǎng)格會自動重新劃分使網(wǎng)格細化。 SAE-C2003M135 中國汽車工程學會2003 學術年會 圖4 劃分網(wǎng)格后的凸模、壓料板、凹模與板料的模型 3.6 仿真模擬具體條件 選用100AKDQ 優(yōu)質(zhì)拉深鋼板（其性能參 數(shù)見表2）作為板料。所進行的仿真模擬分析都是依據(jù)這些 參數(shù)進行的。另外，為了進行比較，還對高強度鋼板與鋁合金的拉彎成形與彈性進行模擬分析。 表

10、2 100AKDQ 鋼板的部分性能參數(shù)（20 ） 材料 彈性模量E （GPa）. 應變硬化指數(shù) n 硬化系數(shù)K (MPa 泊松比 板厚向異性指數(shù) R 板厚t (mm 100AKDQ 200 0.227 536.5 0.3 1.5 1.0 在仿真分析中，對于本分析中對成形影響不大的參數(shù)都選用默認值，同時還要做如下假設與簡化： 1 材料為各向異性材料12 ； 2 溫度對過程的影響忽略不計 ； 3 整個成形過程中的摩擦系數(shù)恒定 ； 4 接觸算法為罰函數(shù)法 。 4 影響形件拉彎成形回彈的因素 回彈是彎曲成形時常出現(xiàn)的現(xiàn)象，回彈會導致彎曲件的圓角半徑和彎曲角與模具形狀產(chǎn)生差異而影響 彎曲成形件的質(zhì)量。如

11、何減小和控制板料彎曲的回彈數(shù)值，一直是研究分析彎曲工藝過程與制定沖壓彎曲 工藝的重要內(nèi)容。目前常用彎曲件的曲率變化量DK 與角度變化量Dq 來計算彎曲的回彈值11；. DK = 3K ( t n-1 （3） E(n + 2r02r0 Dq = K 3( t n-1 ×q （4） E (n + 2 2r0 式中r0 卸載前彎曲件中性層的半徑； q 彎曲角； q E, n , K 意義見表1 。 由上兩式便可知影響彎曲回彈的主要因素 。 4.1 影響回彈模擬計算精度的因素 中國汽車工程學會2003 學術年會 SAE-C2003M135 (1 單元類型及尺寸的影響 基于寬板拉彎為平面應變的

12、假設，取板殼單元并認為板料在變形前垂直于中性層的材料纖維在變形過 程保持直線形狀。 為保證模擬精度，取流過模具圓角處的單元尺寸為模具圓角半徑的1/21/3。 (2 本構關系的影響 由于彎曲成形過程中，材料在流經(jīng)模具圓角時要經(jīng)歷較劇烈的彎曲與反彎曲變形，并引起強化現(xiàn)象。 因此采用文獻13隨動強化模型，這樣模擬的回彈結果與實驗結果最接近。 (3 有限元算法的影響 用DYNAFORM 軟件模擬成形過程用的是動態(tài)顯式算法，而對回彈的模擬用的是靜態(tài)隱式算法。既能 保證精度，又能節(jié)約計算時間。 4.2 影響回彈大小的主要因素 當有限元模擬的有關理論參數(shù)如單元類型、單元大小、接觸條件與摩擦法則等確定后，回彈

13、的大小主 要受如下物理參數(shù)的影響。這些參數(shù)包括：材料特性，壓料力，摩擦系數(shù)，凸模與凹模的工藝間隙等。 (1 材料類型與特性的影響 在壓料力，摩擦系數(shù)，凸、凹模的間隙等參數(shù)相同的情況，鋁合金材料拉彎后的回彈值遠遠高出高強 度鋼板和普通鋼板。這是因為鋁合金的彈性模量E 比鋼材的E 值低得多的原因。模擬分析結果（表3 中所 列值 ）與公式（3）、（4）的結論一致?？梢姴牧项愋蛯澢貜椫档挠绊戄^大。 影響回彈值的材料性能參數(shù)還有應變硬化指數(shù)n 值、硬化系數(shù)K 值及板厚向異性指數(shù)R 值。下邊分別 闡述這些性能參數(shù)對回彈值的影響： n 值與沖壓成形性能關系十分密切，一般認為n 值大不僅能提高板料的局部應

14、變能力，而且能使應變 分布趨于均勻化，從而提高板料成形時的總體成形極限。同時由公式（3）、（4）可知，n 值大會導致彎 曲回彈值的減小。同時n 值大板料抗破裂性強。 K 值是硬化系數(shù)，它通過單向拉伸試驗測得。顯然材料的K 值越大，彎曲回彈值成比例增大。 R 值稱為板料的塑性厚向異性指數(shù)，它反映板厚方向和板料平面方向之間的塑性差異。R 值也與板料 的沖壓成形性能關系密切。R 值大，板料平面方向比板厚方向容易變形，故有利于拉彎成形。 綜上所述，材料的類型與部分物理參數(shù)對于拉彎回彈的影響是：E 值小的材料回彈大；K 值大的材 料回彈值大；n 值大的材料回彈值較小，R 值大的材料能抑制回彈，回彈值較小

15、。圖5 是用表1 所列的材 料采用不同相對凹模圓角半徑進行拉彎試驗得出的材料特性對回彈影響的關系圖。 圖5 不同材料用不同相對凹模圓角半徑拉彎時的回彈情況 (2 材料類型與特性的影響 通過模擬分析和固定模具工藝間隙值（C = 1.2t ）的拉彎試驗均表明，在一定的范圍內(nèi)增大壓料力有 利于拉彎成形，并且隨著壓料力的增加回彈值會減?。▓D6）。 (3 凸、凹模工藝間隙C 的影響 SAE-C2003M135 中國汽車工程學會2003 學術年會 在材料、壓料力、摩擦系數(shù)均一定的情況下，采用間隙C = 1.1t，. C = 1.2t，. C = 1.3t 三種情況對成 形與回彈進行模擬分析。隨著間隙增大，

16、成形件的回彈角也逐漸增大。這是由于間隙小時在法蘭圓角處產(chǎn) 生了大的應變，卸載時會有較大的彈性能量釋放所致。 (4 摩擦系數(shù)的影響 摩擦系數(shù)對回彈模擬來說是一個重要的參數(shù)，模擬分析說明，隨著摩擦系數(shù)的增大，回彈有增大的趨 勢。 為了更清晰地了解不同參數(shù)對拉彎回彈角度地影響，特分別將參數(shù)歸類，列表表示取不同材料彎曲時 的回彈角的絕對偏差，見表3。 圖6 壓料力對拉彎回彈角的影響 表3 不同材料在取不同參數(shù)時拉彎的回彈角絕對值 項目1-90°. 2-90°. 壓料力(N 30000 2.45 0.62 40000 2.7 0.44 50000 3.1 0.27 60000 3.8

17、2 1.39 凸、凹模間隙(mm 1.1 2.05 0.73 1.2 2.7 0.44 1.3 4.04 0.09 摩擦系數(shù) 0.01 0.67 1.14 0.1 2.7 0.44 0.2 4.48 0.66 材料 普通鋼板1.21 0.35 高強度鋼板2.7 0.44 鋁合金8.04 2.14 5 結論 形截面結構件的成形屬 于使用壓料板的拉彎成形，其成形工藝過程與回彈不同于常見的自由彎曲。 本文應用基于剛塑性有限元的DYNAFORM，LS-DYNA3D 軟件，采用動態(tài)顯示與靜態(tài)顯示法分別仿真分 中國汽車工程學會2003 學術年會 SAE-C2003M135 析了拉彎成形過程和回彈，探討了材

18、料特性參數(shù)和主要工藝參數(shù)對拉彎回彈值的影響。本研究工作對于設 計汽車用形結構件的成形工藝及控制回彈都具有一定的參考價值和實用意義。 參考文獻 1 Johnson, W. etal, Springback after the biaxial elastic -plastic pure bending of rectangular plate-I, Int. J. Mech. Sci., 23-10(1981, 619630. 2 Johnson, W. etal, On springback afeter the pure bending of beams and plates of elast

19、ic work-handing materials , ibid., 23-11(1981, 687685 3 Johnson, W. etal, On the range of applicability of results for the springback of an elastic/perfectly plastic rectangular plate after subjecting it to biaxial pure bending-, ibid., 23-10(1981,631637 4 R. Stevenson, Springhack in simple axisymme

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