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1、板成形回彈過程的計算機模擬板成形回彈過程的計算機模擬 板材回彈模擬的意義板材回彈模擬的意義板材成形過程中普遍存在有回彈問題，特別在彎曲和淺拉深板材成形過程中普遍存在有回彈問題，特別在彎曲和淺拉深過程中回彈現象更為嚴重，對零件的尺寸精度和生產效率造過程中回彈現象更為嚴重，對零件的尺寸精度和生產效率造成極大的影響，轎車覆蓋件就是典型的例子。零件的最后回成極大的影響，轎車覆蓋件就是典型的例子。零件的最后回彈形狀是其整個成形歷史的累積效應，而板材成形過程與模彈形狀是其整個成形歷史的累積效應，而板材成形過程與模具幾何形狀、材料特性、摩擦接觸等眾多因素密切相關，所具幾何形狀、材料特性、摩擦接觸等眾多因素密

2、切相關，所以板材成形的回彈問題非常復雜。這類問題必須借助數值模以板材成形的回彈問題非常復雜。這類問題必須借助數值模擬技術，用有限元方法擬技術，用有限元方法(FEM)來解決。來解決。 32)1 (1211EtMRRks式中式中k為曲率變化量，為曲率變化量，R為回彈前中面半徑，為回彈前中面半徑，RS回彈后中回彈后中面半徑，面半徑，E彈性模量，彈性模量，泊松比，泊松比，t回彈前板料厚度，回彈前板料厚度，M回彈回彈前板內彎矩。前板內彎矩。板材回彈的經典計算公式為：板材回彈的經典計算公式為： 從求解算法看，過去對回彈問題多采用與成形問題從求解算法看，過去對回彈問題多采用與成形問題相同的算法，即成形相同的

3、算法，即成形回彈全過程均采用同一算法，回彈全過程均采用同一算法，常用的有動態(tài)顯式算法和靜態(tài)隱式算法。動態(tài)顯式常用的有動態(tài)顯式算法和靜態(tài)隱式算法。動態(tài)顯式算法效率高、穩(wěn)定性好，適于計算各種復雜成形問算法效率高、穩(wěn)定性好，適于計算各種復雜成形問題，但用于回彈計算時效率極低。靜態(tài)隱式算法在題，但用于回彈計算時效率極低。靜態(tài)隱式算法在求解大型成形問題時效率低、收斂性差，但求解回求解大型成形問題時效率低、收斂性差，但求解回彈問題時其效率極高，往往經過一步或數步迭代即彈問題時其效率極高，往往經過一步或數步迭代即可獲得很好的結果?？色@得很好的結果。 板材回彈模擬的求解算法板材回彈模擬的求解算法從求解過程看，

4、回彈問題一般采用兩種求解從求解過程看，回彈問題一般采用兩種求解方法。第一種方法是工具（沖頭、模具）與方法。第一種方法是工具（沖頭、模具）與沖壓方向的逆向移動，并且開始計算直到沒沖壓方向的逆向移動，并且開始計算直到沒有節(jié)點接觸到工具為止。第二種方法是利用有節(jié)點接觸到工具為止。第二種方法是利用節(jié)點力節(jié)點力f f代替幾何接觸工具，代替幾何接觸工具，f f的值等于反作的值等于反作用力，首先針對所有的節(jié)點，再加上邊界條用力，首先針對所有的節(jié)點，再加上邊界條件：件：f f= =f f，最后開始計算直到所有節(jié)點，最后開始計算直到所有節(jié)點的力都消失。這兩種方法計算出來的結果幾的力都消失。這兩種方法計算出來的結

5、果幾乎沒有差別，但它們的計算時間和步長是不乎沒有差別，但它們的計算時間和步長是不同的。由于第一種方法每一步都需要進行接同的。由于第一種方法每一步都需要進行接觸分析，故計算時間和步長較多。觸分析，故計算時間和步長較多。板材回彈模擬精度板材回彈模擬精度 回彈模擬精度與成形過程應力場模擬精度密切相關，回彈模擬精度與成形過程應力場模擬精度密切相關，尤其是流過模具圓角部位材料變形的模擬，一直是板尤其是流過模具圓角部位材料變形的模擬，一直是板材成形數值模擬的重點和難點問題。材成形數值模擬的重點和難點問題。 為了得到滿意的結果，必須精確控制成形過程為了得到滿意的結果，必須精確控制成形過程中的每一個環(huán)節(jié)，以求

6、減少積累誤差，提高應中的每一個環(huán)節(jié)，以求減少積累誤差，提高應力場模擬精度；就回彈模擬過程本身而言，準力場模擬精度；就回彈模擬過程本身而言，準確性和收斂性已成為動態(tài)顯式和靜態(tài)隱式兩種確性和收斂性已成為動態(tài)顯式和靜態(tài)隱式兩種有限元模擬算法難以克服的瓶頸。另外，從有有限元模擬算法難以克服的瓶頸。另外，從有限元理論本質上講，由于基于位移場的有限元限元理論本質上講，由于基于位移場的有限元方法所得到的應力場模擬精度總是比位移場要方法所得到的應力場模擬精度總是比位移場要低，對于依賴應力場模擬精度的回彈問題而言，低，對于依賴應力場模擬精度的回彈問題而言，這是限制其模擬精度提高的一個重要因素這是限制其模擬精度提

7、高的一個重要因素 汽車縱梁成形及回彈過程的模擬汽車縱梁成形及回彈過程的模擬 汽車縱梁在整個汽車結構中占有非常重要的作汽車縱梁在整個汽車結構中占有非常重要的作用，就相當于人的脊椎一樣重要，起著支撐整個用，就相當于人的脊椎一樣重要，起著支撐整個結構的作用，一旦斷了，整個車身就會散架。并結構的作用，一旦斷了，整個車身就會散架。并且一套汽車縱梁成形的模具價值不菲，約為且一套汽車縱梁成形的模具價值不菲，約為60607070萬元，對模具的修改既浪費時間又浪費金錢。萬元，對模具的修改既浪費時間又浪費金錢。因此，對汽車縱梁在成形之前進行計算機模擬是因此，對汽車縱梁在成形之前進行計算機模擬是非常必要的。非常必要

8、的。 一般載貨車的車架都是由左、右兩根縱梁與若一般載貨車的車架都是由左、右兩根縱梁與若干根橫粱經鉚接或焊接成的框架結構。干根橫粱經鉚接或焊接成的框架結構。 汽車縱梁的形狀汽車縱梁的形狀 (a) (b) 整體縱量結構整體縱量結構模擬部分模擬部分汽車縱梁長汽車縱梁長8.16m，形狀突變的區(qū)域集中在，形狀突變的區(qū)域集中在1.5m的范圍內，厚度為的范圍內，厚度為7mm，最窄處的寬度，最窄處的寬度為為142mm，最寬處的寬度為，最寬處的寬度為237mm，高，高75mm，圓角半徑為，圓角半徑為8mm。 由于汽車縱梁對整個車身起支撐和連接的作用，故要求汽車由于汽車縱梁對整個車身起支撐和連接的作用，故要求汽車

9、縱梁具有足夠高的強度。汽車縱梁成形使用的是高強度鋼板縱梁具有足夠高的強度。汽車縱梁成形使用的是高強度鋼板。高強度鋼板的。高強度鋼板的s和和b比低碳鋼板高得多，而比低碳鋼板高得多，而n值和值和r值卻比值卻比較低，因此高強度鋼板的成形性能比低碳鋼板差。高強度鋼較低，因此高強度鋼板的成形性能比低碳鋼板差。高強度鋼板成形時不僅同樣存在起皺和破裂問題，同時由于板成形時不僅同樣存在起皺和破裂問題，同時由于s和和b高高，n值和值和r值低，影響貼模性的面畸變及形狀凍結性問題更加值低，影響貼模性的面畸變及形狀凍結性問題更加突出，因此要保證高強度鋼板的沖壓件質量，不僅要避免開突出，因此要保證高強度鋼板的沖壓件質量

10、，不僅要避免開裂與起皺，更重要的是要保證零件的尺寸和形狀的精度，即裂與起皺，更重要的是要保證零件的尺寸和形狀的精度，即回彈問題。針對貼模性問題，采用如圖所示的模具布局圖，回彈問題。針對貼模性問題，采用如圖所示的模具布局圖，即在凸模的下方加一個支撐頭。即在凸模的下方加一個支撐頭。汽車縱梁沖壓成形模具分布圖汽車縱梁沖壓成形模具分布圖凸模和支撐頭一起向下運動。在模擬中實現起來比較凸模和支撐頭一起向下運動。在模擬中實現起來比較困難，同時也增加了模擬的難度。根據相對運動的原困難，同時也增加了模擬的難度。根據相對運動的原理，將模具整個倒過來，如圖理，將模具整個倒過來，如圖(a)(a)所示，原來的凹模所示，

11、原來的凹模變?yōu)橥鼓?，凸模變?yōu)榘寄＃晤^成為壓邊圈，類似變?yōu)橥鼓?，凸模變?yōu)榘寄＃晤^成為壓邊圈，類似于反向拉伸，這樣處理后就只有凸模運動，能夠減少于反向拉伸，這樣處理后就只有凸模運動，能夠減少計算量。有限元模型如圖計算量。有限元模型如圖(b)(b)所示。所示。(b) (b) 模擬模具、毛坯分布圖模擬模具、毛坯分布圖（b）有限元模型圖有限元模型圖模擬結果與分析模擬結果與分析1.1.確定支撐力確定支撐力由于汽車縱梁的板材較厚，強度較高，需增加支撐力，由于汽車縱梁的板材較厚，強度較高，需增加支撐力，如沒有支撐力或者支撐力太小，底部就會出現拱形，而如沒有支撐力或者支撐力太小，底部就會出現拱形，而不是

12、設計的平直狀，從而達不到成形的要求。當模具確不是設計的平直狀，從而達不到成形的要求。當模具確定后，先根據經驗確定一個初始的支撐力，然后利用計定后，先根據經驗確定一個初始的支撐力，然后利用計算機模擬的方法來確定支撐力的大小。算機模擬的方法來確定支撐力的大小。 可以看出，縱梁的底部出現了弧線狀，而不是設計可以看出，縱梁的底部出現了弧線狀，而不是設計中的平直狀，這是由于使用了高強度鋼板的緣故，中的平直狀，這是由于使用了高強度鋼板的緣故，造成了板材不貼?，F象，故在生產中和模擬中要使造成了板材不貼?，F象，故在生產中和模擬中要使用支撐頭。用支撐頭。無支撐頭成形間形狀無支撐頭成形間形狀不同支撐力作用下縱梁的

13、形狀不同支撐力作用下縱梁的形狀200kN400kN800kN1200kN從從200kN200kN開始，通過不斷增加支撐力來確定縱梁底部不出現弧形時的開始，通過不斷增加支撐力來確定縱梁底部不出現弧形時的支撐力。從圖中可以看出，直到支撐力為支撐力。從圖中可以看出，直到支撐力為1200kN1200kN時，縱梁才離開原來時，縱梁才離開原來的水平位置，而成為平直的底部。故得出縱梁能夠比較好地成形的支的水平位置，而成為平直的底部。故得出縱梁能夠比較好地成形的支撐力為撐力為1200kN1200kN。毛坯形狀及成形情況毛坯形狀及成形情況毛坯形狀的確定也是沖壓成形工藝中需要解決的一個問題。由于板毛坯形狀的確定也

14、是沖壓成形工藝中需要解決的一個問題。由于板材沖壓成形過程中材料的流動情況一般比較復雜，毛坯形狀的確定材沖壓成形過程中材料的流動情況一般比較復雜，毛坯形狀的確定很困難。采用計算機模擬技術，能夠比較準確地掌握一個給定零件很困難。采用計算機模擬技術，能夠比較準確地掌握一個給定零件在沖壓過程中的材料流動的情況，這就為零件毛坯形狀的確定提供在沖壓過程中的材料流動的情況，這就為零件毛坯形狀的確定提供了有力的工具。了有力的工具。 （a) 模擬得到的毛坯圖模擬得到的毛坯圖（b b）成形后的縱梁）成形后的縱梁模擬縱梁成形過程圖模擬縱梁成形過程圖圖中可以發(fā)現從第三個圖開始圖中可以發(fā)現從第三個圖開始產生起皺，然后經

15、歷了長大、產生起皺，然后經歷了長大、減小到消失的過程。這個結果減小到消失的過程。這個結果是與實際情況非常接近是與實際情況非常接近 。(a) (a) 汽車縱梁成形后厚度分布圖汽車縱梁成形后厚度分布圖(b) 毛坯圖毛坯圖從圖（從圖（a)厚度分布中可以看出，汽車縱梁成形厚度分布中可以看出，汽車縱梁成形后厚度沒有發(fā)生大的差異，只在四個轉角處發(fā)后厚度沒有發(fā)生大的差異，只在四個轉角處發(fā)生了明顯的厚度變化。之所以在轉角處發(fā)生明生了明顯的厚度變化。之所以在轉角處發(fā)生明顯的厚度的變化，是由于毛坯的長度大于壓彎顯的厚度的變化，是由于毛坯的長度大于壓彎后翼面的長度，在壓彎過程中，有多余的金屬后翼面的長度，在壓彎過程

16、中，有多余的金屬存在。從毛坯形狀圖（存在。從毛坯形狀圖（b）中可以發(fā)現在四個）中可以發(fā)現在四個轉角轉角A、D、G、J處，多出一個三角形面積材處，多出一個三角形面積材料，這就使得翼面上有多余的金屬存在。這部料，這就使得翼面上有多余的金屬存在。這部分多余材料在成形中，一部分有向橫向斷面展分多余材料在成形中，一部分有向橫向斷面展開的趨勢，一部分有增加板材厚度的趨勢，另開的趨勢，一部分有增加板材厚度的趨勢，另外還有一部分沿著縱向展開的趨勢。在四個三外還有一部分沿著縱向展開的趨勢。在四個三角形的角形的A、D、G、J處頂點厚度變小，而該點處頂點厚度變小，而該點的對邊，即多余材料的邊則增厚。在成形終了的對邊，即多余材料的邊則增厚。在成形終了時，時，LM邊處的厚度最厚，為邊處的厚度最厚，為7.16mm，而，而A點點的厚度最薄，為的厚度最薄，為6.86mm。最厚的地方與最薄。最厚的地方與最薄的地方的厚度相差的地方的厚度相