金屬板料單點(diǎn)增量成形過(guò)程摩擦行為的有限元仿真研究

摘要單點(diǎn)增量成形是一種制造薄壁板料的快速成形方法，它通過(guò)局部逐層動(dòng)態(tài)加載來(lái)加工板件材料。該技術(shù)具有成本低、速度快和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，并能夠制造傳統(tǒng)工藝難以生產(chǎn)的復(fù)雜外形幾何件。采用“分層制造”思想的單點(diǎn)增量成形技術(shù)主要是通過(guò)夾具將板料固定，然后使用圓形工具頭逐層加工板料。在這個(gè)過(guò)程中，摩擦對(duì)金屬的塑性流動(dòng)和變形均勻性、成形力大小和表面質(zhì)量等都會(huì)產(chǎn)生影響。為了研究不同單點(diǎn)增量成形工藝的摩擦行為，有必要研究原材料和工藝參數(shù)之間不同組合得到的摩擦系數(shù)如何影響成形過(guò)程。本文使用有限元仿真軟件ABAQUS研究了單點(diǎn)增量成形中的摩擦行為。主要研究摩擦狀態(tài)對(duì)板料的厚度、板料的位移變化、成形過(guò)程中工具頭的受力變化的影響。結(jié)果表明，選擇適當(dāng)?shù)墓に嚄l件，可以有效地降低成形力和摩擦力。此外，摩擦行為對(duì)成形力、板料變形、等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變都有顯著的影響，選擇合適的工藝參數(shù)能夠得到較好的成形質(zhì)量。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于優(yōu)化單點(diǎn)逐步成形工藝參數(shù)以提高成形質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：?jiǎn)吸c(diǎn)增量；摩擦行為；有限元仿真；ABAQUS

AbstractSingle-pointincrementalformingisamethodofmanufacturingsheetmetalforrapidprototypingthatusespartialdynamicloadingtoprocesssheetmaterialinonestep.Thetechnologyhastheadvantagesoflowcost,speed,non-pollution,andtheabilitytoproducecomplexgeometriesthataredifficulttoproducewithconventionalprocesses."Theideaof"layeredmanufacturing"allowsthesingle-pointincrementalformingtechniquetobeusedmainlybyholdingthesheetinafixtureandthenmachiningthesheetmetalstepbystepwithacirculartoolhead.Inthisprocess,thefrictionalforcesofplasticmetalflowhaveanimpactonformingforcesanddeformationuniformity,dimensionsandsurfacequality.Tostudythefrictionalbehaviorofthesingle-pointincrementalformingprocess,itisnecessarytoinvestigatetheimportantinfluenceofthecombinationbetweenrawmaterialsandprocessparametersonthefrictioncoefficient.ThisarticleusesthefiniteelementsimulationsoftwareABAQUStostudythefrictionbehaviorinsinglepointincrementalforming.Themainresearchfocusesontheinfluenceoffrictionstateonthethicknessofthesheetmetal,thedisplacementchangesofthesheetmetal,andtheforcechangesofthetoolheadduringtheformingprocess.Theresultsindicatethatselectingappropriateprocessconditionscaneffectivelyreducetheformingforceandfrictionforce.Inaddition,frictionbehaviorhasasignificantimpactonformingforce,sheetdeformation,equivalentstress,andequivalentplasticstrain.Choosingappropriateprocessparameterscanachievegoodformingquality.Thesefindingshaveguidingsignificanceforoptimizingsinglepointprogressiveformingprocessparameterstoimproveformingquality.Keyword:Singlepointincrements;Frictionalbehavior;Finiteelementsimulation;ABAQUS

目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 1Abstract 21緒論 51.1研究背景及意義 51.2板料單點(diǎn)增量成形技術(shù)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61.3研究方法及內(nèi)容 71.4本章小結(jié) 82有限元技術(shù) 92.1有限元分析原理 92.2ABAQUS軟件介紹 92.3ABAQUS基本模塊 102.3.1ABAQUS/standard 102.3.2ABAQUS/Explicit 102.3.3ABAQUS其他模塊 102.3.4ABAQUS/Explicit的在本文中的應(yīng)用 112.4本章小結(jié) 113建立單點(diǎn)增量成形有限元仿真模型 133.1幾何模型的建立 133.2材料參數(shù) 143.3分析步 153.4接觸設(shè)置 153.5載荷及運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置 163.6網(wǎng)格劃分 173.7本章小結(jié) 184單點(diǎn)增量成形過(guò)程有限元結(jié)果分析 194.1金屬板單點(diǎn)增量成形過(guò)程中板料的厚度變化 194.2金屬板單點(diǎn)增量成形過(guò)程中板料的位移變化 204.3金屬板單點(diǎn)增量成形過(guò)程中工具頭的受力變化 224.4金屬板單點(diǎn)增量成形過(guò)程中能量變化規(guī)律 234.5本章小結(jié) 245摩擦對(duì)單點(diǎn)增量成形仿真結(jié)果的影響 255.1單點(diǎn)增量成形過(guò)程中摩擦系數(shù)的研究 255.2摩擦對(duì)成形力的影響 265.3摩擦對(duì)板料變形的影響 285.4摩擦對(duì)等效應(yīng)力的影響 295.5摩擦對(duì)等效塑性應(yīng)變的影響 315.6本章小結(jié) 326總結(jié)及展望 356.1總結(jié) 356.2展望 35參考文獻(xiàn) 36致謝 38附錄A英文文獻(xiàn)翻譯 39附錄B仿真云圖 471緒論1.1研究背景及意義隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的進(jìn)一步提升，板料成形技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用比重持續(xù)增加，逐漸扮演著越來(lái)越重要的角色。傳統(tǒng)的板料塑性成形技術(shù)主要依賴沖壓工藝，主要利用模具來(lái)將板料轉(zhuǎn)化為成品。沖壓模具是金屬成形中不可缺少的工具，其生產(chǎn)率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是隨著科學(xué)技術(shù)和制造工藝的不斷提高，以及人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)和各種新技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的加工方式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需求。為了滿足市場(chǎng)的需求，同時(shí)能夠降低成本，提高生產(chǎn)效率，許多薄壁鈑金加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，涉及各行各業(yè)[1]。目前，薄壁板材成形技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)逐漸完善，發(fā)揮的作用越來(lái)越大。根據(jù)傳統(tǒng)的加工方法，薄壁鈑金件的成形主要以沖壓工藝為主，但這種方法具有一定的局限性。由于模具制造具有一定的周期，成本較高此外，該方法的精度也有一定的局限性，只適用于大批量、低精度的產(chǎn)品。為了克服傳統(tǒng)加工方法的局限性，許多新型零件，如精密復(fù)合機(jī)床、數(shù)控車削、成形鈑金薄沖模等已成為當(dāng)前社會(huì)制造業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一部分。這些新型零件可以提高生產(chǎn)效率和成形精度，滿足市場(chǎng)需求[2]。因此，本研究旨在通過(guò)有限元模擬研究單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程中摩擦行為的影響，從而提高薄壁板料成形的精度和效率，降低成本[2]。通過(guò)本研究，將深入理解薄壁板料成形技術(shù)的摩擦行為，探索如何通過(guò)優(yōu)化單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝來(lái)提高金屬板料的成形質(zhì)量和制造效率。作為新穎的塑性成形技術(shù)，單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)是一種利用"分層制造"思想的新型板材成形技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)預(yù)先設(shè)定的成形路線，控制工具頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，逐層成形薄壁板材。板料與工具頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為連續(xù)小區(qū)域的變形累積，最終實(shí)現(xiàn)整體成形。與傳統(tǒng)板材加工方法相比，該技術(shù)具有周期短、成本低、柔性高、局部受力小、設(shè)備摩擦小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)[3]?？蓾M足單件或小批量生產(chǎn)的需求，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。為了獲得所需產(chǎn)品，單點(diǎn)增量成型技術(shù)采用預(yù)設(shè)程序或三維建模技術(shù)使控制工具頭跟隨預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行快速成型。與傳統(tǒng)工藝和模具相比，該技術(shù)降低了新產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本，為小批量產(chǎn)品和高精度要求的新產(chǎn)品的開發(fā)提供了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，該技術(shù)在自動(dòng)化運(yùn)行模式方面極為成熟、成本低、效率高，同時(shí)可加工不同形狀需求的產(chǎn)品[4]。此外，該技術(shù)還可以減少能源消耗和污染。單點(diǎn)增量成形（SPIF）涉及應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)等多個(gè)耦合場(chǎng)，使得金屬的塑性流動(dòng)行為變得更加多樣，從而使成形過(guò)程變得異常復(fù)雜。深入研究成形機(jī)理，探索金屬的流動(dòng)特性，并分析應(yīng)力和應(yīng)變值隨時(shí)間的變化成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用有限元模擬技術(shù)來(lái)研究影響成形過(guò)程的相關(guān)因素以及這些因素與中間變量之間的關(guān)系，而無(wú)需進(jìn)行大量的物理實(shí)驗(yàn)。在SPIF技術(shù)的研究中，有限元仿真技術(shù)可以用于深入研究成形機(jī)理。在單點(diǎn)增量成形過(guò)程中，工具尖端與板料的接觸面不斷滾動(dòng)板料，導(dǎo)致工件發(fā)生塑性變形和摩擦現(xiàn)象。摩擦現(xiàn)象不僅會(huì)影響成形極限，還會(huì)對(duì)成形件的表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，研究單點(diǎn)增量成形過(guò)程中的摩擦現(xiàn)象具有重要意義。通過(guò)有限元仿真技術(shù)，我們可以更好地理解和分析摩擦行為，進(jìn)而改善單點(diǎn)增量成形技術(shù)，提高成形件的質(zhì)量和性能[5]?？偨Y(jié)以上內(nèi)容，本文構(gòu)建了一個(gè)考慮摩擦效應(yīng)的單點(diǎn)增量成形過(guò)程的有限元模型，并利用仿真結(jié)果深入研究了該過(guò)程中的摩擦行為。研究結(jié)果揭示了摩擦系數(shù)對(duì)成形過(guò)程的影響規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)單點(diǎn)增量成形過(guò)程中工藝參數(shù)的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。1.2板料單點(diǎn)增量成形技術(shù)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀作為現(xiàn)代板材成形技術(shù)中的最新且規(guī)模最大的技術(shù)之一，單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及一些簡(jiǎn)單的輔助技術(shù)領(lǐng)域。該技術(shù)利用預(yù)先編制的數(shù)控程序，通過(guò)按照預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸成形板料，從而實(shí)現(xiàn)所需的零件形狀。其工作原理如圖1.1所示，板材在上下夾板的作用下固定，工具頭向下壓緊做螺旋運(yùn)動(dòng)，底部的圓形工具頭隨板材一起壓緊。你最終得到想要的形狀[6]。圖1.1單點(diǎn)增量成形原理示意圖板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)最早是由日本學(xué)者松原茂夫教授提出的，他們還發(fā)現(xiàn)板料的厚度與壓邊力有很大的關(guān)系，薄板和均勻的板料厚度是實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)形狀變形的最基本條件[7]。薄塊體材料因其良好的塑性和韌性而被廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)水平的不斷提高和加工設(shè)備精度要求的不斷提高，產(chǎn)品的復(fù)雜程度也在逐漸增加，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量也在逐漸下降。為了在產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，人們提出了板材單點(diǎn)增量，并得到了廣泛的應(yīng)用[8]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)單點(diǎn)增量成形技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。Malhotra[9]等利用有限元技術(shù)模擬了錐形零件的成形過(guò)程，探究了成形過(guò)程中的"面條效應(yīng)"是如何影響成形極限值的。Klim[10]等人發(fā)現(xiàn)了單點(diǎn)增量成形過(guò)程中的剪切變形規(guī)律，研究了多道成形加工工藝，實(shí)現(xiàn)成形板的均勻厚度分布。Eyckens等人利用ABAQUS/Explicit有限元分析軟件研究了成形過(guò)程中軸向和切向力的變化。結(jié)果顯示，軸向力在成形過(guò)程中起決定性作用。Bouffioux[11]等采用實(shí)體元素對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬，并通過(guò)不同工藝節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)觀察驗(yàn)證和比較了數(shù)值的準(zhǔn)確性和有效性。Silva[12]等研究了單點(diǎn)增量成形過(guò)程中材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為，并進(jìn)行了理論分析。尹長(zhǎng)城[13]等利用LS-DYNA求解器研究了不同刀具直徑對(duì)板材成型的影響，以指導(dǎo)板材加工中實(shí)際刀具頭的選擇。Neto[13]等人使用ABAQUS有限元軟件模擬了單點(diǎn)增量成形過(guò)程，并獲得了成形過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變變化。胡建標(biāo)[15]等人基于ABAQUS軟件，分析了層間距、△半錐角和刀頭對(duì)板材成形的影響。Martins[16]當(dāng)前，金屬板料單點(diǎn)增量成形領(lǐng)域關(guān)于摩擦的相關(guān)研究較少。Azevedo[17]等人通過(guò)研究AA1050鋁板和DP780鋼板的摩擦潤(rùn)滑，初步發(fā)現(xiàn)選擇適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑可以有效提高成形件的表面質(zhì)量和精度，有利于提高成形的表面質(zhì)量。Durante等人采用兩種類型的工具頭對(duì)AA7075鋁合金板料進(jìn)行成形，通過(guò)改變摩擦接觸狀態(tài)研究接觸條件對(duì)成形件表面質(zhì)量、成形力和成形性的影響。孫皓亮等[19]改變工具頭尺寸、層進(jìn)給量等成形參數(shù)以及潤(rùn)滑方式，研究接觸條件對(duì)成形制件表面質(zhì)量的影響。雖然研究者通過(guò)改變板料與工具之間的摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)來(lái)提高成形件的質(zhì)量，但很少有從工藝參數(shù)對(duì)影響的角度進(jìn)行研究。1.3研究方法及內(nèi)容本課題利用ABAQUS有限元軟件建立考慮摩擦的仿真模型，分析過(guò)程中可以得到板料的成形過(guò)程、工具頭在加載過(guò)程中所得到受力的變化、夾具與板料之間的接觸狀態(tài)等情況，進(jìn)一步研究摩擦對(duì)成形過(guò)程成形力、應(yīng)力、應(yīng)變及板料厚度的影響規(guī)律，進(jìn)而分析單點(diǎn)增量成形的摩擦行為。本文內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下：第一章緒論本章的主要目的是研究單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)的重要性，并深入了解國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一領(lǐng)域的研究背景、研究方向、現(xiàn)狀和意義。同時(shí)，我們將介紹本研究所采用的研究?jī)?nèi)容和研究方法，進(jìn)而引出本研究的意義。第二章有限元技術(shù)本章介紹了有限元的形成原理，從理論上對(duì)有限元原理有了初步具體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)學(xué)習(xí)ABAQUS軟件，掌握ABAQUS軟件的分析方法、網(wǎng)格劃分技術(shù)、材料屬性等方法，為后續(xù)金屬板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程中摩擦行為的有限元模擬奠定基礎(chǔ)。第三章單點(diǎn)增量成形過(guò)程摩擦行為的有限元建?；贏BAQUS軟件對(duì)單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程中的摩擦行為進(jìn)行有限元建模。本章主要對(duì)建模過(guò)程中模型的建立、材料屬性的賦予、分析步的選擇、網(wǎng)格類型的選擇以及載荷的施加進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。第四章單點(diǎn)成形過(guò)程有限元結(jié)果分析本章主要分析有限元結(jié)果，成形過(guò)程中能量變化規(guī)律的影響，通過(guò)分析因素，選取合適的網(wǎng)格尺寸，最終分析成形過(guò)程中，板料的厚度，板料的位移變化，成形過(guò)程中工具頭的受力變化等。第五章摩擦對(duì)單點(diǎn)增量成形仿真結(jié)果的影響通過(guò)考慮摩擦的單點(diǎn)漸進(jìn)成形力學(xué)模型得到了不同工況下板料與工具頭之間的摩擦系數(shù)，建立了成形參數(shù)與摩擦系數(shù)的直接關(guān)系。分析了成形力、板料變形、等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變的影響。結(jié)合單點(diǎn)漸進(jìn)成形有限元建模的特點(diǎn)，建立了考慮摩擦狀態(tài)的成形過(guò)程有限元仿真模型，研究了摩擦對(duì)成形過(guò)程的影響。第六章總結(jié)與展望對(duì)本論文研究?jī)?nèi)容總結(jié)，分析不足之處并在此基礎(chǔ)上展望本課題的后續(xù)研究方向。1.4本章小結(jié)本章主要介紹了金屬板料單點(diǎn)增量成形技術(shù)的原理和應(yīng)用，闡述了該技術(shù)在塑性成形領(lǐng)域的應(yīng)用背景，探討了國(guó)內(nèi)外單點(diǎn)增量成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀。表明進(jìn)行金屬單點(diǎn)增量成形的有限元仿真研究，具有重要的指導(dǎo)意義。并且系統(tǒng)地介紹了本文的研究方法和內(nèi)容，為本文的研究工作制定了整體的規(guī)劃。2有限元技術(shù)2.1有限元分析原理有限元法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）是一種數(shù)值分析方法，用于解決連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)和物理問(wèn)題。它將連續(xù)體分割成離散的有限元單元，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行近似描述，將原始問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解代數(shù)方程組的問(wèn)題。在有限元法中，連續(xù)體被劃分為有限的幾何簡(jiǎn)單的單元，如三角形、四邊形或立方體等。每個(gè)單元都有自己的節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部自由度。通過(guò)將單元與相鄰單元連接起來(lái)，形成整個(gè)連續(xù)體的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。有限元法的優(yōu)勢(shì)在于它可以處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，并適用于各種物理現(xiàn)象的建模和分析，如結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)等。它廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，用于設(shè)計(jì)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)分析、材料仿真和預(yù)測(cè)等方面。[20]。金屬板料單點(diǎn)增量成形有限元基本方程：彈塑性力學(xué)對(duì)于求解基本問(wèn)題，需要找到滿足平衡方程、幾何方程、物理方程的應(yīng)力、應(yīng)變值，三維空間下的基本方程如下：平衡方程：在動(dòng)力條件下，運(yùn)動(dòng)方程又被稱為動(dòng)態(tài)平衡方程。它是在靜力平衡方程的基礎(chǔ)上，考慮了慣性力和阻尼力，并將它們作為物體的物理力的一部分進(jìn)行計(jì)算和建立。對(duì)于現(xiàn)實(shí)構(gòu)形，物體單位體積的體力為bσ?guī)缀畏匠蹋?本構(gòu)方程：本文采用顯式動(dòng)力學(xué)進(jìn)行求解，使用大變形動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程，具體本構(gòu)方程見下文材料屬性部分。2.2ABAQUS軟件介紹ABAQUS軟件是一款功能強(qiáng)大的大型商業(yè)有限元軟件，提供了廣泛的求解范圍，它在結(jié)構(gòu)、電磁、熱等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ABAQUS軟件內(nèi)置了豐富的單元和材料屬性庫(kù)，涵蓋了各種類型的材料。它能夠模擬多種工程功能材料，包括金屬、橡膠、混凝土、復(fù)合材料和巖土等。軟件功能主要包括：（1）靜態(tài)應(yīng)力和位移分析：涵蓋線性、材料非線性、幾何非線性、邊界非線性和斷裂分析?？梢阅M材料受力情況下的應(yīng)力分布和變形情況。（2）動(dòng)態(tài)分析和粘性分析：用于響應(yīng)分析粘塑性材料，模擬在動(dòng)態(tài)加載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和變形行為。（3）質(zhì)量擴(kuò)散分析：用于模擬物質(zhì)的傳輸和擴(kuò)散過(guò)程，例如化學(xué)反應(yīng)、滲透和擴(kuò)散現(xiàn)象的模擬與分析。（4）熱分析：包括輻射、對(duì)流和熱傳導(dǎo)分析，用于模擬熱傳輸、溫度分布和熱應(yīng)力等問(wèn)題。（5）耦合分析：用于處理多個(gè)物理場(chǎng)之間的耦合效應(yīng)，例如熱/力耦合分析、熱/電耦合分析、壓/電耦合分析、流體/結(jié)構(gòu)耦合分析等。（6）非線性動(dòng)態(tài)位移和應(yīng)力分析：適用于模擬隨時(shí)間變化的大位移和非線性接觸分析，能夠考慮結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)加載下的非線性響應(yīng)和變形行為。2.3ABAQUS基本模塊2.3.1ABAQUS/standardABAQUS/Standard模塊廣泛求解線性和非線性問(wèn)題，是一個(gè)通用模塊ABAQUS/Standard提供動(dòng)態(tài)載荷的并行稀疏矩陣求解器，能過(guò)實(shí)現(xiàn)多核并行計(jì)算，用于各類分析。ABAQUS/Sandard還提供了并行的求解器，主要用于動(dòng)態(tài)的模態(tài)分析，可以大規(guī)模的提取結(jié)果的模態(tài)特征值[21]2.3.2ABAQUS/ExplicitBAQUS/Explicit是一種用于進(jìn)行顯式動(dòng)態(tài)分析的軟件，適用于準(zhǔn)靜態(tài)和非線性動(dòng)態(tài)分析，并具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在處理時(shí)間相關(guān)的瞬態(tài)分析時(shí)，如沖擊、跌落和爆炸等情況下，ABAQUS/Explicit展現(xiàn)出強(qiáng)大的能力。使用ABAQUS/Explicit，用戶可以模擬和分析復(fù)雜的動(dòng)態(tài)事件，并研究結(jié)構(gòu)在這些事件中的響應(yīng)和變形行為。例如，可以模擬汽車撞擊、建筑物倒塌以及爆炸等情況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。ABAQUS/Explicit的使用還能夠?yàn)楣こ處熖峁┲匾臎Q策支持。通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)事件的模擬和分析，可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并預(yù)測(cè)可能的破壞和失效情況。此外，針對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題，比如沖壓工藝中的金屬成形和單點(diǎn)增量成形過(guò)程，該軟件能夠有效地處理接觸條件的非線性特性，為工程師提供了準(zhǔn)確而可靠的分析工具。ABAQUS/Explicit具備求解域分解的并行計(jì)算能力，可用于處理大規(guī)模的計(jì)算問(wèn)題，通過(guò)求解域分解的并行計(jì)算，ABAQUS/Explicit可以將復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)劃分為多個(gè)子任務(wù)，并在多個(gè)計(jì)算核心上并行處理，從而提高計(jì)算效率和速度。同時(shí)，使用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，ABAQUS/Explicit能夠自動(dòng)調(diào)整模型的網(wǎng)格，在求解過(guò)程中動(dòng)態(tài)地適應(yīng)模型的變形情況。這有效地解決了在大變形問(wèn)題中出現(xiàn)的網(wǎng)格畸變導(dǎo)致求解不收斂的困擾。自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)能夠根據(jù)模型的變形情況，自動(dòng)優(yōu)化網(wǎng)格布局，確保數(shù)值解的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。2.3.3ABAQUS/Explicit的在本文中的應(yīng)用在求解的任意時(shí)刻，求解系統(tǒng)都處于平衡狀態(tài)，所以在任意短的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的各個(gè)參量都有明確的數(shù)值，整個(gè)求解過(guò)程可以相當(dāng)于一系列近似平衡狀態(tài)組成，這就叫做準(zhǔn)靜態(tài)，一般情況下，無(wú)限緩慢的沖壓和膨脹的過(guò)程稱之為準(zhǔn)靜態(tài)，這種狀態(tài)是一種理想化的過(guò)程。顯示動(dòng)力學(xué)ABAQUS/Explicit是動(dòng)態(tài)求解過(guò)程，起初顯示動(dòng)力學(xué)是為了模擬碰撞和沖擊的過(guò)程，其在這些問(wèn)題上有明顯的優(yōu)勢(shì)。在準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題上，ABAQUS/Explicit也已經(jīng)證明具有很大的價(jià)值，ABAQUS/Explicit在求解有些準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題上比ABAQUS/Standard更加具有優(yōu)勢(shì)，由于ABAQUS/Explicit不存在收收斂的問(wèn)題，所以在求解大型復(fù)雜的非線性接觸問(wèn)題上一般采用ABAQUS/Explicit求解器，本文模擬單點(diǎn)增量成形的過(guò)程，單點(diǎn)增量成形過(guò)程可以近似一系列的平衡狀態(tài)，故而采用ABAQUS/Explicit求解器[22]。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了有限元技術(shù)以及ABAQUS軟件，ABAQUS是一種常用的有限元軟件，在單點(diǎn)增量成形過(guò)程中具有廣泛的應(yīng)用。它能夠?qū)?fù)雜的材料行為和結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，提供了對(duì)單點(diǎn)增量成形過(guò)程中的力學(xué)行為、變形特性和應(yīng)力分布等進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的能力。ABAQUS作為一種可靠的有限元軟件，在單點(diǎn)增量成形中的應(yīng)用可以幫助工程師預(yù)測(cè)和優(yōu)化板料的成形過(guò)程，提高生產(chǎn)效率和成形質(zhì)量，并為工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

3建立單點(diǎn)增量成形有限元仿真模型3.1幾何模型的建立為了簡(jiǎn)化建模和計(jì)算過(guò)程，我們采取了一種簡(jiǎn)化方法，將原本相對(duì)復(fù)雜的單點(diǎn)漸進(jìn)成形裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)化。通過(guò)這一簡(jiǎn)化，最終的幾何模型僅由板料、工具頭和上下壓板組成，使得整個(gè)過(guò)程更加易于理解和操作。上、下壓板和工具頭相較于板料來(lái)說(shuō)更為剛性，為了簡(jiǎn)化模型，本研究將上下壓板和工具頭建模為解析剛體。解析剛體不參與計(jì)算，無(wú)需劃分網(wǎng)格和賦予材料屬性，可以大大節(jié)省模型的計(jì)算時(shí)間。上下壓板的解析剛體模型如下圖所示。板料尺寸為140mm×140mm，材料為AL1060。工具頭被簡(jiǎn)化為半球形，半徑為5mm。上、下壓板的內(nèi)徑均為Φ110mm，外徑為Φ140mm。圖3.1壓板模型圖3.2工具頭模型圖3.3板料模型板料本文采用可變性殼體進(jìn)行建模，網(wǎng)格可以減少，減少計(jì)算成本。根據(jù)文獻(xiàn)可知，單點(diǎn)增量成形采用可變性殼體單元建模較為合理，計(jì)算精度相對(duì)于采用三維沒有降低。如圖3.4所示，建模完成，對(duì)模型進(jìn)行裝配，圖3.4模型裝配3.2材料參數(shù)用有限元ABAQUS軟件進(jìn)行分析建模仿真時(shí)，需要給幾何模型確定材料屬性是關(guān)鍵性一步。板料單點(diǎn)增量成形過(guò)程，主要是通過(guò)工具頭軌跡運(yùn)行對(duì)板料的相應(yīng)剪切和拉伸起到的共同作用，由此通過(guò)力學(xué)相關(guān)運(yùn)動(dòng)分析來(lái)得到成形力數(shù)值模擬結(jié)果。本文板料采用的是AL1060材料，其基本材料屬性如表3.1所示表3.1AL1060材料基本屬性表材料屈服強(qiáng)度(MPa)抗拉強(qiáng)度(MPa)密度(Kg/)彈性模量(MPa)泊松比Al10601381452712590000.30通過(guò)拉伸試驗(yàn)?zāi)軌虻玫桨辶螦L1060的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如表3.2所示，提取不同點(diǎn)的應(yīng)力值和應(yīng)變值，得到輸入有限元模型的塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。表3.2材料應(yīng)力應(yīng)應(yīng)力/Mpa應(yīng)變應(yīng)力/Mpa應(yīng)變1601000.12346250.00571180.17944310.011591310.25775440.025071380.34472660.056181440.46396780.078641470.64653830.107281490.799283.3分析步本模型具有較為復(fù)雜的非線性接觸，采用ABAQUS/Explicit求解算法。工具頭每旋轉(zhuǎn)一圈共有三個(gè)運(yùn)動(dòng)步。（1）工具頭進(jìn)行下壓，下壓距離即為層間距；（2）工具頭旋轉(zhuǎn)一圈；（3）工具頭向中心靠近。本文設(shè)置層間距為1mm，工具頭旋轉(zhuǎn)30圈，加上退刀，則總共分析步為91步。3.4接觸設(shè)置在ABAQUS的建模過(guò)程中，確保準(zhǔn)確設(shè)定接觸對(duì)并選擇適當(dāng)?shù)慕佑|形式和接觸算法至關(guān)重要。尤其在單點(diǎn)增量成形過(guò)程中，需要明確定義五個(gè)關(guān)鍵的接觸面和三個(gè)接觸對(duì)。這五個(gè)接觸面包括板料的上表面、下表面，下壓板的上表面，上壓板的下表面以及工具頭的外表面。這些接觸面之間的接觸行為對(duì)于模擬成形過(guò)程中的力傳遞和變形起著重要作用。通過(guò)準(zhǔn)確定義這些接觸面和接觸對(duì)，可以模擬真實(shí)的工程情況，并獲得可靠的仿真結(jié)果。在定義接觸對(duì)時(shí)，需要明確選擇主從面。通常情況下，我們將硬度較高或剛性較高的表面定義為主面，而將其他表面定義為從面。這是因?yàn)橹髅婢哂休^高的剛性，主導(dǎo)著接觸力的傳遞和形變，而從面則相對(duì)較為柔軟，對(duì)主面的形變和壓力響應(yīng)更為敏感。通過(guò)明確主從面的選擇，可以更準(zhǔn)確地模擬接觸過(guò)程中的接觸力分布和應(yīng)力傳遞。此外，在選擇適當(dāng)?shù)慕佑|形式和接觸算法時(shí)也十分重要。不同的接觸形式和算法適用于不同的接觸情況和材料特性。在建模過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇最合適的接觸形式，例如無(wú)窮小接觸、有限接觸、粘著接觸等，并結(jié)合適當(dāng)?shù)慕佑|算法，如節(jié)點(diǎn)到面法、面到面法等。本文采用了罰函數(shù)法作為面面接觸的接觸算法。夾具和板料之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.2，工具頭和板料之間的摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0.107。3.5載荷及運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置為了確保板料在上下壓板之間發(fā)生塑性變形，并避免不必要的變形，需要根據(jù)實(shí)際成形過(guò)程設(shè)置夾具的邊界條件。首先，對(duì)于上壓板和下壓板的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，需要施加約束，確保它們只能在特定范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。通過(guò)限制轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，板料在變形過(guò)程中會(huì)受到均勻的壓力，從而避免不必要的形變。其次，對(duì)于上壓板和下壓板的平動(dòng)自由度，也需要進(jìn)行約束，通過(guò)限制平動(dòng)自由度，可以確保上下壓板保持相對(duì)穩(wěn)定的位置，從而保證板料在變形過(guò)程中的一致性。此外，為了進(jìn)一步控制板料的變形，需要采取壓緊措施。通過(guò)施加適當(dāng)?shù)膲毫?，可以限制板料在X、Y、Z方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。壓緊板料可以確保其在上下壓板間緊密貼合，從而促使塑性變形發(fā)生，同時(shí)避免不必要的變形。工具頭做遞進(jìn)螺旋運(yùn)動(dòng)，工具頭運(yùn)動(dòng)軌跡分解如下三步：第一步：為了開始加工工件，首先需要將工具頭下壓1mm。這個(gè)步驟可以通過(guò)控制工具頭的運(yùn)動(dòng)，使其與工件接觸并施加所需的壓力。通過(guò)適當(dāng)?shù)南聣壕嚯x，可以確保工具頭與工件之間建立起合適的接觸，為后續(xù)的加工步驟做好準(zhǔn)備。第二步：完成下壓后，工具頭開始進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。這意味著工具頭繞著工件表面作圓周軌跡的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制工具頭的轉(zhuǎn)速、半徑和方向，可以實(shí)現(xiàn)不同形狀和尺寸的加工效果。在分析過(guò)程中，對(duì)工具頭圓周運(yùn)動(dòng)而言，其圓周軌跡可以采用x=R?cos(phi)，y=R?sin(phi)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，可以得到工具頭的螺旋運(yùn)動(dòng)曲線。例如半徑為30mm時(shí)，工具頭再x和y方向采用是幅值圖3.5X加載路徑圖3.6Y加載路徑第三步：工具頭朝板料中心點(diǎn)橫向進(jìn)給1mm。上面三步是一個(gè)完整的單圈螺旋運(yùn)動(dòng)，總共30圈，加上退刀總共建立91步分析步。3.6網(wǎng)格劃分在建立有限元仿真模型中，選擇合適的單元類型和進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分是關(guān)鍵步驟。單元類型的選擇應(yīng)綜合考慮部件的幾何形狀、分析類型、模擬結(jié)果的精度需求以及計(jì)算硬件資源等因素。同時(shí)，合理的網(wǎng)格劃分也十分重要。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)考慮模型的復(fù)雜性和計(jì)算資源的限制。網(wǎng)格劃分過(guò)于精細(xì)可能導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度過(guò)高，而過(guò)于粗糙則可能無(wú)法準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。確保有限元仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性，需注意以下幾點(diǎn)：首先，根據(jù)部件的幾何形狀和材料性質(zhì)選擇適合的單元類型。其次，在網(wǎng)格劃分中，要平衡計(jì)算精度和計(jì)算資源消耗，考慮網(wǎng)格類型、大小和質(zhì)量。最后，特別關(guān)注網(wǎng)格劃分的合理性，避免出現(xiàn)計(jì)算中斷和不可靠結(jié)果。通過(guò)綜合考慮這些因素，可以得到精確可靠的仿真結(jié)果。在ABAQUS軟件中，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)有限元數(shù)值模擬的精度和效率有著直接的影響。在單點(diǎn)增量成形過(guò)程中，根據(jù)材料和幾何特征的規(guī)律性，可以簡(jiǎn)化網(wǎng)格劃分，僅對(duì)板料的各邊進(jìn)行布種。在選擇網(wǎng)格大小時(shí)，需要平衡精度和計(jì)算時(shí)間的考量，避免網(wǎng)格過(guò)大或過(guò)小帶來(lái)的問(wèn)題。通過(guò)合理的網(wǎng)格劃分，可以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并優(yōu)化計(jì)算效率。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)調(diào)整，網(wǎng)格大小選取1mm，采用的是四變形網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分算法采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格類型為S4R，總單元數(shù)為19600，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為19881，板料劃分網(wǎng)格如圖3.7所示。圖3.7網(wǎng)格劃分3.7本章小結(jié)本章詳細(xì)描述了ABAQUS用于金屬板料單點(diǎn)增量成形仿真的具體建模過(guò)程，包括建立幾何模型、定義材料屬性、設(shè)置分析步和接觸屬性、網(wǎng)格劃分和施加載荷以及設(shè)置邊界條件。通過(guò)上述建模過(guò)程，ABAQUS能夠?qū)吸c(diǎn)增量成形過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，屬于ABAQUS前處理內(nèi)容，將為下文的后處理分析提供支持。4單點(diǎn)增量成形過(guò)程有限元結(jié)果分析4.1金屬板單點(diǎn)增量成形過(guò)程中板料的厚度變化工具頭做螺旋回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，金屬板料的厚度隨運(yùn)動(dòng)圈數(shù)的增加不斷減小，本文選取第2圈，第8圈，第16圈和最后一圈，提取板料的厚度云圖如圖4.1-4.4所示。圖4.1第2圈板厚云圖圖4.2第8圈板厚云圖圖4.3第16圈板厚云圖圖4.4最后一圈板厚云圖由上圖可以看出，板厚首先再?zèng)]壓縮時(shí)候是1mm，再運(yùn)動(dòng)第8圈時(shí)，板厚變?yōu)?.73mm，再第16圈時(shí)，板厚為0.60mm，最后板厚為0.59mm，單點(diǎn)增量成形過(guò)程中，隨著工具頭的壓入和螺旋運(yùn)動(dòng)，在開始成形的前幾圈，板厚減小的速度快，隨著工具頭繼續(xù)螺旋運(yùn)動(dòng)，板料厚度保持減小，但是變化速率降低。4.2金屬板單點(diǎn)增量成形過(guò)程中板料的位移變化工具頭在做螺旋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，板料不斷發(fā)生位移，本文選取工具頭旋轉(zhuǎn)第2圈，第8圈，第16圈，最后一圈，提取板料的位移云圖如圖4.5-4.8所示。圖4.5第1圈位移云圖圖4.6第8圈位移云圖圖4.7第16圈位移云圖圖4.8最后一圈位移云圖由圖可以看出，板料在工具頭旋轉(zhuǎn)第2、第8、第12、最后一圈的位移變化分別為2.84mm、8.67mm、16.63mm、31.67mm，工具頭在做螺旋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，板料進(jìn)行逐圈的下壓運(yùn)動(dòng)，板料的位移變化與工具頭的路徑具有一致性，根據(jù)云圖，可以反推到工具頭的運(yùn)動(dòng)路徑。4.3金屬板單點(diǎn)增量成形過(guò)程中工具頭的受力變化工具頭與板料之間存在摩擦和相互作用力，研究單點(diǎn)增量成形工具頭的受力規(guī)律可以延長(zhǎng)工具頭使用壽命有很大的幫助。經(jīng)過(guò)對(duì)有限元結(jié)果的分析，提取板料成形過(guò)程中，工具頭Fx、Fy、Fz三個(gè)方向的受力情況，如圖4.9-4.11所示。圖4.9成形過(guò)程中工具頭Fx變化曲線圖4.10成形過(guò)程中工具頭Fy變化曲線圖4.11成形過(guò)程中工具頭Fz變化曲線根據(jù)圖可以看出，在單點(diǎn)增量成形過(guò)程中，工具頭的Fx、Fy呈現(xiàn)周期性變化，其變化周期頻率與工具頭螺旋變化頻率相同，振幅在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變化很小，頻率與工具頭螺旋頻率一致為1/PI，振幅為500N。工具頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，F(xiàn)z基本沒有發(fā)生變化，其值在1000N附近來(lái)回震蕩，但是在工具頭變化圈數(shù)過(guò)程中，工作頭有一個(gè)較大的跳躍，這是由于變化圈數(shù)后出現(xiàn)了一個(gè)瞬時(shí)接觸。4.4金屬板單點(diǎn)增量成形過(guò)程中能量變化規(guī)律在ABAQUS中提取成形過(guò)程中外部對(duì)系統(tǒng)做工的變化規(guī)律如圖4.12所示，系統(tǒng)內(nèi)能如圖4.13所示，由圖4.12可知，外部對(duì)系統(tǒng)做工越來(lái)越大，但是功率越來(lái)越小。在起始階段，外部對(duì)系統(tǒng)做工功率最大，然后變小至基本不變，再到變小的一個(gè)過(guò)程。系統(tǒng)內(nèi)能增加變化曲線與圖4.12一致，但是大小有差異，可以看出，在成形過(guò)程中，外部對(duì)系統(tǒng)做工不是只是一部分用于板料成形，很大一部分是摩擦耗能，故而在成形過(guò)程中，減小板料與工具頭之間的摩擦可以提高成形效率。圖4.12外部對(duì)系統(tǒng)做功變化曲線圖4.13系統(tǒng)內(nèi)能變化曲線4.5本章小結(jié)本章主要是通過(guò)金屬板料單點(diǎn)增量成形過(guò)程的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到單點(diǎn)增量成形過(guò)程中板料厚度的變化、板料位移的變化、工具頭受力的變化，以及分析過(guò)程中的能量變化，可以比較直觀的看出單點(diǎn)增量成形過(guò)程的規(guī)律，然后通過(guò)對(duì)比板厚、材料對(duì)單點(diǎn)增量成形的工具頭受力和位移變化可以看出，單點(diǎn)增量成形方法適應(yīng)于板厚不是越大或者越小的制造工藝，選擇合適的板厚，有利于避免材料成形的缺陷，對(duì)得到精度較好的成形十分有利。5摩擦對(duì)單點(diǎn)增量成形仿真結(jié)果的影響5.1單點(diǎn)增量成形過(guò)程中摩擦系數(shù)的研究在單點(diǎn)增量成形過(guò)程中，板料的種類、工具頭直徑、層進(jìn)給量、板料初始厚度以及成形角等工藝參數(shù)對(duì)摩擦系數(shù)的影響較大，不同參數(shù)的影響效果如下：（1）當(dāng)工具頭直徑增大時(shí)，可以顯著降低摩擦系數(shù)。首先，增大工具頭直徑可以改善接觸區(qū)域的分布，使壓力更加均勻分布于整個(gè)接觸面上。這有助于減少局部高壓區(qū)域的形成，從而降低了材料的變形應(yīng)力和不均勻性。首先，增大工具頭直徑可以改善接觸區(qū)域的分布，使壓力更加均勻分布于整個(gè)接觸面上。這有助于減少局部高壓區(qū)域的形成，從而降低了材料的變形應(yīng)力和不均勻性。首先，增大工具頭直徑可以改善接觸區(qū)域的分布，使壓力更加均勻分布于整個(gè)接觸面上。這有助于減少局部高壓區(qū)域的形成，從而降低了材料的變形應(yīng)力和不均勻性。（2）相對(duì)于板料的初始厚度而言，對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響是微小的。增加初始板厚會(huì)導(dǎo)致成形力的增加，同時(shí)稍微增加接觸區(qū)域的面積，因此會(huì)稍微提高平均摩擦系數(shù)，然而，這個(gè)影響相對(duì)較小。（3）隨著成形角度的增大，平均摩擦系數(shù)會(huì)發(fā)生一定程度的增加。這是因?yàn)槌尚谓嵌鹊脑龃髸?huì)導(dǎo)致接觸區(qū)域的面積增大，使得工具頭在運(yùn)動(dòng)時(shí)與金屬材料之間的接觸面積增加。這進(jìn)一步導(dǎo)致更多的金屬材料發(fā)生變形，從而增強(qiáng)了粘著剪切效應(yīng)。由于接觸面積增大，金屬材料與工具頭之間的粘著剪切效應(yīng)變得更加明顯。這意味著在接觸界面上，金屬材料更容易發(fā)生粘附和相對(duì)滑動(dòng)。這種粘著剪切現(xiàn)象導(dǎo)致了摩擦力的增加，進(jìn)而導(dǎo)致平均摩擦系數(shù)的增大。（4）對(duì)于層進(jìn)給量其變化規(guī)律和板料初始厚度類似，當(dāng)層進(jìn)給量增大時(shí)，接觸區(qū)域受到更高的壓力，因?yàn)楦嗟牟牧媳煌茢D并發(fā)生變形。這增加了材料之間的粘結(jié)作用，使接觸界面上的相對(duì)滑動(dòng)更加困難。由于粘結(jié)現(xiàn)象的增加，摩擦力也會(huì)相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致平均摩擦系數(shù)的增大。通過(guò)建立考慮摩擦的有限元仿真模型，研究了摩擦對(duì)單點(diǎn)增量成形過(guò)程的影響。在仿真模型中，我們考慮了摩擦的影響因素，通過(guò)調(diào)整摩擦系數(shù)，我們模擬了不同摩擦條件下的成形過(guò)程，從而定量評(píng)估了摩擦對(duì)成形力的影響程度。此外，我們還關(guān)注了等效塑性應(yīng)變和等效塑性應(yīng)力這兩個(gè)參數(shù)，它們反映了材料在成形過(guò)程中的變形程度和應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)分析摩擦系數(shù)對(duì)這些參數(shù)的影響，我們深入了解了摩擦在單點(diǎn)增量成形過(guò)程中的作用機(jī)制。這些研究結(jié)果對(duì)于優(yōu)化單點(diǎn)增量成形工藝、提高成形質(zhì)量和推動(dòng)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。本文通過(guò)在單點(diǎn)增量成形過(guò)程中使用不同的成形參數(shù)來(lái)模擬具有不同摩擦系數(shù)的成形過(guò)程，工藝參數(shù)分別選擇如下表四種組合，對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)從表中查詢可得：表5-1不同工藝對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)工藝工具頭直徑D(mm)金屬板厚H(mm)成形角α(°)層進(jìn)給量Z(mm)摩擦系數(shù)1161450.50.06221014510.1073101451.50.1684414510.1985.2摩擦對(duì)成形力的影響通過(guò)使用ABAQUS軟件，我們可以直接獲取成形過(guò)程中板料所受的摩擦力合力。采用不同的成形參數(shù)組合時(shí)，摩擦力隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5.1所示。從圖中可以觀察到，不論采用何種工藝，摩擦力都經(jīng)歷了一個(gè)逐漸增大并最終穩(wěn)定的過(guò)程。選擇具有較高摩擦系數(shù)的成形工藝參數(shù)組合將導(dǎo)致整個(gè)成形過(guò)程中的摩擦力增加。例如，采用工藝1時(shí)，摩擦力在約30N左右波動(dòng)，而采用工藝4時(shí)，摩擦力在約120N左右波動(dòng)。這些觀察結(jié)果表明，摩擦力受到成形工藝參數(shù)的影響，并且不同的成形參數(shù)組合會(huì)導(dǎo)致不同的摩擦力水平。摩擦力的增加可能會(huì)增加板料的形變和應(yīng)力，對(duì)成形過(guò)程產(chǎn)生影響。圖5.1不同工藝成形過(guò)程中摩擦力隨時(shí)間變化曲線如圖5.1和5.2所示，不同成形參數(shù)下工具頭在水平方向的成形力Fx、Fy有同樣的變化規(guī)律，從圖中可以看出摩擦系數(shù)越大水平力FY的峰值越大，采用工藝1時(shí)FY在50N左右波動(dòng)，采用工藝4時(shí)FY則在1圖5.2不同工藝成形過(guò)程中水平力FX隨時(shí)間變化曲線圖5.3不同工藝成形過(guò)程中水平力FY隨時(shí)間變化曲線根據(jù)圖5.3顯示的結(jié)果，不同工藝下軸向力Fz的變化規(guī)律與水平力Fx的變化趨勢(shì)一致。較大的摩擦系數(shù)會(huì)導(dǎo)致軸向力Fz增加。例如，在采用工藝1和工藝4時(shí)，軸向力Fz分別在約200N和700N附近波動(dòng)。通過(guò)與水平力的變化趨勢(shì)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)對(duì)水平方向成形力的影響程度大于對(duì)軸向成形力的影響程度。這意味著摩擦系數(shù)對(duì)水平方向成形力的變化起到更為顯著的作用。這些研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了摩擦對(duì)成形過(guò)程中水平方向和軸向方向成形力的重要影響。了解不同工藝參數(shù)下的成形力變化規(guī)律，特別是與摩擦系數(shù)相關(guān)的變化，有助于優(yōu)化單點(diǎn)增量成形過(guò)程，并提高成形過(guò)程的穩(wěn)定性和效率。圖5.4不同工藝成形過(guò)程中軸向力FZ隨時(shí)間變化曲線5.3摩擦對(duì)板料變形的影響單點(diǎn)增量成形時(shí)，金屬板料的位移隨著加工進(jìn)程的推進(jìn)不斷增大，如圖5.5~5.8所示，通過(guò)提取四種不同工藝下的板料厚度變化云圖，發(fā)現(xiàn)在摩擦系數(shù)越大的工藝條件下，板料的最終成形厚度越小，然而差距并不明顯。圖5.5工藝1板料厚度變化 圖5.6工藝2板料厚度變化圖5.7工藝3板料厚度變化圖5.8工藝4板料厚度變化5.4摩擦對(duì)等效應(yīng)力的影響根據(jù)圖5.9至5.12所示的結(jié)果，我們觀察到在不同成形參數(shù)下，等效應(yīng)力在板料中的分布情況。進(jìn)一步分析四組成形參數(shù)對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力最大值（分別為136.8MPa、139.7MPa、141.6MPa和145.8MPa），我們發(fā)現(xiàn)隨著摩擦系數(shù)的增大，等效應(yīng)力的最大值也相應(yīng)增加。此外，我們還注意到最小值的變化更加顯著。這種變化可以歸因于較大的摩擦導(dǎo)致金屬材料流動(dòng)的不均勻性。由于流動(dòng)不均勻，金屬材料易于出現(xiàn)應(yīng)力集中和不均勻分布的情況，從而導(dǎo)致等效應(yīng)力的增加。摩擦系數(shù)的增大對(duì)成形過(guò)程中的金屬流動(dòng)性產(chǎn)生顯著影響，使得等效應(yīng)力呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的分布特征。因此，摩擦系數(shù)的增大對(duì)于等效應(yīng)力的最大值產(chǎn)生了顯著影響，并且對(duì)于等效應(yīng)力的最小值也具有較為明顯的變化。這些結(jié)果突出了摩擦對(duì)于單點(diǎn)增量成形過(guò)程中等效應(yīng)力分布的重要性。圖5.9工藝1板料等效應(yīng)力云圖圖5.10工藝2板料等效應(yīng)力云圖圖5.11工藝3板料等效應(yīng)力云圖圖5.12工藝4板料等效應(yīng)力云圖5.5摩擦對(duì)等效塑性應(yīng)變的影響在塑性成形中，等效塑性應(yīng)變常被用來(lái)描述材料在屈服后的應(yīng)變狀態(tài)。研究顯示，圖5.13至5.16呈現(xiàn)了不同成形參數(shù)下等效塑性應(yīng)變的不均勻分布。進(jìn)一步觀察揭示了較大摩擦系數(shù)引起整體等效塑性應(yīng)變的增加。這一現(xiàn)象可歸因于摩擦系數(shù)的增大，使得材料流動(dòng)受到更強(qiáng)的阻力，導(dǎo)致材料堆積和應(yīng)變?cè)黾?。單點(diǎn)增量成形是逐層擠壓板料的過(guò)程，依靠積累微小的塑性應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)形狀的成形。然而，較大摩擦系數(shù)使內(nèi)外表面的等效塑性應(yīng)變均增加，表明較差的接觸條件會(huì)加大內(nèi)外表面等效塑性應(yīng)變之間的差異。圖5.13工藝1料等效塑性應(yīng)變?cè)茍D圖5.14工藝2板料等效塑性應(yīng)變?cè)茍D圖5.15工藝3料等效塑性應(yīng)變?cè)茍D圖5.16工藝4料等效塑性應(yīng)變?cè)茍D5.6本章小結(jié)本章主要研究了在金屬單點(diǎn)增量成形的過(guò)程中，不同摩擦對(duì)仿真結(jié)果的影響。的板料厚度、層進(jìn)給量、工具有直徑、和成形角度的差異組合，形成了工具頭和板料之間各不相同的摩擦系數(shù)，選取其中四種具有代表性的工藝組合進(jìn)行摩擦仿真建模。通過(guò)分析仿真結(jié)果可知，對(duì)于摩擦系數(shù)越大的工藝組合來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的摩擦力、工具頭所受X、Y和Z方向的成形力、等效應(yīng)力以及等效塑性應(yīng)變都是最大的，變化趨勢(shì)較為相似。

6總結(jié)及展望6.1總結(jié)單點(diǎn)增量成形技術(shù)是一種基于“分層制△造”概念的新穎板料塑性成形方法。與傳統(tǒng)的板料模具成形相比，該技術(shù)克服了柔性差、產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)以及設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題，滿足了現(xiàn)代企業(yè)對(duì)多批次、小批量、快速響應(yīng)的需求。通過(guò)和數(shù)控技術(shù)的結(jié)合、有限元軟件的連結(jié)及有限元軟件仿真模擬?？梢杂行У牡贸鲎罱K實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，有效的模擬破損、爆破等材料需求。通過(guò)模擬就可得出材料極限邊界。這一系列的優(yōu)勢(shì)，非常滿足現(xiàn)代工業(yè)多樣化、個(gè)性化、經(jīng)濟(jì)化及再循環(huán)的要求。本文設(shè)計(jì)了工具頭、板料、上下壓板的幾何模型進(jìn)行裝配，建立了單點(diǎn)增量加工的真實(shí)過(guò)程，進(jìn)行有限元軟件進(jìn)行仿真后，得出成形過(guò)程中成形力、應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律和板厚分布規(guī)律，通過(guò)數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)來(lái)探究成形力。最終結(jié)果表明：金屬板料單點(diǎn)增量成形過(guò)程中位移的變化、版后的變化和工具頭受力的變化?？梢酝ㄟ^(guò)云圖的展現(xiàn)直觀的看出單點(diǎn)增量成形過(guò)程的規(guī)律。通過(guò)以上的規(guī)律，我們得到了成形不同時(shí)刻的不同成形狀態(tài)，選擇合適的板厚，有利于避免材料成形缺陷，對(duì)較好的存在高精度的成形有利。6.2展望通過(guò)對(duì)不同摩擦模型下的單點(diǎn)增量有限元仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)成形過(guò)程中的摩擦行為進(jìn)行了進(jìn)一步研究。然而，本文的仿真模型存在一些不全面的考慮，未考慮溫度和摩擦熱效應(yīng)對(duì)板料成形的影響，并未定義熱生成屬性，溫度始終被設(shè)定為室溫，然而，板料與工具頭接觸區(qū)域的溫度會(huì)因摩擦而升高，這將對(duì)工件的加工產(chǎn)生影響。此外，未考慮材料的非線性變形行為和材料的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。在實(shí)際的單點(diǎn)增量成形過(guò)程中，由于材料的非線性本質(zhì)和變形行為，溫度的變化和摩擦熱效應(yīng)可能導(dǎo)致材料的塑性行為發(fā)生變化。此外，由于加工速度和變形速率的不斷變化，材料的動(dòng)態(tài)效應(yīng)也可能對(duì)成形過(guò)程產(chǎn)生重要影響。因此，為了更準(zhǔn)確地描述單點(diǎn)增量成形過(guò)程，未來(lái)的研究應(yīng)該綜合考慮這些因素。參考文獻(xiàn)[1]劉華，江開勇，劉斌.金屬塑性加工新技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)[J].模具行業(yè)，2010，36（9）：5-9.[2]崔震，高霖，盧啟建.復(fù)雜鈑金零件漸進(jìn)成形方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（12）：235-239[3]李穎超，李敬勇.鈦材料單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝數(shù)值模擬分析[J].熱加工工藝，2013，42（5）：130-131，134[4]史曉帆.金屬板料漸進(jìn)成形精度控制技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2003.[5]姚梓萌,李言,楊明順,等.錐形件單點(diǎn)增量成形過(guò)程應(yīng)變狀態(tài)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2016(12):1871-1876.[6]李軍超，毛峰，周杰.板材單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝數(shù)值模擬與成形缺陷模擬研究[J].熱加工工藝，2010，39（5）：71-75.[7]張國(guó)新，戴京東.金屬板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形變形控制方法[J].鍛壓技術(shù)，2013，38（6）：28-31.[8]韋紅余，胡銘明，高霖.圓錐形漸進(jìn)成形件成形精度研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（9）：193-198