1、翻边拉深复合变形零件成形过程的数值模拟和实验验证第 42 卷第 1 期2008 年 1 月上海交通大学学报JOURNAIOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYV0I.42No.1Jan.2008文章编号:10062467(2008)01 004605翻边拉深复合变形零件成形过程的数值模拟和实验验证蔡兰蓉,邵海宁,胡德金(1. 上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240;2.山东济南锅炉集团有限公司,济南 250023)摘要:介绍了静力隐式弹塑性有限元板料成形软件的基本理论和关键技术.在板料成形时,翻边拉深复合变形零件的成形规律比单一拉深变形零件的成形规律更难以预测.采
2、用 MSC.Marc 软件对翻边拉深复合变形零件的冲压成形过程进行了数值模拟,详细分析了零件关键特征区域材料的应力,应变,厚度分布和成形极限的模拟结果,并将板料厚度的模拟结果与实际测量结果进行了比较.结果表明,应用数值模拟技术可以预测复合变形拉深零件的起皱,破裂,回弹等缺陷,减少反复试验的次数,提高成形零件的质量.关键词:静力隐式;板料成形;翻边拉深;数值模拟中图分类号:TG396 文献标识码:ANumericalSimulationandExperimentalValidationofFlanging-drawingWorkpieceFOrmingProcedureCAILanrong,SH
3、AOHai ningHUDejin(1.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;2.TheBoilerCorporationofjinan,ShandongProvince,Jinan250023.China)Abstract:Theelasticplasticfiniteelementmethodandkeytechnologiesbasedonstaticimplicitschemeforthesimulationoftheformingprocessofsheetmetal
4、wereintroduced.Theformingconditionsofflangingdrawingworkpiecearemoredifficulttopredictthansingledrawingone.ThispapersimulatedtheformingprocedureofatypicalflangingdrawingworkpieceviatheFEsoftwareMSC.Marcandanalyzedthestress,strain,thicknessdistributionandforminglimitationoffourkeyregions.Thethickness
5、distributionofthesimulationandexperimentshowfairlygoodagreement.Theresultsindicatethatthenumericalsimulationcanforecasttheshortcomingsofflangingdrawingworkpiece,suchaswrinkle,splitandspringback,andoptimizethedieandformingprocess.Thetrialcanbedecreasedorevenbecanceled,andtheformingqualitycanbeimprove
6、dgreatly.Keywords:staticimplicitscheme;sheetmetalforming;flangingdrawing;numericalsimulation板料塑性成形是利用金属板料在固体状态下的塑性,通过模具及外力作用而制成零件的一种加工方法.它是一个大挠度,大变形的塑性变形过程,涉及金属板在复杂应力状态下塑性流动,强化以及引收稿日期:2006-12-25作者简介:蔡兰蓉(1972 一),女,湖南怀化人,博士生,主要研究方向为金属塑性成形过程数值模拟,特种加工技术胡德金(联系人), 男,教授,博士生导师,电话(Te1.):02162932360;Email:.第
7、1 期蔡兰蓉,等:翻边拉深复合变形零件成形过程的数值模拟和实验验证 47起的起皱,破裂和回弹等问题.同时,冲压过程也是复杂的多体接触力相互作用的过程.因此,对冲压成形过程中板材的成形性和成形质量而言,单凭经验很难估计.传统的冲压生产中,根据经验采用试错法设计模具和工艺,往往需要通过反复修改才能确定,将浪费大量的人力,物力和时间.随着计算机的应用和发展以及有限元方法的成熟,近年来发展了用有限元法对板材成形过程进行计算机模拟和仿真的技术1.国内外很多学者对拉深,弯曲,翻边,胀形等单一变形零件的成形过程进行了模拟仿真,以预测板材成形过程中的材料流动趋势和应力应变分布.例如:那景新等3 对发动机底壳的
8、深拉延成形过程进行了计算机模拟仿真和实验验证;林启权等对椭圆盒的拉深成形用软件DYNAFORM 进行了模拟; 赵升吨,王金雷等5 对板料胀形的成形机理和工艺进行了研究;蔡中义,鲍益东等7 对纯弹性板大变形卸载后的弯曲回弹进行了理论分析和预测;Kleiber,王东哲等9o对方盒深拉深零件的成形缺陷进行了理论研究;Giuliano3 对改善圆锥形拉深件成形缺陷的方法作了研究;Leu,Workswick 等】对平面零件的翻边成形过程进行了分析.尽管以上学者对零件单一变形的塑性行为进行了深入研究,从理论上验证了模拟板料成形的可行性,从而实现毛坯形状,尺寸及其他工艺参数的优化,减少了实际生产中的缺陷.但
9、很少有学者对复合变形拉深零件的成形过程进行模拟仿真和实验验证,而复合变形零件的冲压成形状况比半球冲头胀形或平底圆形冲头拉延等单一变形零件的成形状况更复杂更难以预测.针对板料成形的研究现状,本文采用大型静力隐式有限元软件 Marc 对翻边拉深复合成形零件的冲压过程进行了数值模拟,对板材的应力应变变化情况,板材厚度分布情况进行了计算与分析,并将板材的模拟结果与实验结果进行了比较.1 理论分析1.1 静力隐式有限元分析的平衡方程静力隐式有限元方法以迭代方式求解非线性有限元方程,迭代过程中不断求解新的切线刚度,直至节点不平衡力或位移增量小于给定值为止.静力隐式算法钉认为板材成形是一个准静力的变形过程.
10、根据连续介质力学理论,系统的平衡方程为M 矗 +C+KuF(1)式中:M 为质量矩阵;c 为阻尼矩阵;K 为刚度矩阵 ;F 为作用力 ;”为位移.采用 Newmarkbeta 隐式积分,其一般形式为“:”+ +(专一卢)t2/+/i(2)一+(1 一 y)At+7AtiH+(3)式中:”为迭代次数 ;At 为时间增量;卢,y 为常数.在进行有限元离散时采用 4 节点单元,其 y 一寺,卢一.因而由式(1)(3)有:(4M+2:c+K)A”一F 叶一 F+M(+4)+c:”(4)式中,F 为内力 ,FRlDadzlD 为应力应变关系矩阵,为真实应力.采用 NewtonRaphson 法进行平衡迭
11、代来消除线性化带来的误差,迭代求出的平衡方程为(“)AuAPl(5)式中:(“)为增量步开始时的切线刚度矩阵;Au 为节点位移增量; P 为外部节点载荷增量.第一次求解得 AuAu,下一次迭代有(“+”)Au P!(6)式中,P 为内部节点载荷矢量.迭代收敛条件为位移迭代收敛条件,即II)Tmax/I_I7r式中,T 为检验迭代过程的定义收敛容差.在求解过程中,迭代既没有收敛也没有发散时,修正位移为“一”+Au(8)继续进行平衡迭代,直至得到收敛解为止.1.2 弹塑性材料模型板料成形过程是大位移,大变形的过程,既存在弹性变形,更存在塑性变形.因此有限元分析涉及到材料的弹塑性本构方程.金属材料的
12、非线性行为必须考虑各向异性.用基于流动理论的正交各向异性Hill 二次屈服准则来描述板料的塑性 .屈服函数为Al(220”33)+A2(3l1)+A3(ll 一 0”22)+2A4+2A5l+2A6210(9)式中:A.,A,A.,A,A,A 为材料的厚向异性参数;口 ll,0”22,口为材料的单轴拉伸屈服应力;口 l2,0”2.,.为材料的剪切屈服应力.适用于弹塑性固体的 PrandtlRuess 流动准则表示为48 上海交通大学学报第 42 卷一+(1 一)(10) 与凸模,凹模和压边圈的摩擦系数均 05?式中:E,G,v 分别为弹性模量,剪切模量和泊松比;云为应变速率;t 为应力偏量 ;
13、为平均应力; 为单位张量;为比例因子.1.3 接触摩擦模型为考虑板料与模具型腔在接触点的摩擦力,壳体单元摩擦定理采用基于合力的库仑定理来描述:0,F,一一arctanf)(11)JLVcllrl式中:F 为接触节点的切向力;F 为接触节点的法向力;为接触节点的相对滑动速度;为摩擦系数;为接触体之间的临界相对速度.图 2 零件成形的有限元分析模型Fig.2Thefiniteelementmodelofformingpart2 有限元模型 3 数值模拟结果及分析图 1 所示零件的成形过程是压边圈将板料压在凹模上,然后凸模下行将板料压下凹模型腔.其成形过程同时产生翻边和拉深两类变形.图 2 显示了用
14、Marc 软件分析模拟图 1 所示零件成形的有限元模型.模具中凸模,凹模和压边圈作为刚体,板料作为变形体.考虑到零件的对称性,建模时取其中 1/4 来进行分析.板料采用 4 节点厚壳单元来划分,单元数为 792.板料材质为 08F 冷轧钢板,其材料特性参数为:E 一 205GPa;G 一 140GPa;延伸率 a 一 20%;屈服强度一 285MPa;抗拉强度一 330MPa;泊松比 v 一 0.29;密度 P 一 7830kg/m.;厚度 2mm.板料33?o:.253.1,l-Il】o8.0图 1 零件图(mm)Fig.1Thegeometryofflanging-drawingpart(
15、mm)3.1 应力分布零件冲压变形后的应力分布如图 3 所示,零件成形特征区域 A,B,C,D 的应力变化历程如图 4 所示.从两图中可以看出:A 区的第一主应力和第二主应力均为拉应力且第二主应力数值比较大;B 区的第一主应力和第二主应力均为压应力且第二主应力的数值比较大.这说明 A 处的材料两向受拉,而 B处的材料是两向受压.零件的最大等效应力出现在A 处,这说明 A 区是应力最集中的部位.另外零件拐角 C 处的第一主应力和第二主应力都比较小,而拐角 D 处的第一主应力为拉应力,第二主应力为压应力且第二主应力和等效应力数值都比较大,说明除了 A,B,拐角 D 部位也是应力比较集中的地方 .从
16、图中也可以看出:在成形过程中,零件特征区域的主应力及等效应力值变化起伏波动很剧烈,不呈直线或平滑曲线变化.这说明复合变形零件各单元的受力情况很复杂,两种变形过程是相互制约和影较.图中:L 为截面沿轮廓展开后的曲线长度;d 为板料的厚度.由图 9 可见:模拟结果和实验结果基本吻合.Fig.72.189E.0002.157E.0002.124E.O()o图 8 零件成形极限分布图Fig.8TheforminglimitparameterdistributionofpartEE飞/mm图 9 模拟和实验结果比较Fig.9Comparisonbetweenthesimulationandexperim
17、ent4 结语基于板料冲压成形的特点,采用静态隐式数值模拟技术对翻边拉深复合变形零件的成形情况进行定量的分析,可以预测成形过程中可能出现的破裂,起皱等缺陷及其发生的部位,从而控制冲压零件的生产质量.板材成形过程的计算机模拟技术已逐渐成熟并进入实用阶段,也已推出了许多专业的商业化软件.本文通过有限元软件 Marc 对复合变形零件成形进行了模拟,得出了零件的应力,应变,厚度等模拟结果图.模拟和实验的结果比较证明了模型的正确性,也说明了有限元软件模拟翻边拉深复合变形冲压零件的成形是有效的.参考文献:1WangNM.Largeplasticdeformationofacircularsheetcaus
18、edbypunchstretchingJ.JournalofAp-pliedMechanicsASME,1970,37:431440.2WangNM,BudianskyB.AnalysisofsheetmetalstampingbyafiniteelementmethodI-J.JournalofAppliedMechanicsASME,1978,100:7382.3那景新,柳玉启,曹颖,等.油底壳一次拉延的计算机仿真与实验研究J.中国机械工程,2000,ll(6):675678.NAJingxin,LIUYuqi.CA()Ying,eta1.Simulationandexperimental
19、examinationfortheone-offdeepdrawingformabilityofanoilpanJ.ChinaMechanicalEngineering,2000,ll(6):675678.4林启权,宁智群,赵雄.椭圆盒拉深成形的数值模拟I-J. 湘潭大学自然科学学报,2005,27(2):136141.LINQi quan,NINGZhiqun,ZHA()Xiong.NumericalsimulationofthedrawingprocessoftheellipticalboxlikedrawnpartI-J.NaturalScienceJournalofXiangtanUn
20、iversity,2005,27(2):136141.5赵升吨,杨玉海,王骥.筒形件新型充液拉深的数值模拟及工艺机理分析 I-J.塑性工程学报,2003,10(1):6570.ZHAoSheng-dun,YANGYuhal,WANGJi.NumericalsimulationandprocessmechanismanalysisonthenewkindofhydraulicdeepdrawingofcylindricalcupsJ.JournalofPlasticityEngineering,2003,10(1):657O.6王金雷,卫原平,阮雪榆.抛物体形拉深件液压成形工艺的数值模拟 I-J
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22、ingbacksimulationforsheetmetalformingJ.ChinaMechanicalEngineering,2002,13(17):1458 1461.(下转第 56 页)56 上海交通大学学报第 42 卷(上接第 50 页)8鲍益东,胡斯博,张向奎,等.弯曲型件冲压回弹的快速模拟 EJ1.塑性工程学报.2006,13(4):25 29.BAOYidong.HUSibo,ZHANGXiangkui,eta1.Fastsimulationforspringbackofbending typestam-pingpanelEJ.JournalofPlasticityEngin
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