小论文机械工程材料.doc

1、1板 材 多 点 成 形 使 用 弹 性 垫 后 回 弹 的 数 值 模 拟杨建鸣 郝 洁 任振中 （内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010）摘 要 ： 回 弹 是 板 材 多 点 成 形 中 一 个 必 须 解 决 的 问 题 ， 本 文 利 用 有 限 元 软 件 LS-DYNA 对 板 材 冲压 成 形 的 回 弹 进 行 数 值 模 拟 。 使 用 3mm 厚 的 弹 性 垫 抑 制 板 材 成 形 产 生 的 压 痕 ， 但 弹 性 垫 的 使 用加 上 板 材 的 回 弹 会 导 致 成 形 误 差 的 降 低 。 基 于 数 值 模 拟 的 结 果 ， 提 出

2、了 修 正 基 本 体 群 成 形 面 补偿 回 弹 。 经 过 两 次 补 偿 ， 精 度 得 到 了 很 好 的 提 高 ， 证 明 该 方 法 可 以 很 好 地 补 偿 多 点 成 形 中 的回 弹 。关 键 词 ： 多 点 成 形 ； LS-DYNA； 弹 性 垫 ； 回 弹Numerical simulation of springback of the multi-point forming for plank after using elastic cushionYang Jian-ming Hao jie Ren Zhen-zhong(Inner Mongolia Unive

3、rsity of Science and Technology Mechanical Engineering College, Inner Mongolia BaoTou 014010)Abstract: Springback is a problem that must be solved in multi-point forming,in this paper, finite element software ls-dyna was used to simulate plate stamping springback. 3mm thick elastic cushion inhibitte

4、d dimple of sheet forming, but the use of elastic cushion and plate springback would lead to shape error. A method was proposed which modified the forming surface of element group in the Multi-point forming(MPF) by iterative ways according to the numerical simulation results.The accuracy of forming

5、was improved after two compensation,it was proved zhat this method can compensate springback of the multi-point forming.Key words: multi-point forming; LS-DYNA; elastic cushion; springback;多 点 成 形 技 术 的 基 本 思 想 是 将 实 体 模 具 离 散 化 ， 由 一 系 列 规 则 排 列 的 基 本 体 组 成 的 “柔 性多 点 模 具 ”取 代 传 统 冲 压 成 形 的 实 体 模 具

6、。 该 技 术 在 板 料 三 维 曲 面 成 形 方 面 有 着 广 阔 的 应 用前 景 ， 它 特 别 适 合 于 曲 面 板 制 品 的 多 品 种 小 批 量 生 产 及 新 产 品 的 试 制 。 目 前 ， 已 经 在 高 速 列车 流 线 型 车 头 覆 盖 件 、 潜 艇 外 板 以 及 人 脑 颅 骨 修 复 体 等 成 形 件 的 数 字 化 制 造 中 得 到 广 泛 应 用 。板 材 成 形 时 ， 回 弹 是 不 可 避 免 的 现 象 。 在 外 载 荷 作 用 下 板 材 的 变 形 由 塑 性 变 形 和 弹 性 变形 两 部 分 组 成 ， 当 外 载 荷

7、卸 掉 后 ， 塑 性 变 形 保 留 下 来 了 ， 而 弹 性 变 形 则 回 复 ， 使 成 形 件 的 形状 和 尺 寸 都 发 生 与 加 载 时 变 形 方 向 相 反 的 变 形 ， 这 很 大 的 影 响 了 成 形 件 的 尺 寸 精 度 。 因 此 ， 采用 数 值 模 拟 技 术 研 究 多 点 成 形 中 的 回 弹 可 有 效 地 预 测 和 减 小 回 弹 ， 从 而 提 高 成 形 尺 寸 精 度 1。收 稿 日 期 ： 2010-9-2； 修 订 日 期 ：2作 者 简 介 ： 姓名：杨建鸣；出生年月：1957；性别：男；民族：汉族；祖籍：北京；职称：教授；学历

8、：硕士研究生；主要研究方向：计算机图形学。1 板 材 回 弹 模 拟 的 有 限 元 基 本 算 法1.1 基 本 理 论板 材 的 回 弹 模 拟 即 要 求 有 显 式 分析 以 模 拟 动 态 成 形 过 程 ， 还 需 要 有 隐 式分 析 以 模 拟 卸 载 后 的 静 态 回 弹 阶 段 。 对于 非 线 性 结 构 静 动 力 分 析 ， LS-DYNA 可以 交 替 使 用 隐 式 求 解 和 显 示 求 解 ， 进 行薄 板 冲 压 成 形 的 回 弹 计 算 2。 首 先 用ANSYS/LS-DYNA 程 序 模 拟 动 态 成 形 过 程 ，然 后 将 变 形 后 的 几

9、 何 形 状 和 应 力 输 入 到ANSYS 隐 式 分 析 中 求 解 ， 具 体 的 分 析 过程 如 图 1 所 示 ： 图 1 显 -隐 式 回 弹 分 析 的 过 程 示 意 图 Fig1 The process sketch map of explicit/implicit algorithm in springback analysis1.2 有 限 元 模 型 对 钢 板 的 回 弹 进 行 数 值 模 拟 ， 材 料 为 各 向 同 性 ， 弹 性 模 量 E=207Gpa， 泊 松 比 ， 屈3.0服 强 度 ， 切 向 模 量Mpas5.8， 密 度 。 板 材E34t

10、an 3/7845mkg大 小 L=96mm64mm。 基 本 体 采 用 128 排 列 ， 间 距是 8mm， 基 本 体 半 径 5mm。 板 材 和 基 本 体 单 元 模 型均 采 用 SHELL163 壳 单 元 ， 其 中 板 材 分 为 6144 个 单元 ， 上 基 本 体 分 为 6828 个 单 元 ， 下 基 本 体 分 为6828 个 单 元 。图 2 所 示 是 板 厚 为 1mm， 目 标 曲 率 半 径 为R=50mm 的 圆 柱 面 回 弹 前 后 图 ， 其 中 虚 线 部 分 为 回 弹前 的 形 状 。 图 2 板 材 回 弹 前 后 图 Fig2 be

11、fore and after springback map of plate 2 弹 性 垫 厚 度 对 回 弹 的 影 响在 多 点 成 形 中 ， 板 材 的 变 形 外 力 来 自 冲 头 对 板 材 的 接 触 作 用 ， 基 本 体 冲 头 的 集 中 力 直 接 作用 于 板 材 ， 成 形 件 上 不 可 避 免 的 会 产 生 压 痕 3。 为 了 有 效 地 分 散 接 触 压 力 从 而 抑 制 压 痕 的 产 生 ，不 得 不 在 冲 头 和 板 材 之 间 使 用 弹 性 垫 。 图 3 为 未 使 用 弹 性 垫 和 使 用 3mm 弹 性 垫 的 板 材 成 形 图

12、 ，可 以 看 出 弹 性 垫 能 很 好 的 抑 制 压 痕 的 产 生 。1MN MXXYZ-.246034-.21653-.17927-.145891-.1251-.07913-.045749-.012369.02102.05439AUG 20 20116:43:7NODAL SOLUTIONSTEP=1UB TIME=1UZ (AVG)RSY=0DMX .25361SN=-404MX .05393a） 未 使 用 弹 性 垫 b） 使 用 3mm 厚 度 弹 性 垫图 3 使 用 弹 性 垫 后 结 果Fig3 the result of using elastic cushion当

13、然 ， 不 同 的 弹 性 垫 厚 度 对 压 痕 的 抑制 效 果 也 是 不 同 的 ， 图 4 为 使 用1mm、 2mm、 3mm 弹 性 垫 后 ， 板 材 的 塑 性 应 力图 ， 其 中 A、 B、 C 分 别 对 应 1mm、 2mm、 3mm厚 度 的 弹 性 垫 。 从 图 中 可 以 看 出 ， 弹 性 垫越 厚 ， 对 压 痕 的 抑 制 效 果 越 好 ， 使 用 3mm的 弹 性 垫 已 经 可 以 很 好 的 抑 制 压 痕 了 。 图 4 板 材 的 塑 性 应 力 图Fig4 Effective plastic strain of plate但 弹 性 垫 的

14、 厚 度 又 直 接 影 响 到 板 材 回 弹 后 的 成 形 精 度 ， 图 5 为 目 标 曲 率 为 50mm 的 圆 柱 面分 别 使 用 1mm、 3mm、 6mm 弹 性 垫 时 ， 成 形 回 弹 后 的 形 状 。 从 图 中 可 以 看 出 ， 随 着 弹 性 垫 厚 度 的增 加 ， 回 弹 后 板 材 形 状 会 逐 渐 偏 离 目 标 形 状 。-11357911130 5 10 15 20 25 30 35xz值目 标厚 度 1厚 度 3厚 度 6图 5 板材的成形结果Fig5 the deformation results of plate 3.对 成 形 结 果

15、 的 补 偿从 以 上 的 分 析 可 以 看 出 ， 随 着 弹 性 垫 厚 度 的 增 加 ， 虽 然 可 以 很 好 地 抑 制 压 痕 的 产 生 ， 但是成 形 精 度 也 会 受 到 影 响 。 为 了 有 效 地 提 高 成 形 精 度 ， 提 出 了 对 成 形 结 果 的 补 偿 。使 用 3mm 的 弹 性 垫 抑 制 压 痕 的 效 果 明 显 好 于 2mm 的 弹 性 垫 ， 但 他 们 的 成 形 精 度 却 差 不 多 ，因 此 对 结 果 进 行 补 偿 时 ， 采 用 3mm 的 弹 性 垫 。4设 为 目 标 成 形 曲 面 ， 为 第 k 次 修 正 成

16、形 件 曲 面 ， 则 与 目 标 曲 面 的 误),(yxZobj ),(yxZk差 为 （ 1）),(),(eobjk（ 2）,1 yxeSyxkk式 中 为 由 基 本 体 群 构 造 的 第 k 次 模 具 修 正 曲 面 4。),(yxSk表 1 为 板 材 未 补 偿 和 第 一 、 第 二 次 修 正 的 值 ， 第 一 行 为 板 材 的 X 坐 标 ，),(yxZk为 未 补 偿 时 的 值 。 模 具 未 进 行 修 正 时 可 以 看 出 距 离 圆 柱 面 中 心 越 远 ， 误 差 越 大 ， 这 也),(0yxZ正 是 离 中 心 越 远 回 弹 值 越 大 所 导

17、 致 的 。 经 过 两 次 修 正 ， 成 形 件 曲 面 与 目 标 曲 面 的 误 差 有 了 明 显的 减 小 ， 板 材 的 精 度 也 得 到 了 很 大 的 提 高 。 表 2 为 值 ， 是 回 弹 补 偿 时 对 基 本 体 高 度 的),(yxSk调 节 。 表 1 圆 柱 面 的 、),(yxZk),(ekTab1 the and of a sphere partX 4 12 20 28),(yxZobj0.0888 1.212 3.6576 7.6594,00.1603 1.4616 4.1742 8.5754),(yxe0.0715 0.2494 0.5166 0.9

18、16,1Z0.1879 1.5862 4.2804 8.7411)(yxe-0.0276 -0.1248 -0.1062 -0.1657,20.1722 1.4883 4.1726 8.6667)(yxe-0.0119 -0.0269 0.0016 -0.0913表 2 基本体的 ),(yxSkTab2 the of elements上基本体高度 下基本体高度基本体 1 2 3 4 1 2 3 45),(0yxS0.1781 1.6295 4.6887 9.7721 0.1456 1.325 3.7652 7.6608,10.2496 1.8789 5.2053 10.6881 0.2171

19、1.5744 4.2818 8.5768)(2yx0.222 1.7541 5.0991 10.5224 0.1895 1.4496 4.1756 8.41114 结 语1） 板 材 冲 压 成 形 中 ， 压 痕 是 不 可 避 免 的 缺 陷 ， 为 抑 制 压 痕 必 须 使 用 弹 性 垫 。 弹 性 垫 厚 度越 大 ， 抑 制 压 痕 的 效 果 越 强 ， 但 是 随 着 弹 性 垫 厚 度 的 增 加 ， 板 材 回 弹 后 的 曲 面 与 目 标 曲 面 的 误差 会 增 大 。2） 使 用 弹 性 垫 冲 压 板 材 ， 进 行 回 弹 分 析 后 发 现 ， 距 离 圆

20、柱 中 心 越 远 误 差 越 大 ， 证 明 误差的 产 生 正 是 回 弹 所 导 致 的 。3)为 了 提 高 成 形 精 度 ， 提 出 了 对 成 形 结 果 的 补 偿 ， 且 经 过 两 次 补 偿 ， 精 度 已 经 得 到 了 很大的 提 高 。参 考 文 献1钱 直 睿 .多 点 成 形 中 的 几 种 关 键 工 艺 及 其 数 值 模 拟 研 究 .吉 林 大 学 博 士 论 文 ， 2007.2麻 桂 艳 ， 付 文 智 ， 李 明 哲 .中 厚 板 多 点 成 形 中 回 弹 的 数 值 模 拟 J.锻 压 技 术 ， 2006.4.3宋 雪 松 ， 蔡 中 义 .多 点 成 形 中 压 痕 的 数 值 模 拟 及 极 限 成 形 力 的 分 析 J.材 料 科 学 与 工 艺 ，2004.8.4陈 喜 娣 .板 材 多 点 成 形 中 起 皱 和 回 弹 的 数 值 模 拟 .吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 .2001作 者 简 介 ： 姓名：杨建鸣；出生年月：1957；性别：男；民族：汉族；祖籍：北京；职称：教授；学历：硕士研究生；主要研究方向：计算机图形学。 联 系 地 址 ：内蒙古包头市阿尔丁大街 7 号内蒙古科技大学机械工程学院腾飞楼 C 座403 室.邮 编 ：014010联系电话：13474722258 电子邮件：