宁波理工学院 毕业设计（论文） 题 目 加油盒冲压成形数值模拟及模具设计 Numerical Simulation and design ofBox Filler Stamping姓 名 学 号 专业班级 07机制2班 指导教师 分 院 机电与能源工程分院 完成日期 2011年5月30日 摘要本文主要介绍了有限元分析法，通过使用有限元分析软件dynaform对非轴对称零件汽车加油盒冲压成形进行数值模拟通过对照模拟结果，用正交试验法分析并总结出压延筋、压边力和摩擦系数对成形的影响规律分析试验表明，压边力对于汽车加油盒的成形影响最大，压延筋其次，摩擦系数最弱通过对汽车加油盒单因素影响分析，可以得出：当压边力、压延筋和摩擦系数参数值分别为20000N、设置压延筋和0.1时，零件最终成形的效果最好最后参考理论计算以及分析试验的结果，设计出模具，绘制出装配图，为汽车加油盒工业生产做理论基础。
关键词：有限元分析法，汽车加油盒，板料成形，数值模拟，工艺参数影响规律AbstractThis research introduced FEM, and used FEM software dynaform to finish Numerical Simulation of Box Filler Stamping. Controlling the result of Numerical simulation, I used Orthogonal test to analysis them, and summary the law which Draw bead, BHF and Friction coefficient affect box filler stamping. In the end, I referenced result of research to design the mould for box filler production.Key words: FEM, box filler, sheet metal forming, numerical simulation, process optimization目录1 绪论 61.1 板料成形的模拟技术 61.1.1 有限元分析法 61.1.2 有限元分析法在不同条件下的分析情况 61.1.3 Dynaform在冲压成形中的应用 81.2 汽车加油盒拉深成形研究现状 91.2.1 加油盒零件研究进展情况 101.2.2 加油盒在加工中存在的问题 101.3 研究内容 111.4 课题研究目的及意义 122 板料拉深成形数值模拟理论基础 132.1 拉深成形工艺参数的确定 132.2 有限元数值模拟 132.2.1 几何模型 132.2.2 材料参数 142.2.3 网格划分 142.2.4 单元类型选择 152.2.5 接触条件和加载 162.2.6 定义求解时间和输出文件步长 173 加油盒一次拉深预试验 183.1 加油盒拉深成形计算 183.1.1 拉深系数及次数计算 183.1.2 压边力计算 183.1.3 圆角半径和拉深模间隙计算 193.2 预试验前的准备 193.3 加油盒一次拉深正交试验设计 203.4 本章小结 224 加油盒零件两次拉深成形数值模拟 234.1 加油盒第一次拉深成形数值模拟 234.1.1 一次拉深工序件建模 234.1.2 模拟试验条件 244.1.3 试验结果分析 244.2 加油盒二次拉深试验第二次拉深成形 264.3 本章小结 265 加油盒拉深成形影响因数分析及模具设计 285.1 压延筋对加油盒拉深成形的影响 285.2 压边力对加油盒拉深成形的影响 315.3 摩擦系数对加油盒拉深成形的影响 335.4 加油盒冲压成形模具设计 345.5 本章小结 376 结论与展望 386.1 结论 386.2 展望 387 参考文献 391 绪论1.1 板料成形的模拟技术1.1.1 有限元分析法有限元分析（finite element analysis-FEA）诞生于二十世纪六十年代的，它是一种预测结构的偏移与其它应力影响的过程，有限元建模（FEM）将这个结构分割成单元网格以形成实际结构的模型，每个单元具有简单形态（如正方形或三角形），有限元程序将这些单个单元的刚度矩阵组合起来以形成整个模型的总刚度矩阵，并给予已知力和边界条件来求解该刚度矩阵以得出未知位移，从节点上位移的变化就可以计算出每个单元中的应力。
在有限元的理论和算法不断完善下以及计算机技术普及和计算速度的不断提高，有限元分析在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域都被广泛地使用，而且已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现为这几个方面：（1） 增加产品和工程的可靠性； （2） 在产品的设计阶段发现潜在的问题（3） 经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本（4） 缩短产品投向市场的时间（5） 模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费1.1.2 有限元分析法在不同条件下的分析情况有限元分析方法是目前金属模拟成形方法中最为广泛的分析方法有限元分析法功能强大在于它可以用不同形状、不同大小、不同类型的单元来描述任意形状的物体自有限元分析诞生以来，不断地被研究人员用于研究成形技术中，其中金属成形数值模拟就是一个方面就金属成形而言，有限元法可以分为固体型塑性有限元（solid formulation）和流动型塑性有限元（flow formulation）两类，其中固体型塑性有限元包含了弹塑性有限元和弹粘性有限元，而流动型塑性有限元包含了刚塑性有限元和刚粘性有限元一般情况下，弹塑性有限元适用于分析板料成形如拉延、弯曲、缩口等工艺，刚塑性、刚粘塑性有限元适用于分析挤压、锻造、压印、轧制等大变形的体积成形问题。
关于不同的分析方法、不同的材料模型、模拟零件形状等条件，研究人员做了不同的模拟研究：（1） 关于弹塑性有限元法1976年，Wifi用弹塑性有限元法模拟了圆形板料在半球形凸模作用下的胀形和拉延过程，1978年，Wang基于非线性薄壳理论采用弹塑性全Lagrange格式对一般形状的冲压成形问题进行了分析1985年，Makinouchi用弹塑性有限元法分析了弯曲和修边过程1988年，Nakamachi用弹塑性有限元法对方盒形拉延件进行分析，取得了和试验相一致的结果1989年，Nonecker用显式分析方法模拟了加油盒的成形过程在这之前，研究人员使用的计算方法还普遍是隐式分析，之后，显式分析法被逐渐广泛使用2） 关于刚塑性有限元法1973年，Kabayashi采用刚塑性有限元法模拟了板料冲压成形过程1980年，Oh.S.I.和Kabayashi用刚塑性有限元法对成形中的拉弯过程进行分析1984年，Wang用刚塑性有限元法对速率敏感材料的成形问题进行了分析1985年，Toh和Kabayashi采用板壳单元，刚塑性有限元法分析了三维方盒形件的深拉延过程3） 关于轴对称形状的零件件轴对称零件，形状左右对称，如圆筒形件、方盒形件等。
1978年，Onate和Zienkiewicz基于非牛顿流体的流动理论，用粘塑性有限元法分析了轴对称情形下的胀形和拉延过程2002年，哈尔滨工业大学的张凯峰采用刚粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分析程序，并对方盒的超塑成形进行了分析；李顺平采用刚塑性本构关系，对方盒形件的拉延成形过程进行了数值模拟4） 关于非轴对称形状的零件非轴对称零件的种类非常的多，汽车零件大部分都属于非对称零件随着汽车制造业地不断发展，人们碰到的问题越来越多，虽然问题都逐渐被一一解决，但是，由于汽车零件种类繁多，有些相对来说不太重要的零件还存在着许多问题还没有解决，研究领域还是存在部分的空白，比如像汽车加油盒1.1.3 Dynaform在冲压成形中的应用有限元分析软件正普遍地被用于各学校、研究所以及企业之中，目前在金属塑性材料成形分析领域中被广泛应用的有限元分析软件主要有：美国ETA公司的eta/Dynaform、MSC公司的MSC.Marc、美国ANSYS公司的ANSYS、德国AUTOFORM工程有限公司的Auto form、法国ESI集团的PAM系列软件等而本次模拟研究试验所使用的有限元模拟软件是美国ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板料成形数值模拟的专用软件dynaform来进行对加油盒零件模拟成形。
dynaform是LS-DYNA求解器与ETA/FEMB前后处理器的完美结合，具有操作简单，运算速度快，后处理模块功能强大（如图1 1所示等多个特点，是当今流行的板料成形与模具设计的CAE工具之一图1 1基于Dynaform后处理中网格筋壳片成形毛坯受应力情况Dynaform主要模块：（1） 基本模块：DYNAFORM中的基本模块提供了良好的与CAD软件的IGES、VDA、DXF、UG和CATIA等的接口，以及与NASTRAN、IDEAS、 MOLDFLOW等CAE软件的专用接口，以及方便的几何模型修补功能2） BSE（板料尺寸计算）模块：其模块功能主要是采用一步法求解器，可以方便地将产品展开，从而得到合理的落料尺寸3） DFE（模面设计）模块：DYNAFORM的DFE模块可以从零件的几何形状进行模具设计，包括压料面与工艺补充DFE模块中包含了一系列基于曲面的自动工具，如冲裁填补功能、冲压方向调整功能以及压料面与工艺补充生成功能等，可以帮助模具设计工程师进行模具设计Dynaform主要应用范围：（1） 冲裁、压边、拉延、弯曲、翻边、回弹、多工步成形等典型板金成形；（2） 液压成形、辊弯成形；（3） 零件模具型面设计；（4） 压机负载分析等。
Dynaform能够帮助工程技术人员减少冲压产品开发周期，解决模具设计中所关心的可成形性、起皱、回弹、压痕以及压力机吨位预测等问题，是高效的板金成形仿真工具与其他有限元分析软件相比较，Dynaform具有模拟结果精确、环境单一、自动化、兼有显示求解法与隐式求解法，能无缝转换等优点其前处理和后处理等模块功能强大，操作简单，受力和应力情况清晰易懂，而且可以直接导入绝大部分主流CAD、CAE数据格式，如IΗES、STL、UΗ、CATIA、PRO/E、AUTOCAD等，鉴于以上优点，选择dynaform作为本次研究实验所用的软件1.2 汽车加油盒拉深成形研究现状汽车加油盒（如图1 2所示）是一种曲面非轴对称的高拉延件，属于深拉成形件，其成形高度尺寸大于宽度尺寸，毛坯周边的变形分布极不均匀，材料的流动特点与直壁盒形件等对称零件存在很大的差别单边拉深高度很大，因此在拉深过程中，变薄率对加油盒零件来说很重要，而且当变薄率过大时，容易造成加油盒零件破裂的情况在工业生产中，汽车加油盒零件的生产与研发往往只是通过工人师傅的经验来进行工艺参数的选定，而这样会消耗大量的人力、物力和时间，使得生产研发事倍功半图1 2 汽车加油盒实体零件近些年来，随着CAD/CAE/CAM技术的不断进步发展，冲压模具及其。