板料成形数值模拟技术及其应用 一 板料成形数值模拟的研究现状二 板料成形数值模拟的科研和工程实例 引言 板料成形是一种复杂的非线性力学过程，它包含：几何非线性问题材料非线性问题接触非线性问题 用传统的解析方法很难求解，且误差较大，而近年来发展了用有限元法对板料成形过程进行数值模拟和分析的新技术 一 板料成形数值模拟的研究现状1 板料成形接触处理问题2 摩擦处理3 单元模型4 拉延筋模型5 材料模型6 缺陷的研究5 展望 1 塑性有限元理论 有限元方法通用性强：可以预测复杂板料成形过程中的应力、应变分布，成形过程所需要的载荷；可以模拟成形过程中发生的起皱与破裂以及成形后的回弹等；可以比较准确地分析各种工艺参数对成形过程的影响 1.1 用于板料成形过程数值模拟的塑性有限元法可以分为：弹塑性有限元法：在板料成形数值模拟中应用最广刚塑性有限元法：可被用于板料胀形、深冲等成形过程，但在板料成形中的应用是有限的粘塑性有限元法：主要用于热加工 1.2 根据对时间积分方法的不同，板料成形有限元算法可以分为：静力隐式、静力显式：是非条件稳定的，在解决低速接触问题中更有优势，而在解决复杂的二维模型时将会遇到较多难题动力显式：克服了隐式算法的缺点，不足之处在于解决像板料成形这样的条件稳定问题时必须尽量消除惯性力的影响 回弹是一个准静态问题，在板料成形中常常先用显式算法模拟成形阶段，而后用隐式算法模拟回弹。
近年来出现了基于形变的理论和技术，不容忽视 2 板料成形接触处理问题 2.1 要解决接触问题首先必须对模具进行描述，模具的一般表示方法有：解析函数法：只能用来表示类似于圆筒件等简单的模型参数曲面法：能较准确的表达模具曲面，但算法复杂效率低网格法：一定程度上克服了以上两者的缺点，为大多数研究者采用的方法 2.2 求解接触问题常用的算法有：拉格朗日乘子法：模拟出的结果更为准确，但是计算效率较差，而且对于变形大的单元容易造成收敛困难罚函数法：罚函数控制方程的阶数和带宽都小于拉格朗日乘子法，但是其因子的取值对计算结果的精度影响很大 3 摩擦处理 3.1 影响摩擦的一些参数 接触压力、滑动速度钢板和模具的材料特性、表面粗糙度润滑剂和同向变形以及模具的几何特性参数 3.2 传统的用于有限元模拟的摩擦力模型有两种:一是Amonton准则，也就是库仑准则 ，q是正应力;另一个是固定摩擦(constant friction) ,k是剪应力 近年来有关数值模拟之摩擦模型的研究有所发展，但还有待进一步深入。
4 拉延筋模型 至今为止，在板料成形中精确模拟拉延筋的影响还比较困难，通常的做法是将拉延筋复杂的几何形状抽象为一条能承受一定力的附着在模具表面的一条拉延筋线 通常用两种方法来处理拉延筋的作用:将拉延筋对板料的作用简化为一塑性流动问题用二维有限元根据拉延筋的大小和形状模拟出拉延筋的承载能力; 5 展望进一步优化时间积分方案能够将几种时间积分方案综合起来运用，各取所长继续对摩擦行为进行研究，建立更合适的接触算法优化各种本构关系，能够将成形极限图和有限元分析更好地结合起来将有限元模拟系统和神经网络、自动控制等结合起来形成大的分析系统 二 板料成形数值模拟的科研和工程实例1 矩形盒成形过程中合理压边力的确定2 汽车引擎盖成形过程数值模拟3 通过数值模拟研究弹性模量与 回弹的关系 1 矩形盒成形过程中合理压边力的确定1.1 前处理：利用UG或Pro/E绘制模具和毛坯曲面，转化为IGES格式文件然后将凸模、凹模、压边圈及毛坯的IGES格式文件读入DYNAFORM的前处理中 用UG建立的坯料CAD模型 1.2 网格化： 采用网格自适应划分，其中毛坯的网格最关键 1.3 定义工具及材料：在本实验中板料选用弹塑性材料模型，为厚向各向异性，选用材料库中的材料模型36，Belytschko-Tsay壳单元。
材质为st14钢，板厚为1mmn＝0.2084， r=2.05，K＝446.02MPa，弹性模量E＝227.75GPa，泊松比＝0.28冲头、凹模和压边圈均视为刚性体摩擦条件中，将接触处的摩擦统一设置为：0.08 1.4 模拟的后处理整体压边圈恒定压边力（15KN），成形高度35mm： 整体压边圈的变压边力：成形高度38mm 板料在凸模圆角处的减薄率增大了18.7％，已经进入破裂危险区 转角部分最大塑性应变已经减小到0.661387 1.5 变压边力条件下试验成形的试样变压边力曲线图成形试样图 1.6 结论 通过以上的数值模拟和试验验证，得出结论：在变压边力的作用下能够得到比恒定压边力下更好的成形效果优化后的变压边力与倒V型变压边力成形效果基本相同，都能得到成形极限较高的矩形盒 2汽车引擎盖成形过程数值模拟2.1 前处理 在UG环境建立该零件的CAD模型，并将其转化为IGES格式文件，从而在DYNAFORM前处理中导入 前处理环境下导入的CAD模型 2.2 对模型进行网格化处理网格化处理后的模拟图 2.3 后处理分析汽车引擎盖厚度变化云图 汽车引擎盖成形极限云图法兰起皱区安全区 2.4 实践生产得到的试样 2.5 模拟与试样的对比情况分析 通过在Dynaform环境下的数值模拟和实践生产的试样的对比，可知：模拟得出在法兰部分产生起皱，这与实际成形情况完全符合模拟最后得到无破裂区，这也完全符合实际成形情况 3 通过数值模拟研究弹性模量与回弹的关系3.1 前处理 建立建立板料弯曲成形的CAD模型，并导入到Dynaform前处理环境下，并进行网格化处理。
网格化处理后的模型坯料凸模凹模 设置坯料的材料参数，特别是计算材料成形的弹性模量E1E1 3.2 定义回弹处理模型通过有限元显式算法，由成形阶段得到成形结果，并将计算结果（dynain文件）导入到前处理环境下设置回弹模型并采用有限元隐式算法进行回弹计算，最后得到回弹后得材料模型 前处理的计算结果（dynain文件模型） E2进行回弹计算所设置的材料模型参数 3.3 回弹结果分析在零件上取一条截面线以更清楚地表现回弹效果，如下图所示在前处理中导入由不同E2材料模型得到的回弹的dynain文件，从而可比较观察由不同弹性模量得到不同的回弹量 回弹前回弹后某一截面线回弹前后比较 回弹前回弹后不同弹性模量引起的不同回弹量 3.4 结论弹性模量随塑性变形的进行是变化同时，不同的弹性模量对板料成形后的回弹量产生很大的影响 。