毕业设计（论文）-典型圆筒件拉深过程模拟.doc

江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区毕 业 设 计（论文）题 目：典型圆筒件拉深过程模拟系 ：机电工程系专 业：模具设计与制造班 级：09模具（1）班学 生： 学 号：指导教师： 职称：讲师摘 要板料的拉深成形是一个复杂的动态过程，在实际应用中经常会产生起皱、拉裂等各种缺陷，甚至可能产生废品，严重影响了我们正常的生产。目前对产品缺陷进行模拟分析并优化，主要就是凭借设计人员的经验和所了解的知识进行分析和解决问题，所以往往很难获得比较令人满意的优化结果。为了更好的解决这个问题，可以在CAD之后的CAE阶段运用数值模拟技术对拉深成形过程进行模拟分析，从而在产品开发的早期通过CAE分析及时避免后续过程可能出现的问题。考虑到我们所学知识和现有的个人运用模拟分析软件的模拟分析能力。因此选用了在拉深成形中最常见也是最典型的圆筒形零件作为这次分析的零件，针对网格疏密、压边圈和压边力等拉深成形的影响因素，采用有限元数值模拟软件DYNAFORM对典型圆筒件进行了拉深成形过程的数值模拟研究，数值模拟软件DYNAFORM能够较好的模拟拉深成形过程及其缺陷，充分利用数值模拟的结果，能够很好地解决板料冲压成形过程中的工艺参数优化问题，找出最优的网格疏密度以及最优的压边力。关键词：Dynaform；压边力；拉裂；起皱；数值模拟ABSTRACTThe drawing of the stamping workpieces is a complex and dynamic proeess. The workpieces are often creaked or winkled and even beeome useless during the actual production.At present，the analyses and optimization of the defects absolutely depend on the knowledge and experience of theteehnoerats.Therefore，we cant get the satisfying result on the average.In order to solve the problem above，we can use a numerical finite element approach during the CAE stage to simulate the sheet forming proeess after the CAD stage.On this ground，the potential sources of defects and failures can be foreeasted in the early time.The method introduced above is what we called Integration of CAD/CAE. We cant obtain the experiment data through the equipments and conditions available in view of the drawing of the covering parts need higher manufacturing and experimentation conditions.Therefore，we choose the columnar parts which is the most typical and familiar in drawing as the experiment base. According to the grid density, blank holders and blank holder force, the influence factors of deep drawing，we utilized the LS-DYNA-based sheet metal forming simulation solution software Dynaform to simulate the whole drawing process of columnar parts on the base. Numerieal software Dynafonn can simulate the drawing proeess and its defeets rightly, so it can provide aceurate training data to the optimilzation system. Find out the best of the best density and the grid of blank-holder force.Key words: Dynaform; Blank Holder Force; crack; wrinkling; Numerical simulation目 录第一章 绪论11.1引言11.2DYNAFORM简介21.3钣金拉深成形中压边力的分析41.4研究的目的和意义4第二章 典型圆筒件拉深的前处理62.1构思和准备62.2模具毛柸的建模和导入72.3网格处理82.3.1毛坯网格划分82.3.2模具的网格划分102.4材料参数102.5拉深过程数值模拟11第三章 网格划分对分析结果的影响153.1单元网格划分对求解精度的影响分析153.2单元网格质量的评价153.3检测有限元求解精度的方法173.3.1结果比较法173.3.2网格加密法173.4网格划分试验173.4.1第一次试验：毛坯网格大小6.0173.4.2第二次试验：毛坯网格大小3.0193.4.3第三次试验：毛坯网格大小1.0213.5试验结论23第四章 压边圈对分析结果的影响244.1起皱和压边圈的作用244.2第一次试验：有压边圈244.3第二次试验：无压边圈274.4结论分析29第五章 不同压边力模拟分析及最优压边力305.1 压边力对拉深成形的影响305.1.1压边力对起皱的影响305.1.2压边力对厚度的影响305.1.3压边力的理论值305.2不同压边力的模拟实验315.2.1几种典型缺陷情况模拟315.2.2几种典型缺陷情况分析345.3结果数据统计分析35第六章 总结及后期展望38参考文献39致 谢40江西理工大学2012届专科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1引言钣金拉深成形是现代工业的一种运用很广泛的加工成形方法，它广泛应用于航天、汽车等领域，是一个包括了数学、材料、几何以及边界条件等非线性复杂力学过程。由于冲压制件成形的力学过程很复杂，使传统的依靠经验和反复试模、修模，进行模具设计的方法不仅浪费材料还影响产品的研发周期。通过计算机模拟辅助模具设计，是现代模具设计发展的必然。Dynaform模拟分析软件，可以很好的模拟分析出成形过程中板料的起皱、拉裂、变薄、划痕，评估板料的成形性能，从而为模具设计及板料成形工艺提供帮助。它将在缩短模具设计周期和改善产品成形质量等方面发挥极其重要的作用。特别是对于很复杂的零件无法准确估算成形的结果，难预防各种缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的现有的工艺条件，通过不断的修模、试模才能成功。某些特殊复杂的零件甚至影响了整个产品的开发速度。板料冲压成形CAE模拟分析软件及分析技术，可以在产品设计阶段和模具设计阶段进行零件坯料形状尺寸计算、工艺方案优化及产品可成形性分析，从而有效地缩短模具设计周期，极大的减少修模和试模时间，帮助企业降低生产成本，改进产品质量，加速产品研发，从根本上提高企业的市场竞争力。在科学技术飞速发展的今天，信息化、低成本化、高效化已成为时代的主流，以往的模具设计及冲压工艺只能在众多简化的基础上进行简单的设计计算，然后凭借经验，反复修模、试模来生产出合格的冲压件。从而延缓了产品的研发，造成研发成本过高，使企业市场竞争力弱在竞争中处于弱势地位。所以各种原始的操作方法已不能适应时代的要求。对于传统冲压这种费时、费力、成本较高的技术, 严重影响了现代工业的发展。70年代起，有限元法开始应用于板料成形过程的模拟，各种成熟的CAE仿真软件应用于模具工业中, 有效地用来解决模具设计与制造中的难题如起皱、拉裂、回弹的模拟分析。伴随冲压成形的计算机仿真技术日渐成熟，并在冲压工艺与模具设计中发挥出越来越大的作用，成熟的仿真技术可以减少试模次数，在一定条件下还可使模具和工艺设计一次合格从而避免修模。这就可以大大缩短新产品开发周期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞争力。同时为工艺优化提供基础。所以,板料成形模拟CAE技术得到了很大的发展。90年代中期以后, 继续在有限元法、单元设计、材料模型、摩擦机理与模型等领域上研究, 并把重点转向解决实际加工中存在的工艺和技术问题, 如多工步成形、回弹模拟、起皱模拟、压边控制、复杂零件的成形、坯料形状设计、工艺设计和优化等。经过几十年的发展，板料成形数值模拟技术逐渐走向成熟，已形成商品化的板料成形分析CAE软件，得到许多工业部门的重视和应用。随着我国汽车、飞机等工业的发展，板料成形过程分析的需求日益迫切，板料成形CAE软件在我国的应用越来越广泛。当前可用于板料成形模拟的软件很多，可大体分为通用板料成形模拟软件和专用板料成形模拟软件。通用板料成形模拟软件如：ANSYS、ABAQUAS、PRO/MECHANICA、MARC和ALGOR；专用板料成形模拟软件如DYNAFORM、DYNAD、AUTOFORM、ROBUST、PAMSTAMP等。有专家预测，不远的将来，中国将成为世界最大的制造中心，这给我国的模具行业提供了前所未有的发展机遇。但是，国产的CAE软件，无论是功能、性能、商品化程度和应用的普及率，都与先进国家有很大的差距，软件研发人员也尝了较多的酸甜苦辣。建立和开发出拥有自主产权的CAE软件和强化模具CAE高技术人员的培养，已成为我国模具行业在上一个新台阶的关键。圆筒形件是典型的板料冲压成形制品，在其拉深成形过程中，坯料的凸缘部分是主要变形区，拉深时凸缘变形区的材料在切向均受到切向压应力的作用，当切向压应力过大，材料又较薄，切向压应力超过此时材料所能承受的临界压应力时，材料就会失稳弯曲而拱起。在凸缘变形区沿切向就会形成高低不平的褶皱，这种现象称为起皱。 但严重的起皱将不能满足制件的尺寸精度和使用要求，并且会导致坯料成形时不能顺利通过凸凹模间隙而造成拉裂失效。影响板料拉深成形制件起皱的主要因素有: ( 1) 凸缘部分材料的相对厚度；（2）是否采用压边装置以及压边力是否合适；( 3)凸缘部分的润滑条件；( 4)材料的机械性能，如材料弹性模量、毛坯相对厚度等；( 5)拉深成形时的阻力大小。1.2DYNAFORM简介DYNAFORM 是板料冲压成形的模拟分析软件中比较好的一种。DYNAFORM 是由美国ETA公司开发的专用软件用于板料成形模拟, 可以显著减少模具设计时间及试模周期, 不但易于使用，而且还包括很多自动工具，可快速准确地求解各类板料成形中所产生的问题。DYNAFORM可以模拟分析成形过程中材料的拉裂、回弹、变薄、起皱，评估板料的成形性能，从而为模具设计及板料成形工艺提供帮助。DYNAFORM 包括板料冲压成形分析所需的与CAD软件导入导出、前处理、分析求解、后处理等所有功能。目前,DYNAFORM已在世界各大航天、汽车、钢铁，及众多的科研单位和大学得到了广泛的应用，自进入中国以来，DYNAFORM已在南京汽车、长安汽车、上海宝钢等知名企业得到成功、广泛应用。通过该软件进行数值模拟，可以全面了解板料在变形过程中的应力和应变分布，预测各种成形缺陷的出现。DYNAFORM软件分析流程为：CAD模型的建立、模型的导入、网格划分及修补、工具的定义、成型工艺参数(如模具间隙、压边力等)的设置、LS-DYNA计算求解、结果的模拟分析。DYNAFORM软件是美国ETA公司和LSTC公司联合研发的用于板料冲压成形数值模拟的专用软件，是LS-DYNA求解器与ETA/FEMB前后处理器的完美结合，是当今流行的板料成形与模具设计的CAE工具之一。（1） 基本资料 Dynaform 软件基于有限元方法建立, 被用于模拟钣金成形工艺。在其前处理器上可以完成模型的导入导出、网格的划分及修补和工艺参数的设置。求解器(LS-DYNA)采用的是世界上最著名的通用显示动力为主、隐式为辅的有限元分析程序，能够真实的模拟板料冲压成形中各种问题和缺陷。后处理器通过CAD技术生成动画仿真效果，可以更加直观的通过动画显示各种模拟分析结果。Dynaform软件可应用于不同的领域，家电、厨房卫生、汽车、航空航天等行业。可以模拟冲压成形过程中板料的起皱、拉裂、变薄、表面质量、回弹，评估板料的成形性能，从而为模具设计及板成形工艺提供帮助。Dynaform软件设置步骤与实际生产过程中的步骤是一致的，易于上手。用来进行模具设计的话可以对冲压生产的全过程进行模拟：坯料的变形、拉延过程、压边圈闭合过程、切边回弹、回弹补偿、胀形、翻边、弯管成形、液压成形。（2）DYNAFORM-功能介绍 基本模块 DYNAFORM提供了与CAD软件的IGES、VDA、DXF等格式的导入，UG和Pro/e等接口, 以及与IDEAS ，MOLDFLOW ,NASTRAN等CAE软件的专用接口，以及方便的几何模型以及网格的修补功能。IGES模型转入自动消除各种孔和槽。DYNAFORM的模具网格自动划分与网格的自动修补功能强大，用最少的单元最大程度地逼近模具型面。比其他软件用于模具的网格划分的时间减少了许多！初始板坯生成器，可以根据模具最小圆角大小自动确定最优的板坯网格大小，并尽量采用四边形单元，以确保计算的准确性。快速设置（Quick Setup）,能够辅助用户快速地完成各种成形参数的设置与工具的定义，大大提高了前处理的效率。 BSE(板料尺寸计算)模块 采用一步求解法求解器，可以方便快速的展开产品，估算出坯料的尺寸，从而得到合理的落料尺寸。 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。 （2） DYNAFORM-主要应用 冲压、回弹、压边、拉延、多工步成形、弯曲等典型钣金成形过程 弯管成形、液压成形 压机负载分析 模具设计等1.3钣金拉深成形中压边力的分析压边力的大小是板料拉深成形中重要的工艺参数，也是板料冲压成形中的重要控制手段。板料拉深成形过程中，拉裂和起皱等缺陷都可以通过压边力的调整来减少甚至消除。压边力优化控制是既要防止拉裂，又要防止起皱。为了得到最优压边力值，必须根据理论公式有针对性地选择对压边力最有影响的因素来作为我们控制和输入的主要参数。让我们有据可依。但目前对于复杂形状板料成形压边力还没有比较准确的理论公式，主要还是针对典型圆筒件。适合在没有明确的计算公式的情况下对数据进行处理，因此优化控制很方便。这也是此次毕业论文选择典型圆筒件做为模拟分析零件的一个重要原因。1.4研究的目的和意义近年来，模具设计与制造中的CAD和CAE仍然保持相对独立和相互封闭的状态，这种情况下就使得模具CAD和模具CAE的信息不能实现互相辅助，其直接后果就是造成了许多重复劳动与资源的浪费。目前CAD和CAE集合还没有取得什么实质性的进展。其主要原因有两个，一个是对于比较复杂的零件它的模具结构往往也比较复杂，三维建模过程也比较繁琐；第二个是板料冲压成形是一个复杂动态过程。因此塑性成形CAE仿真的过程和复杂程度都与一般的线弹性CAE有限元分析有很大不同，往往是采用非线性有限元法进行求解。虽然板料成形过程数值模拟技术的发展和应用取得了积极的效果，但是在实际运用的过程当中还存在很多的问题。选用典型圆筒形零件作为分析零件，针对压边力、压边圈和网格疏密这几个拉深成形的主要影响因素进行模拟分析，再通过模拟分析出来的大量分析结果来计算分析去出最优压边力及最优的网格疏密度，通过分析得出结果能够大大缩短模具调试周期、缩短试模周期、降低制模成本、加速产品换代，从而打到缩短整个产品及模具的设计与制造周期，提高市场竞争力，从而取得显著的经济效益和社会效益。第二章 典型圆筒件拉深的前处理板料成形数值模拟技术的一个突出成就是实现了汽车覆盖件的成形模拟，但是汽车覆盖件的实际生产条件较复杂，本次设计时间紧迫再加上对软件的不熟练如果选择复杂零件作为研究对象，很多的分析根本就无法实现。因此，选用了在拉深成形中最常见的典型圆筒件作为研究分析对象。本次数值模拟实验的软件选用了DYNAFORM钣金成形有限元分析软件。“eta/DYNAFORM”是由美国ETA公司和LSTC公司联合开发的基于LS-DYNA的钣金成形的专用模拟软件。DYNAFORM可以显著地减少模具设计时间、产品研发周期试模周期和费用，是钣金冲压成形模具设计的理想CAE工具。2.1构思和准备在板料拉深成形过程中，影响板料成形质量的影响因素有很多，其中诸如拉深模具参数、压边力的大小、凹凸模圆角半径、材料性能、润滑条件和材料形状、大小和厚度等等都是板料拉深成形过程中重要的影响因素。在这些因素当中，压边力的大小对板料冲压成形质量影响最为明显，而且以上这些影响因数中最容易调节和控制的也是压边力的大小。板料拉深成形过程中的最主要的缺陷就是拉裂和起皱。为了防止发生起皱，一般都采用压边圈装置和较大一些的压边力。但是，较大的压边力尽管可以起到防止起皱的目的，但较大的压边力同时又可能会引起拉裂。以往模具设计中，通常就是依靠经验设置一个压边力来试冲，再根据零件冲压出来的结果来调整压边力大小，有时试冲很多次都不能找到一个使零件既不拉裂也不产生起皱的最优压边力，不仅造成材料的浪费，也增加了产品研发与模具的制造周期。随着计算机仿真技术在钣金冲压成形中的应用，这一难题得到了有效的解决。为了更加直观地观察和研究拉深成形过程中材料的变化(拉裂、起皱、变薄等)、应力应变分布及方向和压边力对成形缺陷的影响。本文通过Dynaform软件来对典型圆筒件拉深过程进行计算机仿真模拟，将仿真结果进行分析。此次拉深模拟选择了厚度t=0.4mm，长宽皆为l=100mm的O8F钢板。凸模在上，凹模在下，凸模外围为压边圈，压边力方式为橡胶式。凹模直径61mm，圆角半径4mm。凸模直径6Omm，圆角半径2mm，凸凹模的单边间隙p=0.5mm。拉深用毛坯为R=100mm圆形毛坯。考虑到要和数值模拟结果对比分析，我们采用结果比较法，即其他参数一样，只有一个变量。网格采用3mm为间隔划分网格。2.2模具毛柸的建模和导入建模选用Pro/e软件进行分析前的三维建模。由于此次主要是对典型圆筒件拉深过程进行模拟分析时间有限模具就不重新设计了，直接选用已设计好了的模具，所以我们已经可以确定拉深模具的结构和尺寸。建模如图2-1所示。在pro/e中建模后，以IGS格式导出。在Dynaform中，新建一个数据库，导入之前在Pro/e中建立的凸、凹模的模型，如图2-2所示。 图2-1 模具与毛柸模型图2-2 导入模型2.3网格处理由于板料成形的过程很复杂，其成形过程模拟就至关重要了，对有限元分析精度和有限元网格的质量的要求就更高了。网格的疏密将直接影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来说，随着网格数量的增加，计算精度会有所提高，但同时计算量也会增加即计算时间也相应的增加了，所以在确定网格疏密度时应综合这两个因素。此次模拟的零件相对简单，网格选为较小的密度，凸模圆角处和边缘处最容易出现缺陷，所以此处网格的密度就要适当加大，以保证能够准确地模拟出拉深成形过程及结果。Dynaform带有自动网格划分功能，模拟过程直接采用默认形式即可。2.3.1毛坯网格划分通过Pro/e导入的模具及毛坯模型，在毛坯上选取一个面用板坯生成器划分毛坯网格，如图2-3所示。图2-3 毛坯网格划分图2-4 模具网格划分2.3.2模具的网格划分通过曲面网格划分命令，创建单元的方式生成模具的网格划分，包括凸模、凹模和压边圈，网格划分参数采用默认值最大尺寸值修改为3.0mm，如图2-4所示。2.4材料参数在用Dynaform进行数值模拟时，材料参数是很重要的，直接关系到模拟结果是否符合真实的结果，通过查找文献和手册，查得08F的材料性能参数如表2-1。在选择材料时候，在Dynaform材料库中选择性能最接近的CQ的T36，再填入查得的08F性能参数，如图2-5所示。以及CQ的T36的FLD曲线图，如图2-6所示。表2-1 08F材料性能参数图2-5 材料性能参数图2-6 材料的FLD曲线图2.5拉深过程数值模拟保存数据库，然后打开文件。选择菜单ToolsAnalysis setup。选择缺省的单位作为单位系统。缺省的单位系统为mm(毫米)，Netwton（牛），second（秒）和Ton（吨）。选择好单位后选择setup菜单下面的AutoSetup子菜单进入自动设置。在自动设置中设置单元的物理偏置、接触配置、定义毛坯和工具等。在自动设置中模拟类型选择Sheet forming，料厚选择0.4mm，工艺类型选择Double action，工具参考面选择凹模/凸模，如图2-7所示。然后定义毛坯及毛坯材料，如图2-9所示。定义板料对称面，如图2-8所示。定义工具，如图2-10所示。最后预览拉深过程，检查是否与实际符合，如图2-11所示。图2-7 自动设置图2-8 对称面的定义图2-9 毛坯及材料的定义图2-10 工具的定义图2-11 拉深预览检查无误。提交任务，运行LS-Dyna由计算机运算得出后处理的d3plot文件，如图2-12所示。图2-12 运算图第三章 网格划分对分析结果的影响有限单元法（finite element method）是一种高效能、常用的计算方法。有限元法的基本思想是把一个连续体离散成有限个单元的组合体,对通过节点连接的单元进行单元分析。从数学的角度来分析有限元法，有限元法是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示并利用计算机求解的一种数值分析方法。它的分析过程可以分为前处理、任务提交与计算及后处理三个阶段。其中，根据零件实际形状和实际条件建立有限元分析的计算模型，为有限元数值模拟提供必要的原始数据，是整个有限元模拟分析过程的关键。由于零件结构形状和钣金冲压成形的复杂性，要建立一个符合实际情况的有限元模型需要考虑多种因素，而且数据的误差也将直接影响计算结果的准确性。对于有限元这样一种数值分析方法，在单元形状确定之后，当单元网格划分越来越细时，模拟的精度就越高。增加网格数量和密度，计算精度一般也会随之提高。但是，如果只顾着增加网格疏密度提高精度，这将会增加网格划分的时间以及运算时间。所以，在实际运用中，用多少的网格疏密度既能保证精度又不至于耗费太长的计算时间也是一个难题。本次通过对不同网格疏密度进行分析比较，确定出最优的网格疏密度，希望能为提高有限元求解精度及求解时间提供参考。3.1单元网格划分对求解精度的影响分析单元网格的质量和数量对求解精度和求解过程影响比较大，如果结构单元由正方形、等边三角形、立方六面体、正四面体等单元构成，则求解的精度非常接近于实际值，但是这种理想情况是在实际操作中很难做到。必须根据零件以及模具的不同形状及特征，设计不同形状、不同种类、不同大小的网格，才能确保有限元分析的准确性，有效地改善单元网格的质量和求解精度。因此，判断一个有限元网格的好坏，应当从选择单元类型、单元网格划分的数量、网格疏密度及网格质量几方面考虑。3.2单元网格质量的评价我们说了那么多单元网格划分对分析精度以及求解精度的影响。那么一个高质量的单元网格是怎么样的呢，应当符合什么样的标准呢。一个高质量的单元网格应当综合计算时间、计算机容量及实际生产中的精度要求等因素，来确定单元网格的疏密度，设定合理网格疏密度。应该在应力集中区域用较密的网格，而在其它应力平缓变化的区域，则用较稀疏的网格，来减少网格的数量，缩短求解时间。另外，在采用人工方法划分网格时，应注意网格的几何形状是否合理。单元网格质量评价一般注意以下几点：(1)单元的边长比。理想单元的边长比为1。对于同样形状的单元，线性单元对边长比的敏感性比高阶单元的敏感性高，非线性分析比线性分析更敏感。(2)疏密过渡。应力、应变集中区域的网格密度应大一些，而对有限元模拟分析影响比较小的区域可采用柔性平稳过渡方法过渡到较稀疏网格。即要柔性过渡，切不可忽大忽小的刚性过渡。(3)节点和单元。在手动划分网格时，要注意消除重复的节点和单元。为了能够有效地控制单元网格的划分质量，提高分析精度和有限元求解精度，有以下几点建议供进行网格划分时参考。1) CAD软件中的实体三维建模分两种：一种是基于特征的参数化建模；第二种是空间曲面的自由混合造型。现有的CAD软件实体三维建模功能已经远远超出了CAE软件。有些CAD实体三维模型对制造方面的检测来说已经具备精度要求，但是对于有限元网格划分来说却还不能够满足其要求。许多情况下，CAD实体模型包含很多设计细节，如狭窄的槽、细小的孔，甚至是实体建模过程中所形成的曲面等。这些细节往往不是根据结构要求考虑的，但是如果要保留下这些细节的话，势必会增加单元的数量，甚至会掩盖问题产生的主要原因，对分析结果造成不利的影响。因此，在将CAD实体模型导人CAE软件之前，首先应将CAD模型修改成适合CAE有限元分析的模型。如果实体模型和有限元分析的要求相差太远时，也可利用CAD或者CAE软件的造型功能修正实体模型。2) 有限元分析软件（如Dynaform）的单元库中都有各种低阶次高阶次的单元。对于应力应变变化较大区域、几何尖角处，有限元分析时应尽量选择高阶次的单元，并适当的增加单元网格疏密度。这样，既保证了单元的形状，同时，又提高了求解准确性、精度。全自动划分网格时，优先考虑选用高阶单元。3) 在网格划分和初步求解时，应做到先简后繁，先粗后精。为了提高求解效率及精度，应采用对称模型或子结构，充分运用对称与重复等特征来提高求解精度和效率。随着网格划分技术越来越趋于自动化，越来越完善，自动网格划分技术得到了很大的进展。网格自动划分是在分析条件达不到的低阶单元体的情况下适当的提高单元体的阶数来提高分析的效率和精度。这种良好的和有效的自动网格划分，可以使有限元分析在现有网格基础上，提高了有限元求解精度和工作效率，极大地降低劳动强度。3.3检测有限元求解精度的方法在运用有限元法解决模具设计与制造实际生产问题的过程中，以往对有限元计算结果精度和正确性的判断依据主要是设计人员的经验，如通过观察变形趋势是否符合实际生产的变形趋势，根据对该问题的认识和分析经验，确定有限元结果是否达到精度要求是否正确，等等。很明显，这种方法带有一定的主观色彩在里面。相比之下，采用结果比较法或网格加密法更科学一些。3.3.1结果比较法在进行有限元分析时，可先设置一个网格疏密度进行试运算。检查并比较关键部位（如凸模圆角处和凸缘处）或应力应变集中部位的节点运算结果。如果运算出来两者的值比较接近的话，就不用重新计算直接采用就可以了。否则，应该进一步增大网格密度，重新运算。结果比较法重要的一点是只能有一个变量其他参数应都保持恒定。3.3.2网格加密法同样也是先设置一个单元网格疏密度进行试运算，然后对网格进行加密，比较这两次的运算结果。如果运算出来两者的值接近的话，则说明运算精度较好，单元网格疏密度合理。否则，则应该进一步的增大单元网格疏密度，重新运算。一般来说，对于精度较高的单元来说，用不同数量的节点，运算结果很快就会达成一致。用“网格加密法”很快就能准确的判断单元网格疏密度是否合适。3.4网格划分试验3.4.1第一次试验：毛坯网格大小6.0首先导入在PRO/E里建好的模型，保存数据库。然后对其进行网格划分，如图3-1所示。图3-1 网格划分分好的毛坯网格，如图3-2所示图3-2 毛坯网格分好网格之后就按照上一章的前处理的步骤，设置好毛坯厚度和材料，并定义且定位好工具，设置好压边力。最后就是后处理了，提交任务，完成后进入后处理ETA/POST。打开刚刚提交的任务。最终处理的成形极限图如下：图3-3 厚度图图3-4 成形极限图图3-5 主要应变图图3-6 平面应变图3.4.2第二次试验：毛坯网格大小3.0毛坯Blank分网后的结果如下：图3-7 毛坯分网图第二次试验比第一次试验网格划分的更细，其他的设置不变。模拟的最终成形极限图如下：图3-8 厚度图图3-9 成形极限图图3-10 主要应变图图3-11 平面应变图3.4.3第三次试验：毛坯网格大小1.0毛坯分网后结果如下：图3-12 毛坯分网图可以很直观的看到这次比第二次的网格划分的更加的细，但计算时间也就更久了，后处理的成形极限图如下：图3-13 厚度图图3-14 成形极限图图3-15 主要应变图图3-16 平面应变图3.5试验结论通过3次试验我们可以很直观的看到网格划分的不同对分析结果有什么影响。下面我们列表总结一下试验结论。列表如下，表3-1所示。其中毛坯指网格划分大小，单位mm表3-1 试验结论试验次数试验现象计算时间1：毛坯6.0凸缘起皱严重，并且凸缘处有处毛刺约6分钟2：毛坯3.0凸缘处严重起皱消失，但还是有许多褶皱15分钟3：毛坯1.0没有严重起皱，凸缘处褶皱淡化了很多变得光整了25分钟当再往下划分时并不能得到有效的结果，故我们取这3次的结果来分析，我们采用结果比较法，得出最好的试验结果是第三次毛坯网格大小为1.0mm，但运算时间过长，综合网格质量评价，故我们选第二次试验的结果：毛坯网格大小为3.0mm。作为最优网格疏密度，下列试验介采用3mm的网格疏密度。第四章 压边圈对分析结果的影响4.1起皱和压边圈的作用拉深时凸缘变形区的材料在切向均受到切向压应力的作用，当切向压应力过大，材料又较薄，切向压应力超过此时材料所能承受的临界压应力时，材料就会失稳弯曲而拱起。在凸缘变形区沿切向就会形成高低不平的褶皱，这种现象称为起皱。起皱在拉深薄料时更容易发生，而且首先凸缘的外缘开始，因此此处的切向压应力最大。变形区一旦起皱，对拉深的正常进行是非常不利的。因为毛坯起皱后，拱起的褶皱很难通过凸、凹模间隙被拉入凹模，如果强行拉入则拉应力迅速增大，容易试毛坯受过大的拉力而导致断裂报废。即使模具间隙较大，或者起皱不严重，拱起的起皱能勉强被拉进凹模内形成筒壁，皱折也会留在工件的侧壁上，从而影响零件的表面质量。同时，起皱后的材料在通过模具间隙时与凸模、凹模间的压力增加，导致与模具间的摩擦加剧，磨损严重，使得模具的寿命大为降低。因此，起皱应尽量避免。拉深是否失稳，与拉深件受的压力大小和拉深件的凸缘变形区几何尺寸有关，主要决定于下列因素：（1）凸缘部分材料的相对厚度凸缘部分的相对料厚越大，即变形区较小料厚，因此抗失稳能力强，稳定性好，不易起皱。反之，材料抗纵向弯曲能力弱，容易起皱。（2）切向压应力的大小拉深时切向压应力的值取决于变形程度，变形程度越大，需要转移的剩余材料越多，加工硬化现象越严重，则切向压应力越大，就越容易起皱。（3）材料的力学性能板料的屈强比小则屈服极限小，变形区内的切向压应力也相对减小，因此板料容易起皱。当板厚向异性系数R大于1时，说明板料在宽度方向上的变形易于厚度方向材料易于沿平面流动，因此不容易起皱。（4）凹模工作部分的几何形状如果不能满足上述式子的要求，就要起皱。在这种情况下，必须采取措施防止起皱发生。最简单的方法（也是实际生产中最常用的方法）是采用压边圈。加压边圈后，材料被强迫在压边圈和凹模平面间的间隙中流动，稳定性得到增加，起皱也就不容易发生。下面我们就有无压边圈来进行一次试验来分析上述结论是否正确。4.2第一次试验：有压边圈首先导入在PRO/E里建好的模型，保存数据库。然后对其进行网格划分，如图4-1所示。图4-1 网格划分分好的毛坯及模具网格，如图4-2所示图4-2 毛坯及模具网格划分分好网格之后就按照第二章的前处理的步骤，设置好毛坯厚度和材料，并定义且定位好工具，设置好压边力。最后就是后处理了，提交任务，完成后进入后处理ETA/POST。打开刚刚提交的任务。最终处理的成形极限图如下：图4-3 厚度图图4-4 成形极限图图4-5 主要应变图图4-6 平面应变图4.3第二次试验：无压边圈首先导入在PRO/E里建好的模型，保存数据库。然后对其进行网格划分，分好的毛坯及模具网格，如图4-7所示。图4-7 毛坯及模具网格划分无压边圈的设置和第二章讲的设置有些许不同。需将自动设置中的工艺类型设置为Crash form，如图4-8所示。图4-8 自动设置设置好之后按照第二章的前处理设置，设置好毛坯厚度和材料，并定义且定位好工具，不同的是不用设置压边圈这个工具了。最后就是后处理了，提交任务，完成后进入后处理ETA/POST。打开刚刚提交的任务。最终处理的成形极限图如下：图4-9 厚度图图4-10 成形极限图图4-11 主要应变图图4-12 平面应变图4.4结论分析 通过厚度图我们不难发现，无压边圈的起皱很严重而且厚度无明显变化，即无变薄。而有压边圈的凸缘很平整只有些许褶皱。通过上述试验我们得出结论：压边圈能够很好的防止起皱，能够作为防止起皱的措施。第五章 不同压边力模拟分析及最优压边力5.1 压边力对拉深成形的影响压边力的大小是板料拉深成形中重要的工艺参数，也是板料冲压成形中的重要控制手段。板料拉深成形过程中，拉裂和起皱等缺陷都可以通过压边力的调整来减少甚至消除。压边力过小，板料容易发生起皱；压边力过大，虽可减小或避免起皱，但有可能使板料变薄以致造成拉裂，同时模具的表面会因为压边力过大导致受损，从而会导致模具寿命减少和板料冲压成形的质量不好。在实际生产中，为了保证模具寿命、确保产品质量和提高生产率，要求尽可能的一次冲压成形，这样压边力大小的控制和调整，成为了防止出现拉裂和起皱的重要手段。实际生产中压边力的大小要根据既不被拉裂也不起皱这个原则，所以压边力既不是越大越好，也不是越小越好。并在试模中检验和调整。5.1.1压边力对起皱的影响拉深时切向压应力的值取决于变形程度，变形程度越大，需要转移的剩余材料越多，加工硬化现象越严重，则切向压应力越大，就越容易起皱。拉深时凸缘变形区的材料在切向均受到切向压应力的作用，当切向压应力过大，材料又较薄，切向压应力超过此时材料所能承受的临界压应力时，材料就会失稳弯曲而拱起。在凸缘变形区沿切向就会形成高低不平的褶皱，这种现象称为起皱。起皱在拉深薄料时更容易发生，而且首先凸缘的外缘开始，因此此处的切向压应力最大，并使切向压应力的最大值小于临界起皱应力从而避免起皱。5.1.2压边力对厚度的影响实际生产结果与模拟结果皆表明：同其他部位相比，零件的凸模圆角处最容易也是最先被拉裂。拉深开始时，凸模与毛坯中间部分首先开始接触。并在凸模圆角处开始折弯由于接触处要承受全部拉力，故凸模圆角处材料会发生严重变薄，甚至于拉裂。凸缘至凸模圆角处材料也会变薄甚至拉裂但要慢于小于凸模圆角处。因此，增大压边力可以减少或消除起皱现象，但是同时也可能会导致坯料被拉裂。故要选择合理的压边力是至关重要的。5.1.3压边力的理论值 单位压边力的数值，决定于材料的拉深系数、机械性能(与)、厚度和摩擦润滑条件等。一般说来，当材料厚度小、强度高，拉深系数小时，必需的最小单位压边力较大；反之，最小单位压边力较小。圆筒形件拉深理论压边力的大小可以按以下经验公式计算：= (5-1)式中:凡为压边力；D为毛坯直径；试为拉深件直径；几为凹模圆角半径；q为单位压边力，本文中材料的单位压边力取5MPa。经计算，所需的最小压边力15kN。5.2不同压边力的模拟实验5.2.1几种典型缺陷情况模拟首先压边力设置为5kN来进行模拟分析。由图5-1可以很看到压边力为5KN时已经出现了起皱现象，起皱区域在凸缘处，起皱趋势区域也较大，也发生在凸缘处和凸缘圆角处，安全区域也不够，说明这个时候的压边力还不足以达到最好的拉深质量，要得到拉裂、更明显的起皱情况，需要分别增大和减小压边力。图5-2所示为压边力值逐渐减小所得到的FLD图。图5-1 压边力为5kN的FLD图a)压边力为2.5kNb)压边力为1.75kNc）压边力为1kN图5-2 压边力逐渐减小的FLD图由图a)可见压边力为2.5kN的时候出现了较明显的起皱，并且起皱区域呈扩大的趋势。从外观上来看这已经属于是有缺陷的制件了。可见压边力为2.5kN的时候开始起皱现象开始明显了，因此可以再减小压边力来得到更加明显的起皱。由图b)可见在1.75kN压边力的情况下，出现了很明显的起皱，起皱趋势区域也进一步的扩大。起皱区域是在凸缘部分快蔓延到凸缘圆角处了，这是因为压边力过小。因此继续减小压边力就可以得到更严重起皱的情况了。由图c)可见压边力在1kN的情况下，拉深件己经严重起皱出现在凸缘部分和部分凸缘圆角处。a）压边力为10kNb）压边力为20kNc）压边力为30kNd）压边力为40kNe）压边力为50kNf)压边力为60kN图5-3 压边力逐渐增大的FLD图相反的，从5kN往上逐渐增大压边力，其FLD图如图5-3所示。由图a)可见，压边力为10kN时零件外观质量良好，无拉裂和起皱，但起皱趋势区域还是相对较大出现在凸缘处，说明10kN的压边力还不是最优压边力，不能得到较好的拉深质量。由图b)可见压边力在20kN的情况下，零件外观质量良好，起皱趋势区还是不够完美，并且安全区还没有饱和，由此可见20kN的压边力还不是最优压边力不能得到最佳的拉深效果，还要继续增大压边力进行模拟分析。由图c)可见30kN时，拉深件外观质量良好，起皱趋势区明显减小，安全区增大，说明理论的压边力与实际生产情况还是有一定的差距。故继续增大压边力求出最优压边力以及最佳拉深质量，并且找到出现拉裂的压边力是多少。由图d)可见压边力为4OkN时拉深件外观质量良好，起皱趋势区继续减少，但安全区域已经趋于饱和状态了。所以最优压边力应该在20-40kN之间。由图e)可见5OkN开始出现危险区，外观看拉深件质量良好，但是其实坯料已经拉的很薄了不适合使用了，应该已经存在缺陷了，预计将在50kN以上会出现拉裂。由图f)可见压边力在60kN时已经完全拉裂了。所以出现拉裂的压边力在50-60kN之间。5.2.2几种典型缺陷情况分析通过数值模拟，分别得出了板料拉深成形过程中的几种典型的缺陷（起皱、拉裂等）。通过相同的网格疏密度（3mm），我们可以从网格变化情况对比各组数值模拟的结果。下面我们分别对这几种典型情况进行分析：1. 起皱拉拉深时凸缘变形区的材料在切向均受到切向压应力的作用，当切向压应力过大，材料又较薄，切向压应力超过此时材料所能承受的临界压应力时，材料就会失稳弯曲而拱起。在凸缘变形区沿切向就会形成高低不平的褶皱，这种现象称为起皱。变形区一旦起皱，对拉深的正常进行是非常不利的。因为毛坯起皱后，拱起的褶皱很难通过凸、凹模间隙被拉入凹模，如果强行拉入则拉应力迅速增大，容易试毛坯受过大的拉力而导致断裂报废。即使模具间隙较大，或者起皱不严重，拱起的起皱能勉强被拉进凹模内形成筒壁，皱折也会留在工件的侧壁上，从而影响零件的表面质量。同时，起皱后的材料在通过模具间隙时与凸模、凹模间的压力增加，导致与模具间的摩擦加剧，磨损严重，使得模具的寿命大为降低。防皱的影响因素有很多，包括模具设计、变形程度、材料厚度、材料特性、压边力等。常见的防皱措施是采用便于调节压边力的压边圈，把凸缘紧压在凹模表面上。理论和实践表明：凸缘部分的相对料厚越大，即变形区较小料厚，因此抗失稳能力强，稳定性好，不易起皱。反之则易起皱。因为凹模与凸模之间间隙小了板料切向压应力增大从而使板料不能增厚起皱而向径向扩展。当然也不是说间隙越小就越好，这要对零件的外观、精度以及模具的寿命、磨损等方面的问题加以综合考虑，定出合理的模具间隙。2. 拉裂典型圆筒件拉深时产生拉裂的原因，可能由于凹模和凸模间的间隙过小；或者是由于压边力过大，使增大；或者是模具过于粗糙板料活动受阻；或者压边圈与模具分型面不吻合，使压边力分配不均；或者是变形程度太大，即拉深比D/d大于极限值；总之，当拉深的变形抗力超过材料抗拉强度极限时，拉深件就要被拉裂。为了防止拉裂，我们可以根据板材成形性能，增加凸模表面的粗糙度；增大凹模与凸模之间的间隙；采用适当的拉深比和压边力；改善凸缘部分的润滑条件；选用抗拉强度强的材料等。5.3结果数据统计分析根据压边力的计算公式算得压边力的理论值，根据理论值在寻找最优压边力的实验中首先设置压边力大小为15KN。图5-4所示即为压边力15kN时模拟的成形极限图。图5-