基于CADCAE的桶形件变压边力冲压成形工艺研究开题报告

南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名： 学 号：专 业 ： 机械工程及自动化设计 (论文 )题目 ： 基于 CAD/CAE 桶形件的变压边力冲 压 成 形 工 艺 设 计指 导 教 师 : 2009 年 3 月 22 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3 “文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15 篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞典、手册） ；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009 年 3 月 15 日”或“2009-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 本文总结了变压边力在国内外现状和研究方向，阐述了研究变压边力的重要性以及发展的趋势，介绍了用于变压边力技术研究的有限元数值模拟和 DYNAFORM 模拟软件，最后给出了课题研究方法。关键词 变压边力 DYNAFORM 有限元法 薄板拉伸中的主要缺陷为起皱和开裂，压边力过小，板材容易失稳起皱，压边力过大，材料流动困难，容易拉裂。这两种缺陷实质上都是板材塑性变形不能稳定进行的结果。为了防止起皱，通常需对冲压件施加一定的压边力。在成形中，不同时刻需要的压边力是不一样的，传统的刚性压边和弹性压边渐渐难以满足日益复杂的拉伸件工艺的要求。而本课题研究的桶形件是轴对称件，对变压边力的研究就显得尤为重要1。1 变压边力研究的国内外现状1.1 变压边力的加载模式国外从 20 世纪 80 年代开始研究可调节边装置，直到现在一直处于改进和使用阶段，尚未在生产中普及开来，目前实际生产中应用的主要还是传统的压力方法 2。一般讲，压边力控制曲线的加载模式有 4 种，分别为恒定压边力加载模式，典型的控制曲线加载模式还有增加模式，减小模式和混合模式。如图 1 所示。图 1 压边力的加载模式第一套可调控的压边力控制设备由 Hardt 等人设计的，用来得到恒定的单位压边力。单位压边力自始至终被保持在不起皱的最小值上防止破裂。随后 Hardt 又单独进行了独立的研究。他用冷轧钢板成形杯形件，做了大量的实验并通过一个 PI 控制器，利用反馈值控制给压力圈施力的伺服器，更可靠地达到控制拉伸过程中压边力恒定的目的 3。国外的许多学者对简单的桶形件，锥形件进行了研究，通过研究发现，适当的控制压边力在拉伸加工中的数值，能够更好的控制制品成形的质量。但是上升曲线好还是下降曲线好目前尚未确定 4。1.2 变压边力的技术的实验研究国外对变压边力的控制研究相对于国内进行的比较早。20 世纪 90 年代，边压力的研究成为一个热点。1993 年德国斯图加特大学的 K.Vsigrer 等人在单动液压机上用 4个液压缸在 4 个角点处施加压边力，建立了计算机数值控制多点压边力控制系统。接着他们提出了将压力圈分成几段的新的分段压力概念，在盒形件拉伸成形时，将压力圈分成 8 个部分如图 2 所示，利用分别用法兰流入量和板材与压力圈及凹模之间的摩擦力来控制整个成形过程。虽然分段的压力圈结构更趋合理有效，但没有给出可行的压边力控制曲线 Murrata 和 Matsui 近期的研究结果表明使用分段力压圈的结构，即使角部和边上的 HBF 保持定长时，分段压力圈还是要比刚性的单片的压边圈所的到的产品的拉伸深度要大。图 2 拉深模具压边圈的分段结构1.3 变压边力的有限元数值模拟研究数值模拟技术作为 CAE 的关键技术之一，是金属塑性加工工艺设计和模具设计的主要辅助工具。过去 10 年里，板料成形的数值模拟技术突飞猛进，压边力的研究领域也逐步引进了有限元数值模拟技术。Sim.S Yossifon 胡建国等对轴对称件的成形过程进行了有限元数值模拟，他们只是以保持压边力在拉伸过程中的定常值为目标，还没有引入压边力的加载模式，对变压边力控制进行了研究，发现变压边力控制能更好的控制制成品成形的质量。但究竟是上升模式，还是下降模式，阶梯状更具现实意义到目前尚未有定论 5。2 CAD/CAE 建模仿真技术2.1 模具结构 CAD 建模在桶形件冲压成形工艺过程仿真中，首先采用参数化设计得到不同得模具设计集合模式。它通过建立三维标准件库和常用件库，由于数据库管理系统进行管理，将所有模具典型结构中的标准件，常用件计算机化。即转化为计算机可以识别的 形式存储起来。建立起三维图形库，以供在进行模具 CAD/CAM 工作过程中调用 7。功能如下：（1）提供设计方案及内容；（2）设计过程的零部件自动装置；（3）干涉的自动处理；（4）在三维造型基础上，正确，方便，自动地生成各个零件的工程图纸；（5）当生成零部件的工程图纸时，应实现平面绘图的参数化；（6）完成所设计产品的管理；本课题借助 PRO-E 建立桶形件凸凹模 CAD 模型。2.2 变压边力分析的 CAE 技术在板材成形生产中，一般用于试制模具需要近 3 年的时间，而在市场竞争日益激烈的情况下，对缩短开发周期，降低生产成本，提高产品质量有越来越迫切的要求 8。冲压 CAE 技术应用是让我们在产品设计的初期，对产品的成形性进行分析，及时发现产品设计中的缺陷，或者对不同的设计结构进行成形性的对比，作为结构设计部门对产品进行改进或方案确定的依据 9。DYNAFORM 是采用动态显示式算法，以 LSDTNA 为其解算器冲压 CAE 软件，能对高速非线性，大变形的冲压过程进行精确的模拟。该软件具有功能强大，操作简单，计算精确准确等特点 10。在 DYNAFORM 的实际应用中，计算结果的仿真模拟是确定合理的工艺参数，指导模具设计的依据。因此，计算结果的准确性是数值模拟技术的首要问题。而计算结果的准确性是由有限元模型的准确性决定的。有限元建模过程包括选择适当的网格单元对几何模型离散化，以获得有限元网格模型；以合理的方式获得仿真中准确的材料参数，摩擦润滑参数，工艺条件和各种约束条件等，建立一个可直接用于仿真计算的完整有限元模型 11。其中，有限元网格质量是决定计算效率和计算精度的主要因素。网格单元小则结果精确，但单元格数目多则计算量大，浪费计算时间：网格尺寸大则计算量大，但误差较大。不能真实反映模型特征。根据模具和板材在数据模拟下的不同特点，网格划分为如下两种：（1）在冲压成型的仿真模拟过程中，由于模具变形量很小，因此模具被视为刚体。显示算法中，这些单元都不参与运算，也不保存其历史信息。因此模具单元的大小不会影响求解运算时间。另一方面，模具表面比较复杂，曲面较多，如果网格单元尺寸过大，则网络模型无法表现模具的表面特性，造成与实际生产中的差距，如图 2。因此在实际应用中，应将模具的网格尺寸设置的小一点。要充分表现零件的几何形状，例如模具圆角处至少要有 35 个网格单元过渡 13。图 2 网格模型与模具圆角不匹配（2）在成型过程中，板料要经过弹性变形和塑性变形过程，因此被视为弹塑性模型。板料单元尺寸越小，结果误差越小。是板料完全成形后对模具有理想的贴模性。然而板料网格单元是参与运算的主体，是影响数值计算时间的主要因素。由于有限元控制方程的中心差分算法解的稳定条件为：tt ct=lmin 式中： 为材料密度；EE 为材料杨氏弹性模量t 为时间步长；t cr为临界时间步长 13.由（1）可知，板材网格尺寸增大 n 倍，则临界时间步长增大 n 倍，相应的计算时间缩 Z 短 n 倍。而且过小的临界时间步长将导致稳定条件的不成立，使求解运算无法进行。因此在实际应用过程中，板料网格尺寸的大小应在满足精度要求的前提下尽量大，并尽可能采用自适用网格划分 14。2.3 DYNAFORM 软件在汽车开发中的应用DYNAFORM 是采用动态显示式算法，以 LSDTNA 为其解算器冲压 CAE 软件，能对高速非线性，大变形的冲压过程进行精确的模拟。该软件具有功能强大，操作简单，计算精确准确等特点。冲压 CAE 技术应用是让我们在产品设计的初期，对产品的成形性进行分析，及时发现产品设计中的缺陷，或者对不同的设计结构进行成形性的对比，作为结构设计部门对产品进行改进或方案确定的依据 15。3 结语在桶形件的拉伸过程中，模具拐角处的金属流动不均匀，造成拐角处可能会出现起皱和开裂等缺点。而通过控制压边力可以尽量减少废品的出现，同时可以缩短开发成本。本课题研究即使通过有限元分析借助 CAD/CAE 和 DYNAFORM 软件进行模拟仿真，找出加工过程中的合适的变压边力曲线，从而缩短开发成本和时间。参 考 文 献1 林晓娟,任国成,高鹏.圆锥形件拉伸过程中变压边力的研究J.现代制造技术及装配,2007,1：2225.2 包友霞,徐伟力,林忠钦,等.薄板成形中变压边力优化设计方法J.机械工程学报, 2001,37(2)：106108.3 王作成,韩福涛,崔国涛.圆锥形件变压边力拉伸工艺的研究J.塑性工程学报,2006，13（2）：2528.4 罗亚军,郑静风,张永清,等.板料拉伸成形过程的变压边力技术J.锻压术,2003,2：2123.5 袁国定,王红伟.拼焊板方盒件冲压成形压边力数值模拟分析J.塑性工程学报,2008，15（1）：2427.6 陈炜,林忠钦.机械 CAD/CAM 技术研究J.上海交通大学学报,1999.7 廖武,董洪智,林忠钦,等.汽车覆盖件冲压模具结构 CAD 仿真系统的研究J.锻压机械,1999,4：8488.8 刘剑,李发根.筒形件拉伸模 CAD 系统的研究与开发J.机械制造及研发,2005，33（5）：1823.9 万良辉,贺平,王巍.圆形件拉伸模 CAD 系统研究及实现J.机械设计及制造,2005,2：105108.10 臧顺来,董伟.齐文艺,等,盒形件法兰起皱临界压边力影响规律研究J.锻压技术.2008,33(3)：3429.11 苗红顺,王高潮,李宁.基于 DYNAFORM 的汽车覆盖件拉伸成形仿真技术研究J.模具工业，2007，13（1）：912.12 林凤涛.基于板料冲压的压边力拉伸数值模拟分析J.电加工和模具,2007,3：4548.13 唐绍华,陈国荣.基于仿真技术的汽车拼焊板冲压成形工艺J.金属铸造焊技术, 2008，8386.14 谢斌斌,丁富国,黎荣.基于 DYNAFORM 的覆盖件冲压成形性工艺研究J.机械制造技术,2008，3（35）：4143.15 林忠钦,张卫刚,包友霞,等.轿车侧框冲压成形过程的仿真与试验分析J.上海交通大学学报,1998，32(11)：136139. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：（1）文献查阅有关板材冲压和有限元方面的资料；（2）建立桶形件凸凹模 CAD 模型；（3）对桶形件冲压成形过程借助 DYNAFORM 软件进行 CAE 有限元仿真分析；（4）仿真调试，选取不同变压边力曲线对桶形件冲压成形性能进行分析；（5）按要求提供各种设计文挡，完成毕业设计；桶形件广泛应用于汽车和航天领域，桶形件是轴对称件。在冲压加工过程中由于受到变压边力的影响，在拐角处容易起皱和因材料流动不均匀而开裂。这样会产生废品，浪费资源，增加生产成本。本课题研究的方向是通过有限元分析借助 CAD/CAE 和DYNAFORM 软件进行模拟仿真。研究出加工过程中的最适合的变压边力，从而缩短开发成本和时间。采用的手段是先熟悉课题查阅有关资料，利用 CAD/CAE 建立桶形件的数据模型。采用 P/ROE 软件实现其三维 CAD 数据模型的构件。然后在将数据格式转化和导入DYNAFORM 系统。在将文件进行网格划分。发现有损坏网格在对其进行修补，然后根据模拟的结果进行分析，确定哪里该厚哪里该薄。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：该生通过阅读与本课题相关的参考文献，进行了总结和思考，撰写的本文献综述能够较全