圆筒轴线圆孔翻边数值模拟

1、 题 目：基于Dynaform的圆筒轴线圆 孔翻边成形数值模拟 院 （部）： 机电工程学院 专 业： 机械工程及自动化 班 级： 机械101 姓 名： 尚克红 学 号： 2010071115 指导教师： 王忠雷 完成日期： 2013年11月8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对圆筒轴线圆孔翻边成形进行数值模拟。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，压边力对于圆孔翻边的成形影响最大，压延筋其次，摩擦系数最弱。通过对圆筒轴线圆孔翻边单因素影响分析，可以得出：当压边力、压延筋和摩擦系数参数值分别为200

2、00N、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，为工业生产做圆筒中心圆孔翻边成形理论基础。关键词：有限元分析法，圆筒中心圆孔翻边成形，板料成形，数值模拟，工艺参数影响规律Abstract This research introduced FEM, and used FEM software dynaform to finish Numerical Simulation of the hole-flanging process. Controlling the result of Numerical simulation, I used Orthogon

3、al 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 the hole-flanging process.Key words: FEM, the hole-flanging process., sheet metal forming, numerical simulation,

4、 process optimization正文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

5、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

6、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

7、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.

8、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

9、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

10、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11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01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I

11、GES、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

12、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IES、STL、U、CATIA、PRO/E、AUTOCAD等，鉴于以上优点，选择dyna

13、form作为本次研究实验所用的软件。1.2 圆筒轴线圆孔翻边成形研究现状圆筒轴线圆孔是一种曲面轴对称的高拉延件，属于成形件，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，变薄率对翻边零件来说很重要，而且当变薄率过大时，容易造成零件破裂的情况。在工业生产中，圆筒轴线圆孔翻边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。近些年来，随着CAD/CAE/CAM技术的不断进步发展，冲压模具及其工艺设计已经突破并逐渐取代了传统的设计方法。

14、采用计算机模拟，对板料冲裁成型的工艺过程进行有限元分析，可以推测出金属的流动趋势、模具受力情况、应力应变分布等，还可以预测出板料成形过程中，发生的起皱、破裂及成形后的回弹。这大大的提高了生产效率，保证了工件的质量，减少了耗材，缩短了产品周期，对模具行业有非常重要的意义。1.21.2.1 圆筒轴线圆孔翻边研究进展情况最近几十年来，随着国内有限元分析技术不断地提高，国内研究人员知识水平地提高，逐渐在圆筒轴线圆孔翻边件上开始了实验研究。2007年，重庆大学机械工程学院的李红对汽车加油盒成形进行了实验研究。他采用有限元分析软件Dynaform对该零件的成形过程进行计算机数值模拟，预测可能出现的问题或缺

15、陷，然后通过修改和优化工艺及模具参数，得到适用于生产的加工模型，并实用于工业生产中。 尽管如此，国内对汽车加油盒的研究还是比较的少，而且比较简单，很多成形参数和工艺参数分别对成形的具体影响方面，还是需要我们去研究去探索。1.2.2 圆筒轴线圆孔翻边在加工中存在的问题圆筒轴线圆孔翻边在工业生产过程中，往往只是靠着工人师傅的经验来完成对加油盒生产的参数设置，没有具体的数值规律使得零件在生产和更新中浪费了时间，同时也浪费了财力和物力。而且，在有限元的使用逐渐普遍的情况下，对圆筒轴线圆孔翻边零件的模拟分析比较少也不够全面，希望能通过本次试验研究，为加油盒模拟研究进一份微薄之力。在成形过程中，最主要的两

16、个问题就是起皱和破裂。这两种都属于质量缺陷，一旦出现，就会使得零件无法使用。因此，必须通过试验分析，找出各工艺参数对于成形的影响，找出最佳值，总结出规律，为圆筒圆孔零件在工业生产中增加效率。1.3 研究内容本课题名称为圆筒圆孔翻边成形数值模拟及模具设计，主要内容就是通过采用塑性有限元法（FEM），利用先进成熟的美国eta 公司的Dynaform 软件对圆筒圆孔翻边成形进行计算机数值模拟，在不发生质量缺陷的情况下，探究各拉深成形工艺参数对于圆筒圆孔翻边成形结果的影响，找出并总结具体影响的规律，绘制出曲线图，并同时参考理论计算以及试验分析结果设计出该模具。具体内容如下：（1） 基于正交试验的圆筒圆

17、孔翻边成形工艺优化；（2） 圆筒圆孔成形质量影响因素分析；1.4 课题研究目的及意义此次研究试验的结果将会对圆筒轴线圆孔翻边的工业生产有很大的帮助，在圆筒轴线圆孔翻边以及其他复杂零件的生产中，对这些零件的工艺设计仍然采用类比方法，依靠定性分析、物理模拟加实验验证，理论分析严重滞后。从生产中积累的经验知识存在不直观、不系统的缺陷，而成形数值模拟研究可得到直观的动态成形效果显示，其计算结果可指导实际生产，减少生产研发的周期，降低零件废品率，提高模具使用寿命，节约了人力、物力和财力，因此对这类零件进行系统的有限元数值模拟研究具有理论和实践上的双重价值，同时还为非轴对称高拉延件的有限元分析研究提供一些

18、理论的基础。 2板料拉深成形数值模拟理论基础22.1 拉深成形工艺参数的确定在板料拉深成形过程中要想得到变薄率较小符合工业生产要求，没有缺陷的理想制品，必须确定出拉深成形主要工艺参数的合理取值范围。拉深成形的主要工艺参数包括拉深次数、压边力以及摩擦系数等等。由于加油盒零件不属于规则零件，一般的公式无法适用于它，因此，本节通过参考相关文献以及工业生产中的实际情况给出各个参数恰当的加载范围，也为后期优化这些工艺参数提供了合理的变量取值区间。各参数加载范围如表21 各参数加载范围所示。表01 各参数加载范围参数摩擦系数压边力冲压速度数值范围0.1-0.1510kN-30kN2000m/s2.2 有限

19、元数值模拟22.12.22.2.1 几何模型数值模拟中的圆筒圆孔翻边 属于曲面模型，通过对圆筒圆孔零件实体临摹，并在三维软件ug中进行建模，将模型导成所需曲面模型的IGES交换格式文件然后读入到数值模拟软件中。模具，模型如图22 通过ug对圆筒圆孔板料进行建模所示。 图02 通过ug对圆筒圆孔板料进行建模2.2.2 材料参数所选用的材料为DSQK36，其材料物理性能参数DQSK36材料，其质量密度是7.85e-009，杨氏模量是207GPa，泊松比是0.28，厚向异性指数R（R00：2.15；R45：2.25；R90：2.92），厚度是0.7mm网格划分有限元网格划分的质量对后续成形计算分析的

20、结果有很大的影响。划分的有限元网格应该尽可能的保证反映出原曲面模型的形状特征，单元的数目必须控制在一定的范围内，因为单元数目过多会造成计算时间过长和效率降低。总之要精度和效率兼顾。以最大单元尺寸10为单位和最小单元尺寸为5单元划分网格，凹模网格划分结果凸模网格划分结果压边圈图网格划分结果图23 是板坯模型曲面在dynaform 中有限元网格划分的结果，模具因为是刚体不会产生变形为主动面，网格划分疏密程度较粗，板坯为成形分析对象为从动面，因此网格疏密程度相对模具要高。具体的各个模型的节点和单元的统计列表如Error! Reference source not found.所示。板料网格划分结果凹

21、模网格划分结果凸模网格划分结果压边圈图网格划分结果图03 2.2.3 单元类型选择用于板料成形分析的有限元类型有膜元、壳元、实体元等。薄膜单元忽略了弯曲对变形的影响，应力、应变被认为是沿厚度均匀分布的，单元构造简单，在早期的冲压成形模拟中被较多的使用，它只适应于胀形这类弯曲效应不明显的成形计算，不能模拟弯曲效应引起的回弹和起皱现象。能模拟弯曲效应的只有壳元和实体元，但实体单元由于板厚小易引起刚度矩阵的奇异，往往要求单元划分较密，导致计算量过大，所以目前广泛采用壳单元。应用于板料成形的壳单元可分为二类：一类是基于Kirchhoff板壳理论的薄壳单元，另一类是基于Mindlin理论的壳单元。Kir

22、chhoff壳单元需要构造C1连续的插值函数，对于三维问题，单元构造困难，格式复杂，它忽略了横向剪切变形的影响，对中厚壳的计算误差较大。基于Mindlin理论的壳单元，采用结点位移和转动各自独立插值的形式，它和实体元一样是C0型单元，构造简单，计算效率高，不仅适用于薄壳分析，也适用中厚壳的分析。目前最常用的是四节点四边形薄壳单元，其算法有两种，即 Huhes-Liu 算法和Belytschko-Tsay算法。在有限元计算过程中对壳单元选择的基本要求是简单、经济、可靠。基于Mindlin板壳理论的 Huhes-Liu 单元(HL 单元)和Belytschko-Tsay单元(BT 单元)，由于在单

23、元节点上存在独立的转动自由度，单元构造比较容易，而且可以很好地分析成形过程中的弯曲、起皱及回弹问题，所以是目前使用的最为普遍和成功的两种壳单元。HL 单元是从三维实体单元退化而来，这种单元的特点是：可以适应任意复杂变形，具有较高的计算精度，但是单元公式比较复杂，计算量较大，在求解大型复杂成形问题时需要较长的计算时间。BT单元是对 HL 单元计算效率的一种修正，它由于采用了基于随动坐标系的应力计算方法，有很高的计算效率。特点是：采用单点积分，使得计算过程相当简单，不必计算费时的Jaumann应力，有很高的计算效率，目前成为显式有限元分析的最有效的单元，但是计算过程中可能会有零能模式出现，称为“砂

24、漏”。所以需在每个单元节点上施加砂漏控制力，在一般情况下能得到与 HL 单元较为一致的计算结果。因此，基于以上分析，本文所进行的拉深成形的有限元分析都是基于BT壳单元进行的。2.2.4 接触条件和加载DYNAFORM 中有 9 种不同的接触类型，要选择合适的接触类型来描述实际的物理系统，为了选择合适的接触类型，往往需要对接触方式和算法有深入的理解。模具通常定义为目标面，而工件则定义为接触面。在这些接触类型中，模具无需网格贯通，因此减小了接触定义的复杂性，但模具网格的方向必须一致，在接触分析中，由于问题的复杂性，判断接触发生的方向有时是很困难的，因此分析中应尽量使用自动接触。自动接触与普通接触的

25、区别在于对壳单元接触力的处理方式不同，自动接触考虑壳的厚度，接触在壳单元的两侧都发生。若为普通接触，接触只在壳单元的法向方向发生。在壳单元中，接触通过法向投影中面的 1/2 接触厚度（Contact Thickness）来确定接触面，接触厚度可以在接触的定义中明确指定。在主、从面被确定后需要考虑合适的接触搜索方式，接触搜索方式中按检查节点对面的穿透方式分为单向接触和双向接触，由于在单向接触中，仅有从节点被检查是否穿透主面，而不考虑主节点，双向接触既检查从节点对主面的穿透，又检查主节点对从面的穿透，代价是两倍左右的计算时间。因此，单向接触要比双向接触运行速度快得多，因此被广泛应用。因此，模具与管

26、坯之间的接触参数设置选用AUTO_ONE_WAY_S_TO_S（自动单向面到面）。2.2.5 定义求解时间和输出文件步长定义合适的求解时间对内高压成形模拟十分重要，求解时间越长（即越接近实际的成形时间）模拟结果就越接近实际结果。但是定义较长的求解时间，模拟时间也会很长（相同的条件下，模拟运算时间和定义的求解时间成正比）考虑以上因素及计算机配置，为了提高计算速度和精度，同时也要满足动力显式算法对时间步长的要求，模拟过程的时间要远远小于实际的时间，因此可以通过放大速率来实现，其中速率放大了1000倍。本文定义求解时间为0.011秒。输出文件步数多少影响运算时间和后处理的操作，特别是模拟有较大变形的情况，步数多有利于后处理中的显示和对各个时刻变形的研究分析。本文设置的输出文件步数为11步。2.3圆筒圆孔翻边成形正交试验设计当采用压延筋、压边力为20000N以及摩擦系数为0.1时，其成形极限图和厚度变化图如3-1和3-2所示。图 01成形极限图(红色为破裂危险区)图 02 厚度变化图从成形极限图可以看出，即使采用最优的参数组合，拉深时依然存