矩形水槽冲压成形有限元分析与研究_毕业设计说明书

1、冲压成形越來越多地应用在汽车制造业及其它工业中。矩形件是板材成形中 的一种典型件，因此研究影响矩形水槽冲压成形的各种因素是非常重要的。本课题利用dynaform对矩形水槽拉深进行了因素影响的有限元仿真分析。通 过改变各工艺参数，研究分析矩形件冲压成形的成形极限、板料的变薄及增厚情 况，找出最优的分块压边圈方案，得出压边力、速度、凹模圆角半径、凹模转角 半径等工艺参数的较优组合，可以有效地提高矩形件的冲压成形性能，为现实中 零件的设计和生产提供一个可行的方案。关键词 板料成形矩形水槽有限元分析title finite element analysis and research of rectan

2、gulartank stampingabstractstamping is increasingly used in automobile manufacturing and other industrics. rectangulor part is one of the typical workpieces in shect metal forming process. tt is very important to study on various factors which affecting stamping rectangular tank.the finite element an

3、alysis of the factor which affecting rectangular tank drawing is simulated via ovnaform. by changing the process parameters, the depth of forming, the changing of thickncss and thinness during the forming process is analyzed. the optimal block the blank holder scheme is founded. a suitable combinati

4、on of factors which includes blank holder force, punching speed, the die fillet radius, the die corner radius is gotten. thus, it can effectively improve forming performance of rectangular piece. a feasible option is provided for the real part of the design and production.keywords sheet metal formin

5、g rectangular tank finite element analysis目录1 绪论11.1选题背景11.2矩形件冲压成形研究现状11.3主要研究目标及内容21.4论文的组织结构32矩形件冲压成形工艺理论分析42. 1矩形件冲压成形理论42.2矩形件冲压成形工艺特点52.3影响矩形水槽冲压成形的因素62.4 本章小结73基于有限元的矩形水槽拉深成形建模与仿真83. 1 dynaforni 简介 83.2基于dynaform的矩形水槽冲压成形模拟的流程93.3矩形件成形仿真103.4 本章小结214矩形件拉深成形的模拟分析224.1压边圈方式对成形的影响224.2凸模冲压速度对成形的

6、影响234.3凹模圆角半径对成形的影响264.4 fi模直壁转角半径对成形的影响294.5压边力对成形的影响314.6根据分析结果设计优化方案364. 7 本章小结38结束语40致谢42参考文献431绪论1.1选题背景拉深是板料冲压成形屮的主耍成形方式，在汽车、航空航天、右油化工等诸多等领域 均有广泛的应用。例如，汽车车身覆盖件、大油罐等的成形均采用拉深工艺。然而,如何保 证板料塑性成形零件的质量，降低废品率，减少模具的返工，缩短模具设计周期，一直是板 料犁性成形领域的一大难点。板料冲压成形是现代工业中一种十分重要的加工方法，在汽车、家用电器、仪器仪表 等领威得到广泛应用。拉深又称拉延、压延或

7、引仲，是冲压成形技术屮的一种重耍工艺。 它是利用拉深模具在压力机的压力作用下，将预先剪裁或冲裁成一定形状的毛坯，控制成 立体空心件的一种加工方法。拉深件的可加工尺寸范围也是相当广泛的，从几毫米的小零 件直到轮廓尺寸达2-3米的大型零件，都可以用拉深方法制成，因此在汽车、飞机、仪表、 电子等工业部门以及日常生活用品的冲压生产中，拉深工艺占据相当重要的地位役传统的冲压工作，需要花费大量的时间进行冲压工艺计算，然后设计制造出相应的冲 压模具，再试压，修正模具的工作参数。由于数值模拟可以帮助人们预测加工结杲，有助于 提高生产效率，所以采用冇限元法对金属塑性成形过程进行全面数值模拟，已得到该领域 广大学

8、者的普遍重视。20世纪80年代以前，受有限元分析方法和计算机速度的限制，有限 元分析主要处理小规模的线性问题。90年代以后,有限元软件功能的逐渐完善，近年来发 展起来的数值模拟技术帮助解决了冲压模拟这一塑性加工领威的难题宀役木课题即针对矩形水槽冲压成形的常见缺陷和问题，以简单的非轴对称零件矩形 零件为研究对象，首先通过文献查阅分析确定影响矩形水槽压成形主要变化因索:压边力、 分块压边圈的划分及凹模圆角、凹模转角等，继而运用dynaform对矩形件进行简单的有 限元仿真分析，找出这些因素对矩形水槽冲压成形的影响；通过调整各种参数比较得到优 化的方案，为实际应用时冲出合格产品做参考。1.2矩形件冲

9、压成形研究现状自英国学者alexander parks在1857年开发并取得铜板拉深工艺专利以来，拉深成形 工艺不断取得发展和广泛应用。在目前的理论研究中，对非轴对称拉深变形的研究成果很 多，也比较成熟。迄今为止，国内外专家学者对矩形件的研究主要集中在如下几个方面:（1）用试验手段对矩形件法兰部分的特定部位进行应力应变解析，分析了法兰变形 及直边部的变形缓和作用随形状特性的变化，并通过适当地切除板坯的角部材料或调整板本科毕业设计说明书（论文） 第2页共44页 坯长短边变形尺寸，研究对拉深极限的影响。如北京理工大学的鄂大辛采用实验手段对盒 形件法兰部分的特定部位进行应力应变解析，分析了法兰变形及

10、直边部的变形缓和作用随 形状特性的变化，并通过适当地切除板坏的角部材料或调整板坏t短边变形尺寸，研究对 拉深极限的影响叫 如2008年臧顺来等人对盒形件法兰起皱临界压边力影响规律研究， 研究起皱是盒形件拉深成形中的主要缺陷，而压边力是控制法兰起皱的主要手段，研究了 材料性能和工艺参数对盒形件拉深法兰起皱临界压边力的影响规律。（2）利用边界节点的初始速率就可确定最优毛坯的外形，如1999年上海交通大学的 姚华和陈军采用神经网络技术预测毛坏外形和2000年韩国学者shim hyunbo, k.son等 人提出形状灵敏度分析方法设计非圆拉深件的最优毛坯外形回。（3）在金属板材成形中，起皱预测和防止的

11、研究一直是热点和难点所在，起皱预测 的研究至今已冇50多年的历史，早期通常采用解析模型研究方法，随着计算机技术的发 展，有限元数值模拟在近年来成为主要研究手段。如2000年上海交通大学的郑晓丹、汪 锐、何丹农应用专家系统技术进行了盒形件拉深极限的研究，阐述了专家系统在盒形件拉 深成形极限分析屮的应用，论述了建立专家系统的关键技术,包括系统信息描述、知识表 示方法、实例库的建立以及系统的推理结构等何。1.3主要研究目标及内容本项课题以矩形水槽为研究对象c通过对简单的矩形水槽冲压成形进行冇限元数值模 拟，比较几种不同情况下矩形水槽的成形效果，得出成形效果最优的一组参数。本课题的主要内容归纳如下：（

12、1）分析国内外的研究现状，确定木课题的研究内容；（2）研究并分析矩形水榊成形理论和其成形缺陷，如起皱、破裂和为充分拉深，确 定英影响因素：压边力、模具参数等；（3）介绍板料成形的有限元数值模拟基木理论及dynaform软件的数值模拟过程， 确定研究矩形水槽成形工艺的具体仿真试验方案；（4）选择板料及模具的参数，使用pw/e建立cad模型，使dynaform建立冲压 模具、分块压边圈和板料的有限元模型，选定合适的试验参数；（5）对比不同的分块压边圈的成形效果，确定所采用的分块压边圈；（6）通过改变影响一系列矩形水槽冲压成形的因素的仿真试验，比较成形性能，得出矩形水槽冲压成形的优化方案。本科毕业设

13、计说明书（论文） 第3页 共44页1-4论文的组织结构本文以板料拉深成形屮比较冇代表意义的矩形水槽为主耍研究对象，从理论上分析和 研究其拉深成形过程中成形机理和变形特点及缺陷，并用板料成形模拟仿真专用软件 dynaform对矩形水槽进行仿真和分析，并对矩形水槽成形的最优方案进行预测。全文分为五章，各章内容如下：笫1章：简要介绍了课题研究的背景和意义，分析了国内外冲压成形工艺相关技术的 研究现状，确立了课题的研究内容和目标，阐述了论文的结构安排。第2章：进行矩形水槽拉深过程的理论分析，并简要分析了矩形件冲压成形工艺的特 点和影响矩形水槽冲压成形的因索。第3章：介绍了 dynaform软件以及矩形

14、水槽冲压成形的有限元模拟的流程。笫4章：用dynaform对拉深成形进行模拟分析，对不同影响因素作用下的矩形水槽 成形过程对其变形特点进行了仿真分析，得出矩形水槽冲压成形的优化方案。结论：简要总结了木课题研究取得的成果与不足，并对今后的工作进行了展望。2矩形件冲压成形工艺理论分析在冲压生产中，拉深件种类很多，形状各杲，虽然它们的冲压过程都叫拉深，但其变 形区的位置、变形性质，应力应变状态及其分布等各不相同，所以工艺参数、工序数目与 顺序的确定方法及模具设计原则与方法都不一样，按变形力学特点拉深件可分为桶形件 （圆桶形件，带凸缘圆桶件，阶梯圆桶件）、曲面回转体零件（球形、抛物线形、锥形等）、 盒

15、形件（方形、矩形、椭圆形等）和不规则形状零件等四类。木文选取矩形水槽这一简单 典型的盒形件作为拉深研究对象。2.1矩形件冲压成形理论矩形水槽属于低盒形件，低盒形件拉深吋（图2. 1）仅有微量材料冲角部转移到直边， 即圆角与直角间的相互影响很小，因此可以认为直边部分只是简单的弯曲变形，毛坯按弯 曲变形展开计算。圆角部分只发生拉深变形，按圆筒拉深展开，再用光滑曲线进行修正即 得毛坯。计算步骤如下：按弯曲计算直边部分的展开长度1。olo = /+0.75rp式中：ii包括修边余量内的矩形件的高度，mm, rp底部圆角半径。把圆角部分看成是直径为2r、高为h的圆筒件，则展开的毛坯半径为：r = 7r2

16、+2r/7-0.86（r + 0.16r） （r > rprt ）r = 42rh（25 时）用光滑曲线连接直边和圆角部分，即得毛坏的形状和尺寸。具体做法是：由bc屮点 作圆弧r的切线，再以r为半径作圆弧与直边和切线相切。这时面积+ f=-f,拉深时圆 角部分多出的面积+ f向直边转移以补充直边部分面积-f的不足。31图2.1矩形件的毛坯确定2.2矩形件冲压成形工艺特点此处省略nnnnnnnnnnnn字。如需要完整说明书和设计图纸等. 请联系扣扣：九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下该论文已经通过答辩矩形件是一种非旋转体零件。矩形件零件可划分为2个长度为l-rp和2个长度为 b-2

17、rp的直边加上4个半径为鼻的1/4圆筒部分。假设4个圆角部分连接起来，把直边分 开，则圆角部分的变形相当于宜径为2p、高为h的圆筒件的拉深，直边部分的变形相当 于弯曲。但实际上圆角部分和直边部分是联系在一起的整体，因此矩形件的拉深又不完全 等同于简单的弯曲和拉深何。(1) 矩形件拉深成形时，零件表面网格发生了明显变化。由此表明法兰变形区直边 部分发生了横向压缩变形，使圆角处的应变强化得到缓和，从而降低了圆角部分传力区的 轴向拉应力，相对提高了传力区的承载能力。（2）矩形件拉深时，法兰变形区圆角处的拉深阻力大于直边的拉深阻力圆角处的变 形程度大于直边处的变形程度。因此，变形区内金属质点的位移量直

18、边处大于圆角处，导 致了这两处的位移速度的不同，而毛坯的这两部分乂是联系在一起的整休，变形时必然相 互牵制，这种位移速度差会引起剪切力，这种剪切力称为位移速度诱发剪应力。虽然，诱 发剪切力在两处交界面达到最大值，并由此向直径和i员i角处的中心线逐渐减小。i员i角部分 传力区内剪应力减小了，从而也相对地提高了传力区的承载能力。曲于上述原因，矩形件 成形极限高于直径为2r的圆筒形件的成形极限。（3）剪应力形成的弯矩引起变形区平面内的弯曲变形，从而使变形区变得相当复杂。 板平而内的弯曲变形使变形区直边处外缘和圆角处内缘形成起皱的危险区，同时述可能引 起矩形件壁裂的产生“2.3影响矩形水槽冲压成形的因

19、素影响矩形件冲压质量因素非常多，如毛坯参数、模具参数、板材参数、工艺条件（如 压边力、冲压速度、模具和板料的润滑条件等）等等。木文主要研究冲压速度、压边力、 模具参数对成形结果的影响e（1）冲压速度冲压速度与冲压过程有着i分密切的关系,冲压速度的大小直接影响冲压产品的的成 形智力。其屮当速度过大时，在变形过程起皱的趋势降低；速度过小时，起皱就会明显增 加。（2）压边力零件拉深屮的主要缺陷为起皱和开裂，压边力过小，矩形件的法兰变形区部分的材料 容易失稳起皱，压边力过大，矩形件的斜坡过度区材料流动困难，容易拉裂。当模具基本 确定时，先粗选压边力，然后对成形过程进行数值模拟。矩形水槽冲压成形过程中由

20、于板料存在厚度差，整体压边圈难以满足压边要求。由于 在模拟中发现改变压边力不能解决矩形水槽边沿部分的起皱,解决这样的问题要使用不同 的压边力，所以运用分块压边圈的方式来使矩形水槽的冲压成形优化。分块压边圈比整块 压边圈能使矩形件获得更好的成形深度,板料的减薄情况得到改善；可以通过调整压边力 组合工艺参数的方法使矩形水槽获得更好的成形性能,研究为捉高矩形水槽的成形性能以 及分块压边圈在矩形水槽板冲压成形中的应用提供了指导。（3）模具参数当凹模圆角半径过小吋，拉伸毛坯的直壁部分与底部过渡区的弯曲变形加大，使危险本科毕业设计说明书（论文） 第7页 共44页 断面的强度受到削弱，毛坯侧壁传力区的拉应力

21、相应增人，这样会使拉伸系数增人，板料 的变形阻力增加，从而引起总的拉伸力增加、成形件出现开裂和模具寿命降低；若凹模的 圆角半径过大，板料的变形阻力小，金属的流动性好，但也会减小压边的有效面积，使制 件容易起皱。2.4 本章小结本章首先介绍了矩形水榊件冲压成形的基本理论，分析了矩形水榊的变形特点，并在 此基础上找出了影响其冲压成形的因素及本文耍研究的主耍因素，为第四章矩形水槽压成 形的仿真分析与优化奠定了理论基础。3基于有限元的矩形水槽拉深成形建模与仿真本课题选用非线性有限元理论和飯金成形非线性有限元分析软件dynaform对矩形水 槽的加工方法拉深成形过程进行动态模拟。通过计算，可以观察板料在

22、拉深成形过程 中的变形状态、应力应变分布和壁厚变化，预知可能在何处出现起皱、变薄和开裂等现象, 并通过修改必要的参数來防止上述现象的出现，最终获得动态模拟所需的部分工艺参数, 例如压边力、模具圆角半径等，以保证实际生产的可靠性"何。3. 1 dynaform 简介dynaform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，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。在其前处理器(preprocessor) ±可以完成产品仿真模型的生 成和输入文件的准备工作。求解器(ls-d

23、yna)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，能够真是模拟板料成形中各种复杂问题。后处理器 (postprocessor)通过cad技术生成形象的图形输出，可以直观的动态显示各种分析结果。dynaform软件可应用于不同的领域，汽车、航空航天、家电、厨房卫生等行业。可 以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、冋弹、成形刚度、表面质量，评估板 料的成形性能，从而为板成形工艺及模具设计捉供帮助。木文选用dynaform来对矩形件的冲压成形进彳亍仿真研究，因为dynaform作为板料冲 压成形的专用软件，和其他几个比较流行的软件相比，无论在易操作性、前处理、后处理

24、 和模拟的准确性上都具有很大的优势，主要表现在以下几个方面20 22：(1) dynaform具有功能丰富的前处理器。它具有强大的图形文件导入功能，能够方 便而无数据丢失地读入iges格式文件以及ug、pro/e、catia等主流cad软件的图形文件, 同时用户也可以在dynaform中很方便地创建点、线、面等几何模型。(2) dynaform的求解器采用了业界非常著名的非线性动力显式有限元软件ls-dynao ls-dyna是采用显隐结合的算法进行板料成形模拟的最具有代表性的软件，计算稳定，效 率高，模拟结果准确性很好。虽然ls-dyna也能够进行仿真，但是其材料库相对dynaform 而言

25、就冇一些欠缺，软件的易操作性也较差。(3 ) dynaform有强大的后处理功能。eta-post是eta公司开发的一款专门针对 dynaform的后处理软件，它口j以方便用户直观地得到求解结果。在eta-post中新增加的 graph模块屮，用户可以利用曲线图表功能来显示拉深过程屮各种参数随吋间变化的曲线。（4）支持从个人机、工作站到巨型机的所有駛件平台。可兼容个人机、工作站、大 型机及巨型机等硬件平台上的全部数据文件。在个人机、工作站、大型机及巨型机等硬件 平台上具有统一的用户界面。可与大多数的cad软件集成并有接口。具有智能网格划分, 良好的用户开发环境。3. 2基于dynaform的矩

26、形水槽冲压成形模拟的流程对矩形冲压成形进行仿真，主要包括两个步骤：（1）建立矩形水槽冲压模具模型，可 以用3d软件pro/e建立矩形水彩与模具的曲而模型，再以一定的数据格式（如iges等） 将零件导入仿真软件。（2）在建立好的模型的基础上建立有限元模型，进行有限元的前处 理、有限元分析和仿真结果分析。在dynaform对矩形水槽成形过程有限元仿真的具体操 作步骤如图3. 1所示22'25o图3. 1在dynaform屮对矩形水槽冲压成形仿真流程图3.3矩形件成形仿真木课题研究矩形件的冲压成形性能和规律，矩形件是最常见的几何形状相对比较规 则、应用比较广泛的一类冲压件，在非轴对称件中具有

27、一定的代表性。矩形件也是薄板金 屈冲压件屮较难成形的一类零件，矩形件由丁含冇直边区和圆角区的缘故，变形区内各处 毛坯变形大小的分布是不均匀。因此，研究矩形水槽的冲压成形性能对以后复朵矩形件的 研究冇着一定的指导意义。考虑到冲压件受工件几何参数、模具几何参数、材料性能、材料厚度、冲压力、拉深 极限、变压边力等因素的影响，因此要获得良好的试验效果，首先应建立合理工艺模型, 步骤如下：3. 3.1模具几何模型及材料模型的建立在pro/e中建立凸模、凹模、板料的模型，在草绘状态卜绘制凸模（如图3.1）.凹 模（如图3.2）、板料的尺寸（如图3.3）。对于凸模和凹模草绘后进行拉深，拉深深度为 凸模80m

28、m,凹模100mm；对板料草绘后填充。由于矩形件的拉深成形特点，需要绘制分块 压边圈，将凹模分开（如图3. 4和图3.5）o图3. 1凸模尺寸501-100.00图3. 2凹模尺寸图3. 3板材尺寸/1pn.c$k.ief丿1图3. 4分块压边圈y1图3. 5压边圈y23.3.2文件保存对生成的实体模型保存副本，文件类型选择*igs,在输出iges窗口，选取曲面，坐 标缺省。这样就能把相应的模型转换*igs文件，供dynaform调用。同吋将相应的实体 模型保存以便在后面改变模具参数重新建模所用。3.3.3模型导入和编辑打开dynafonn软件，依次将凹模、凹模、板料、分块压边圈导入（如图3.

29、6）。然后编辑零件层，a对应凹模，t对应凸模，b对应板料,y1对应分块压边圈yl, y2对应分 块压边圈y2,如此方便以后工作（如图3.7）。板料口模、图3. 6导入后的模型图3. 7编辑模具3.3.4修剪模型选择surface对导入的模型进行处理，删除不必耍的表面。删去相应的表面后如图3. 8所示。图3. 8表而处理后的模型3.3.5模型网格化分别对凹模、凸模、板料和分块压边圈进行网格化，相应的单元的参数设置如图3. 9 和图3. 10,设置最大尺寸为30. 000mm,最小尺寸为0. 5mm,弦高尺寸为0. 150mm,角度为 20. 000°，间隙公差为2. 500 um,忽略

30、孔洞尺寸为0.000mm。对板料的网格化,设置当前 零件层为板料，tool radius为3. 750000mm。网格化后的模型如图3. 11所示。曲面冋格化网格| tool mesh二厂不连接®原始零件层l边界检查l refine sharp angle参数最大尺寸|30.000最小尺寸|0.500 弦35 |0.150角度（20.000 间隙公差|2.500 忍略孔洞尺寸|0.000l设置根据：匚选择曲面应用接麦网格7是| 图3.9凸模、凹模、压边圈单元网格化参数图3.10板料单元网格化参数退出图3. 11网格化后的模型3.3.6定义板料的材料与属性和模具间距板料的材料和屈性设定

31、，在定义毛坯里添加板料，然后进入材料库窗口选择低碳钢中dqsk, type37所对应的材料。如下图3. 12和图3. 13所示，相应的中文参数如表3. k图3.12板料的材料属性表3. 1材料性能参数厚度宽度屈服极限强度系数厚向异性应变强化t/ mml/ mmajmpak/ mpa指数r指数n1200154. 30512.21.650. 23图313板料的属性模具间隙的确定，首先在定义模具中，然后在用户口定义中新建用户定义工具名称, 零件层屮选择相应的模型件。如图3. 14所示其屮a对应凹模，t对应凸模，b对应板料， yl对应分块压边圈yl, y2对应分块压边圈y2。定义模具间的距离如图3.1

32、5所示，选取工具中的定位工具中移动工具，选择要移动 的模具如a、t、yl、y2,在距离中输入移动距离，移动方向为z方向。使得t、yl、y2在 z方向移动+0. 6mm, a在z方向移动-0. 6mm0图3.15移动模具距离图3. 14定义用户工具3.3.7定义凸模的运动和压边力在定义工具里如图3.16所示，选择用户定义工具中选中t,然后定义凸模的运动z方向，冲压速度，冲压行程负号表示z的负方向。定义压边力，在yl和y2下定义载荷曲线中选择作用力，z方向，输入不同的压边力（如图3. 17和图3.18） o图3.16凸模的运动情况图3. 17作用在压边圈yl上的压边力图3. 18作用在压边圈y2上

33、的压边力3.3.8对模型进行有限元计算定义完所冇的参数后进行后处理，在分析屮选择ls_dyna （如图3.19）,为了在后 处理中能够较好的观察成形过程，一般设定step二20。求解器采用full run dyna,求解器 精度采用单精度。同时在计算机内存较人时，为了加快运算速度，可以适当提高dynaform 运算器的内存值。图3. 19 analysis的参数设置（图 3. 19d）o(a)成形等值线图(b)成形矢量图本科毕业设计说明书(论文) 第20页 共44页 3. 3. 9后处理在仿真结朿后，可以进入dynaform的postprocess的后处理环境，进行一系列后处理。(1) 等值线

34、对单元应力和相关的结果等进行显示。在同一等值线上是以同一颜色显示的，相应的 等值线值在图形窗口右边的颜色柱显示(图3. 20a)。(2) 矢量图标将结果以矢量形式显示(图3. 20b),能够对材料的流动性进行显示。(3) 成形极限图用来评价板料的可成形性(安全和失效区域)。图屮每一点的x坐标和y坐标代表每一 单元的最大和最小应变，基丁零件的可成形性分析将fld图(forming limit diagram)(图 3. 19c)划分为7个区域，crack断裂区域、risk of crack断裂危险区域、safe安 全区域、wrinkle tendency 起皱趋势、warinkle 起皱、sev

35、ere wainkle 严重 起皱、insufficient stretch不充分拉深，毎个区域用不同的颜色表示。(4) 厚度用来模拟坯料在成形中的厚度等值线变化，以评估冲压质量。数值的读取，根据所要 的点颜色到图形右边的颜色柱找到对应颜色，所显示的数值即为所求的。其中单位为mmmjusnv.11wm/hni刃加”/zuwtiv10»wu.40w/cmacm(c)成形fld图4sz2419.72m8i4.m66752q.sbb6o61/wo1ii ii(d)成形厚度变化图图3.20后处理分析3,4本章小结木章简要阐述了有限元基木理论，论述了以有限元分析为基础的dynaform软件的特

36、 点，建立了基于dynaform的矩形件有限元模型。4矩形件拉深成形的模拟分析矩形件是薄板金属冲压中较难成形的一类零件，并且在其成形过程中的变形特点具有 一定的典型意义，因此很冇必要对其进行数值模拟。在矩形件拉深成形过程屮，板材不同 部位的受力状态、变形方式以及变形性质存在较大羌异，材料的性能参数、模具几何参数 和压边力等因索，都影响着矩形件的成形规律和拉深性能。本章应用dynaform冇限元软 件，采用动力显式算法模拟了矩形件拉深成形过程。对其讨论的顺序是根据各因素对矩形水榊冲压成形影响大小来安排的。先确定分块压 边圈的分块方式，然后讨论其它影响因素。在影响矩形水槽冲压成形因素中模具参数和压

37、 边力对其影响相对较大，故先讨论相对次要因素如冲压速度，确定较佳的冲压速度，然后 讨论模具参数，选择较佳的凹模圆角半径和凹模转角半径，因为在仿真试验中，矩形水槽 的冲压使用了分块压边圈，压边力对矩形水槽冲压成形的影响最大，故最后讨论。4.1压边圈方式对成形的影响压边圈会对板料所受的压边力冇影响，导致对成形效果造成影响。整块压边圈时的最 大破裂危险处为厚板凸模侧壁圆角，而分块用边圈吋的最大破裂危险处为薄板凸模侧壁圆 角，即分块压边圈能够提高变截面板厚板的成形性能,但能保证薄板凸模侧壁圆角不发牛 破裂。所以耍对压边圈方式进行研究，寻找更好的压边圈方式，试验方案如下：表4. 1压边圈方式整块压边圈不

38、分块如图4.1(a)分块压边圈方式1分块压边圈方式2在矩形件边缘分块4.1 (b)在矩形件边缘以內分块4.1 (c)破裂倾向严重起皱tufott(c)分块压边圈方式2图4.1不同分块方式成形极限图结果分析如下：经过一系列尝试仿真试验得出，当使用整块压边圈时候，起皱现象严重，当屮间冲压 部分为充分拉深；当使用分块压边圈方式1时，起皱基木没有改善，但是中间冲压部分依 旧未能充分拉深，而且边缘地区开始破裂；当使用分块压边圈方式2时，起皱明显减少, 屮间能得到充分拉深，达到预期的效果。所以以后仿真试验均使用分块压边圈方式2。4.2凸模冲压速度对成形的影响拉深速度会对板料的压边力冇影响，拉深速度大口j以

39、减小起皱现象。所以要对拉深速 度进行研究，试验方案如下：(1) 凸、凹模的间隙为it, fi模圆角半径为12mm,转角半径为15mm；(2) 材料dqsk,板厚为1.2mm；(3) 拉深深度为50mm,压边力y1二30心、y2二1200心。根据上述的参数设定在dynaform中进行分析，分别采用不同的冲压速度进行模拟， 模拟试验结果如表4. 2,试验结果变化如图4. 2-4. 5：表4.2不同拉深速度下的拉深模拟数据拉深速度mni/s10002000300040005000最人变薄率19.3320.5120.8821.1221.29最人变厚率14.1014.7714.9114.9014.89最

40、大正应变0.4780.4740.4730.4730.473最人负应变-0.461-0.454-0.452-0.452-0.451最大正应力pa371.186368.366369.348360.990361.500最人负应力pa-350.779-342.125-347.574-339.670-347.380成形效果较好好较好破裂倾向破裂倾向2520504 _ +最大娈蒲率 最大变厚率j111 000200030004000s300图4.2不同冲压速度下的厚薄变化+聂大正应娈 亠最大负应变拉深速度(mn/s)图4.3不同冲压速度下的应变变化拉深询(mm/s)亠最大正应力 最人员应力00000000

41、000000000005 4 3空買处；-4图4.4不同冲压速度下的应力变化！=-(a)速度 1000mm/s(b)速度 2000mm/snw(c) 速度 3000mm/s破裂倾向(d) 速度 4000mnvs破裂倾向ttafotcicnq=immi(e) 速度 5000mm/s图4. 5不同冲压速度下的成形极限图结果分析如下：(1) 上图可以看出拉深速度在1000mm/s-3()()()mm/s的拉深速度中的成形区域都 比较稳定，法兰区域的变化不同，主要区别是在成形区域上，安全的成形区域随着速 度的增大而增加，凸缘圆角处的起皱减少。在4000mm/s和5000mm/s吋候，有破裂 倾向。(2

42、) 从拉深厚薄的曲线可以看到，在5000mm/s附近出现了最大变薄率最小的点, 而变厚率几乎没有多大的变化，这说明在拉深速度较小的时候，由于材料流进凹模成 形区的速度较小，同时较小的速度也增加了流动的阻力，从而导致了在低速时也容易 拉裂的。而速度过大，在法兰区的材料来不及补充，同吋直壁的承载能力也会变差, 所以高速拉深时也会出现拉裂的现象。(3) 如图4.3和图4.4,从应变和应力的变化看，拉深速度变化并没冇引起它们 的太大变化，但是应变和应力的大小明显地大于前面因素的影响，说明拉深速度会引 起较人的应变和应力。通过上面的分析可以看到，拉深的速度不宜过低或者过高，合适的拉深速度不但 可以减少凸

43、模圆角处的起皱，而且对于拉深的成形效果也很好。可以看到，拉深的合 适速度应该在1000mm/s3000mni/s。4.3凹模圆角半径对成形的影响凹模圆角部分是凸缘和矩形水榊内壁部分的过渡区，材料比较复杂，径向收拉应力, 切向收压应力。凹模圆角处是减小板料的摩擦阻力和弯曲变形阻力，冇利于板料流动，容 易使板料成形。所以研究凹模圆角半径对成形的影响，试验方案如下：(1) 凸凹模间隙为it,板厚为1.2mm,转角半径为15mm；(2) 材料为dqsk；（3）冲程 50mm,压边力 y1 二30kn、y2=1200kn,速度 2000mm/so根据上述的参数设定在dynafonn屮进行分析，分别釆用不

44、同的凹模圆角进行模拟, 模拟试验结果如表4. 3,试验结果变化如图4. 6-4. 9：表4.3不同凹模圆角下的拉深模拟数据凹模圆角mm10121415最大变薄率36.0120. 5113. 74715. 05最人变厚率9. 4514. 7715. 30714. 56最大正应变0.4870. 4740. 4770. 452最大负应变-0. 380-0. 454-0. 475-0. 462最人正应力pa373. 70036& 366340. 830365. 030最大负应力pa-345.656-342. 135-352. 582-353. 078成形效果破裂好未充分拉深未充分拉深1214凹

45、模圆角伽）+最人变薄率%-最人变厚率%150505050504 3 3 1图4.6不同i叫模圆角半径下的拉深厚薄变化凹模圆角（皿）亠最大正应变 最人负应变图4.7不同凹模圆角半径卜的应变变化-200-300-400門模圆角(imn)亠最大正应力 最人负应力?8iuw(d)圆角半径15mmo o o o rd 4.uo o o o o o o不同凹模圆角半径下的应力变化图4.9(b)员|角半径12mm为充分拉深不同凹模圆角半径下的成形极限图结果分析如下：(1)根据表4. 3不同凹模|员|角半径卜拉深数据和图4. 9不同凹模圆角半径下的成形 极限图，凹模圆角半径为12nm)的成形较好，未出现拉裂的

46、情况。而圆角半径为lonrni时， 出现破裂的现象，但是在圆角半径为14mni和15mni吋候，出现为充分拉深情况。从起皱方 面，各凹模圆角半径下的起皱情况大致相同。（2）从拉深的厚薄变化图可见，当凹模圆角半径越小，板料的变薄越严重，主要的 变薄区分布在底面圆角的周围，造成圆角处的拉裂。凹模圆角半径对应力和应变的影响并 不明显。由上述分析可以知道，凹模圆角不能过小，当凹模圆角半径过小时，拉仲毛坏的直壁 部分与底部过渡区的弯曲变形加大，使危险断面的强度受到削弱，毛坯侧壁传力区的拉应 力相应增大，板料的变形阻力增加，从而引起总的拉伸力增加、成形件出现破裂。当凹模 圆角半径过大增大流动性吋造成形件的

47、不充分拉深。所以选取圆角半径为12mm。4.4凹模直壁转角半径对成形的影响凹模转角部分位于筒壁部分，转角可以减小筒壁内的摩擦和加大板料的流动性，有利 于板料的成形，所以研究凹模圆角半径对成形的影响，试验方案如下：（1）凸凹模间隙为it,板厚为12mm,凹模圆角半径为12inin；（2）材料为的dqsk；（3）冲程 50mm,压边力 y1 二30kn、y2二 1200kn,速度 2000mm/so根据上述的参数设定在dynafonn屮进行分析，分别釆用不同的冲压速度进行模拟， 模拟试验结果如表4.4,试验结果变化如图4.10413。表4.4不同转角下的拉深模拟数据凹模转角mm10121518最人

48、变薄率%20. 17220. 2020.5119. 15最大变厚率%15. 0214. 7314. 7713. 96最大正应变0. 4540. 4520. 4740.483最大负应变-0. 490-0. 475-0. 454-0. 447最人正应力pa331.974334. 70636& 366335. 677最人负应力pa-346. 572-350.206-342. 135-34& 734成形效果起皱、耒充分拉深未充分拉深较好未充分拉深凹模转角伽）+最大变蒲率%7最大变厚率«图4.10不同凹模转角半径下的拉深厚薄变化凹模转角（皿）y-最大正应变 亠最犬负应变图4.

49、11不同凹模转角半径下的应变变化c c-u ol- a-j +最大正应力pa 亠最大负应力pnu/l.-ixl12 15 is图4. 12不同凹模转角半径下的应力变化(a)转角半径10mm未充分拉深转角半径12mm(c)转角半径15mm(d)转角半径18mm图 4.13不同凹模转角半径卜的成形极限图结果分析如下：(1) 凹模转角半径在lomni出现轻微起皱的情况，起皱的区域发生在表面的闘角和直 壁转角处，随着转角的变大，起皱情况减弱。但是，转角的大小对于减小起皱并不明显。(2) 从厚薄图看，在较小转角吋出现较大的变薄和变厚现象，这是由于转角处过小 阻碍了材料向凹模的流入，造成在转角处，法兰区起

50、皱严重，而成形区直壁拉裂的情况。 而应力很应变在转角增大大一定程度后趋于稳定，所以对于两者影响不大。根据上述可知，转角半径不能过小，而其大小应该和凹模的i员i角半径相近，所以选凹 模转角半径为15mm。4.5压边力对成形的影响为了防止板料直接进入凹模，必须加有压边力。为了防止起皱，在凸缘部分采用压边 圈，加压边圈后，材料边沿部分流动性稳定，不容易起皱。由于在相同压边力下，为了使 矩形水槽不破裂，矩形水槽屮间部分没有完成拉深成形。所以在此使用分块压边圈，使矩 形水榊中间和两端得到不同的压边力。试验方案如下：(1) 凸凹模间隙为it,凹模圆角半桎为12mm,板厚1.2mm,转角半轻为15mm；(2

51、) 材料为的dqsk；(3) 冲程 50mm,速度为 2000mm/s。根据上述的参数设定在dynaform +进行分析，分别采用不同的压边力进行模拟，模拟试验结果如表4. 5和表4. 6,试验变化如图4. 14-4. 21。表4.5不同压边力y1下的拉深模拟数据压边力y1kn10305070压边力y2kn1200最人变薄率%18.44最人变厚率%15. 70最人正应变0. 478最人负应变-0. 475最大正应力pa369. 247最人负应力pa-34& 589成形效果稍皱12001200120020. 5122.2124. 8014. 7713. 8612.410. 4740. 4

52、750. 470-0. 454-0. 440-0. 428368. 367363.915363. 453-342.135-337. 758-343.376好破裂倾 b"破裂倾向+最大变薛% 十最大变，薛3(2e刃5070压边力(kn)图4. 14不同压边力y1下的厚薄变化+最大正应变-最大负应变压边力(kn)图4. 15不同压边力y1下的应变变化亠最大正应力p8-最大负应力旳o o o o o o oo o o o o ok圖-2-3-4图4. 16不同压边力y1下的应力变化tutor破裂倾向(c)压边力 y1 二50kn(d)压边力 y1 二70kn图4. 17不同压边力y1下的极限应力图+最大变薄率7最大变厚率压边力(kn)表4. 6不同压边力y2下的拉深模拟数据压边力y1kn30303030压边力y2kn1000120015001700最大变薄率%19. 6520. 5122. 1131