覆盖件成形模拟技术 第一章绪论讲稿

1、第一章 绪论1.1汽车覆盖件概述一、定义：指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的表面零件和内部零件。例如：引擎盖板（发动机罩），车顶盖，左、右车侧围，前、后车门，前、后、左、右翼子板，行礼箱盖板，发动机前支撑板，发动机前裙板，前围板、前围上盖板，后围板，后围上盖板，前框架，车轮挡泥板、前围侧板、前挡泥板等。覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。二、分类按工艺特征分类如下：(1)对称于一个平面的覆盖件。诸如发动机罩、前围板、后围板、散热器罩和水箱罩等。这类覆盖件又可分为深度浅呈凹形弯曲形状的、深度均匀形状比较复杂的、深度相差大形状复杂的和深度深的几种。(2)不对称的覆盖件。诸如车门的内、外板，翼

2、子板，侧围板等。这类覆盖件又可分为深度浅比较平坦的、深度均匀形状较复杂的和深度深的几种。(3)可以成双冲压的覆盖件。所谓成双冲压既指左右件组成一个便于成形的封闭件，也指切开后变成两件的半封闭型的覆盖件。(4)具有凸缘平面的覆盖件。如车门内板，其凸缘面可直接选作压料面。(5)压弯成形的覆盖件。以上各类覆盖件的工艺方案各有不同，模具设计结构亦有很大差别。 按功能和部位分类，可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三类。外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求，内部覆盖件的形状往往更复杂。 按材料分类可分为：1.塑料类覆盖件,如ABS,PP,SMC制作的保险杠,翼子板等,科学研究和生产实践表明

3、，SMC材料是新型汽车覆盖件制造的理想材料。2.钣金类覆盖件,一般指车身壳体零件,是由薄钢板冲压成形,然后按一定的工艺次序焊接成车身壳体。三、覆盖件的特点和要求：同一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点。覆盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺都具有特殊性。因此，在实践中常把覆盖件从一般冲压件中分离出来，作为一个特殊的类别加以研究和分析。 覆盖件的特点决定了它的特殊要求。 1. 表面质量 覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美观，因此覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美感的缺陷。覆盖件上的装饰

4、棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡均匀，覆盖件之间的棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。总之覆盖件不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。2. 尺寸形状 覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确地表达出来，因此覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述。主模型是覆盖件的主要制造依据，覆盖件图上标注出来的尺寸形状，其中包括立体曲面形状、各种孔的位置尺寸、形状过渡尺寸等，都应和主模型一致，图面上无法标注的尺寸要依赖主模型量取，从这个意义上看，主模型是覆盖件图必要的补充。 3. 刚性 覆盖件拉延成型时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。刚性差的覆

5、盖件受至振动后会产生空洞声，用这样零件装车，汽车在高速行驶时就会发生振动，造成覆盖件早期破坏，因此覆盖件的刚性要求不可忽视。检查覆盖件刚性的方法，一是敲打零件以分辨其不同部位声音的异同，另一是用手按看其是否发生松弛和鼓动现象。 4. 工艺性 覆盖件的结构形状和尺寸决定该件的工艺性。覆盖件的工艺性关键是拉延工艺性。覆盖件一般都采用一次成型法，为了创造一个良好的拉延条件，通常将翻边展开，窗口补满，再加添上工艺补充部分，构成一个拉延件。【汽车覆盖件模具设计与制造，现代模具技术编委会编，国防工业出版社，1998。】l 研究汽车车身的重要性据统计，汽车上有6070的零件是用冲压工艺生产出来的。因此，冲压

6、技术对汽车的产品质量、生成效率和生产成本都有重要的影响。冲压工艺具有生产效率高、尺寸一致性好、原材料消耗低、冲压件质量轻、强度和刚度好，工艺过程简单等优点。汽车上的许多零件都采用冲压件，例如：车身的内、外覆盖件，纵梁、横梁和保险杠，油底壳，车箱的侧板和底板等。四、板料冲压成形中的物理现象：冲压成形过程作为一个统一的力学过程，在这个过程中，板料毛坯具有一定的尺寸和形状，也可以是一个圆筒，或者经过冲压成形的毛坯，然后毛坯上施加以法向表面力和切向表面力，这些力的分布与变化历程取决于不同的成形类型所决定的模具和工艺参数。在这样的力学过程基础上，可总结出四大重要物理现象：² 接触碰撞；接触碰撞

7、现象是十分普遍的物理现象，它是两个物体表面间产生的相互作用的一个过程。接触碰撞过程的计算是最难的工程计算问题之一，因为它涉及一个求解具有未知边界条件的边值问题。² 摩擦磨损；摩擦是与接触不可分割的一个物理现象，它表现为两接触表面相对运动的阻碍作用。在板料冲压成形过程中，有时利用摩擦，而有时要避免摩擦以达到控制材料流动的目的。磨损是摩擦作用的一种反映，它是模具失效的主要形式，磨损的快慢就决定了模具的使用寿命。² 大位移、小应变大转动（非线性有限元理论）；大变形的出现使线性的应力和应变关系不再有效，大位移和大转动的产生导致物体的构形不断改变，从而需要考虑构形处于变化中的物体的平

8、衡方程。由大位移、大转动引起的非线性问题统称为几何非线性问题。² 弹塑性变形在冲压成形的加载过程中，工件同时发生弹性和塑性变形，卸载后，大部分弹性变形消失，塑性变形得以保留，何时开始产生塑性变形涉及到材料的屈服准则。1.2板料冲压成形技术及其重要性1.2.1 概述l 概念薄板冲压成形：是利用金属塑性变形的特点，通过一定方式对金属薄板施加压力，使其产生所需的塑性变形，从而获得满足所需的各种形状的零件。钟志华板料冲压成形是金属塑性加工的主要方式之一，它是通过对金属板料施加外力(模具压力、液压及气压等)，使其在模具的控制下成形零件的一种加工方法。周天瑞汽车覆盖件冲压成形技术薄板：厚度小于6

9、mm，冲压时一般不需要加热，故又称为冷冲压。l 发展历史历史悠久，如早期人们就用来制作金属器皿和钱币。直到19世纪人们发明手动压力机机械式薄板成形才算真正开始。此后，人们开始研究金属的力学和工艺，模具和设备得到迅速发展，从手工作坊走向工厂化，提高生产率。随着汽车技术的出现和不断成熟，薄板成形技术得到了空前的发展，人们不断改进冲压机床和配套设备，研究材料的成形性能，提出指导冲压成形过程设计的各种理论、经验公式和工艺准则。20世纪70年代，随着有限元的成熟和计算机的发展，人们开始采用数值分析手段研究成形过程。目前，冲压成形计算机仿真分析技术已能够在工程实际中帮助解决传统方法难以解决的模具设计和冲压

10、工艺设计难题，如起皱、破裂和回弹问题。l 板料冲压的优点（1） 产品尺寸精度稳定；（2） 冲压件具有高强度、高刚度、重量轻（通过优化设计）；（3） 操作简单、易实现自动化、材料消耗少、大规模生产生产率高、成本低；l 冲压成形仿真技术的重要性数值仿真是产品和设计和制造的核心技术之一。数值仿真是使板料冲压成形由“经验”走向“科学”，由“定性”走向“定量”的桥梁。对于汽车制造业来说，21世纪的竞争核心将是新产品的竞争，实现高质量、低成本、短周期的新车型的开发正是赢得这场竞争的关键。而数值仿真将对提高汽车产品设计水平、制造质量和效率起着举足轻重的作用，这也是我国汽车企业提高市场竞争力的必由之路。1.1

11、.2 板料冲压成形的基本工序汽车覆盖件是形状复杂的薄板曲面零件，其冲压成形工艺复杂，需采用专门的分析方法。它虽是由各种基本成形组成，即在不同部位发生了不同的基本变形。但由于这些部位并不是孤立分开的，而是相互联系彼此制约着，所以不能用分析基本工序的方法来研究和计算，也就是不能将不同变形性质的部分，作为一个个单纯的基本成形工序孤立地分析。但可以利用基本工序的理论进行类比分析，在考虑不同部位相互影响的条件下获得正确的结果。【周天瑞】1. 冲裁（1）冲裁的变形过程是利用模具使板料产生分离的冲压工序，它是落料、冲孔、切边（修边）、切口、剖切等工序的总称。其变形过程是从材料受力发生弹性变形开始，以断裂分离

12、结束，如下表。 （2）影响冲裁质量的主要因素冲裁间隙：它对冲裁件的断面质量、尺寸精度、模具使用寿命及冲裁力都有不同程度的影响。由图31可以看到，当间隙变化时，冲裁件的断面形状和质量都随之变化。若间隙合理，上、下两面出现的裂纹相互重合，所得断面光洁，略带斜度(见图31a)；若间隙过小，上下两裂纹不重合，隔着一定距离，互相平行，最后在其间形成毛刺和层片，并形成两个光亮带(见图31b)；如果间隙过大，对于薄材料会使材料拉人间隙中，形成拉长的毛刺，对于厚材料则形成很大的塌角(见图31c)；如间隙分布不均匀，则在间隙小一边形成双光亮带，间隙大的一面形成很大的塌角。刃口状态：当模具刃口不锋利而磨损成圆角时

13、，挤压作用增大，这样冲裁件圆角和光亮面增大。当凸、凹模刃口磨钝后，即使间隙合理，也会在冲裁件上产生毛刺。材料性能：材料性能会影响冲裁件断面的质量，对于塑性好的材料，冲裁时裂纹出现得较迟，因而材料被剪切的深度较大，断面上光亮面所占的比例大、圆角大、官弯大，但断裂面较窄；而塑性差的材料，剪切开始不久，便使材料拉裂，光亮面所占比例小、圆角小、宰弯小，断面大部分为粗糙断裂面。概括如下：间隙增大，塌角和断裂带所占比例加大，光亮带减小。一般情况下，间隙与板材的厚度和硬度成正比，与材料塑性成反比。2、弯曲把板料毛坯、型材和管材等弯成一定的曲率、一定角度和形状的冲压成形工序称为弯曲。弯曲工艺在汽车覆盖件生产中

14、应用广泛。用弯曲工艺加工的零件种类众多，由于弯曲成形所采用的工具和设备不同，而形成了多种不同的弯曲方法。如在普通压力机上使用弯曲模的压弯、折弯机上的折弯、辊弯机上辊弯以及拉弯机上的拉弯等等。各种弯曲方法尽管所用设备和工具不同，但其变形过程却存在着某些共同的规律。 （1）、弯曲变形过程 弯曲变形时，坯料上曲率发生变化的部分是变形区(见表32)。弯曲变形的过程以板料在V形模内的校正弯曲为例，列表说明如下(见表36)。 （2）、弯曲件的工艺性 具有良好工艺性的弯曲件，不仅可以简化弯曲工艺过程和模具设计制造过程，而且能提高弯曲件的精度，节省原材料。表3-6 3、拉深：拉深是利用模具将冲裁所得平面毛坯压

15、制成开口空心零件的冲压成形工序，也称拉延。它是板料冲压立体成形中最重要的方法，用该工艺可以制成圆筒形、球形、阶梯形、方盒形、锥形以及其他不规则形状的薄壁开口空心零件。（1）圆筒拉深时的应力和应变 从变形的角度划分的几个区域：圆筒底，凸模圆角，筒壁，凹模圆角，凸缘区域筒底部区域（I区）该区常称为不变形区，因为凸模圆角处坯料与模具的摩擦，大大减轻了筒壁轴向拉应力对筒底材料的拉深变形，使筒底区域的变形很小，通常其拉深变形量为1%2%，板厚减薄量为2%3%，该区域材料处于两向受拉的平面应力状态应变状态则是切向（切向面也称弦向切面，是垂直于圆柱半径所做的纵切面）与径向（径向切面是通过圆柱直径所做的纵切面

16、）的拉伸变形、厚向的压缩变形。凸模圆角区域（II 区），该区为过渡区，它受径向拉应力、切向拉应力和厚向压应力的作用。应变状态是径向拉伸变形，厚度方向为压缩变形。该区域的筒壁与底部转角稍上处，即A处，开始拉深时它处于凸、凹模间，需要转移的材料较少，变形程度小，冷作硬化程度低，且又不是凸模圆角处有益的摩擦作用，但却受到凸模圆角的顶压和成形力的拉伸作用，板厚变薄严重，所以该处称为危险断面。筒壁区域（III区）该区为传力区，将凸模的拉深力传递到凸缘区。它受轴向拉应力作用而处于轴向伸长、厚度减薄的平面应变状态。凹模圆角区域（IV区）这也是过渡区，材料变形情况复杂。当凸缘区材料向凹模孔内流动进入凹模圆角区

17、域时，材料在凹模圆角区CD处，首先经受一次由直变弯的弯曲过程，以使板料与凹模凹模圆角圆角贴合。当材料离开凹模圆角区域转为筒壁的一部分时，材料又经历一次由弯变直的弯曲过程。这两次弯曲变形为材料成形附加了弯曲阻力和摩擦阻力，引起拉深力的显著增加。该区板料的应力状态，除有与凸缘部分相似的径向受拉和切向受压应力外，还由于承受凹模圆角压力和弯曲产生压力的作用，厚向压应力已较大，所以是一向受拉、两向受压的应力状态。即应变状态为径向拉伸、切向压缩和厚向减薄。凸缘区域（V区）这是拉深成形的主要塑性变性区。该区材料在凸模拉深力的作用下不断被拉入凹模腔内，外缘直径不断减小。该处材料处于径向受拉、切向受压、厚向受压

18、（若无压边圈时厚向应力为0）的应力状态。应变状态是两向拉伸和一向压缩的三向应变状态。（2）盒形件的拉深特点盒形件的拉深成形与圆筒形件的拉深成形相比，在变形性质上是一致的，变形区的材料都是在拉、压应力状态下产生塑性变形。它们之间的差异在于盒形零件拉深变形时，沿变形区周边的应变分布是不均匀的，并随零件的几何参数、坯料形状及拉深成形条件的不同，这种不均匀变形程度也不相同。因此，盒形零件的拉深成形与圆筒形件的拉深成形相比变形情况要复杂得多。盒形件可以看成由直边部分和圆角部分组成。盒形件拉深成形时，圆角部分近似圆筒形件拉深，直边部分近似板料弯曲。因此，盒形件拉深成形是圆角部分拉深、直边部分弯曲两种变形方

19、式的复合。盒形件拉深的变形特点可以归纳为下面几点：1）盒形件拉深时，圆角部分的变形基本与圆筒形件拉深相似，只是由于金属向直边流动，使得径向应力和切向应力在圆角部分的分布不均匀，圆角中部最大，逐渐向两边减小。2）拉深时，直边部分除弯曲变形外，在与圆角的连接部分，还有横向压缩及纵向伸长，因而其应力也包括纵向拉应力和横向压应力两部分。3）盒形件拉深时，圆角部分的径向拉应力分布是不均匀的，而其平均拉应力比相同半径的圆筒形件的径向拉应力要小得多。因而盒形件的极限变形程度可相应加大，拉深系数相应减小。4）盒形件的最大应力出现在圆角部，因而破裂、起皱等现象也多在圆角部产生。在远离圆角部的直边部分一般不会产生

20、起皱。5）盒形件变形时，圆角与直边相互影响程度的大小，取决于其相对圆角部半径r/B数值越小，两者的变形影响越显著，圆角部分的变形情况与圆筒形件的变形情况差别越大。当r/B=0.5时，盒形件就变成圆筒形件了。6）盒形件拉深时，容易出现拉裂的情况，除了在圆角侧壁底部与凸模圆角相切处发生拉裂外（拉深破裂），还会因凹模圆角半径过小等原因，引起盒形件凸缘根部圆角附近侧壁产生拉裂侧壁破裂。（3）球形零件的拉深变形特点对于球形、抛物线形及锥形等非直壁类拉深件，其变形区除凸缘环形部分外，在凹模口内的毛坯材料也参与变形。在很多情况下，凹模口内的材料反而成为这类拉深的主要变形区。现以球形拉深件为例，分析其拉深过程

21、的应力与应变状态（见图 ）。球形件拉深时，其凸缘部分与圆筒形件相似，径向受拉、切向受压，厚向也受到压边力作用，而凹模口内毛坯的受力情况与圆筒形件则大不相同。在开始拉深时，凹模口内毛坯与凸模只有小区域接触，径向应力和切向应力都较大，使接触区的材料屈服而变薄，并紧紧地贴合凸模，很明显，这部分材料处于切向、径向两向受拉，厚向受压的胀形应力状态，故称这一区域为胀形变形区。随着拉深变形的进行，凸模贴模区逐渐增大，作用到贴模区的单位压力逐渐减小，毛坯变薄也减小。因而毛坯的变薄量是从球形件顶端往外逐渐减小。在凹模口内，有一部分材料既不与凹模接触也不与凸模接触，称为悬空状态的毛坯。这部分毛坯，也和凸缘一样，径

22、向受拉，切向受压。由于切向压力的作用，材料也要增厚，材料的增厚量从凹模口起，向内逐渐减小。因而在凹模口内，接近贴模处，必然存在着这样一环材料，这环材料既不增厚也不减薄，可称这环材料为变形过渡环。变形过渡环以外为拉深变形区，变形过渡环以内为胀形变形区。应该指出的是，变形过渡环是在贴模区以外，即胀形变形区略大于贴模区。4、胀形胀形是一种局部成形工艺，它利用模具迫使板料厚度减薄和表面积增大，从而得到所需几何形状和尺寸零件的工艺方法。主要用于平板毛坯的局部胀形（如压突起、凹坑、加强筋及花纹等）和空心管坯的胀形（如扩径、波纹管等）。如前所述，在曲面零件拉深时，毛坯的中间部分会产生胀形变形。以后我们将会谈

23、到在汽车覆盖件成形时，为满足成形和精度的需要常常要求有足够程度的胀形变形。胀形的特点：1）变形区。胀形时毛坯形状的变化是通过变形区材料表面积的增大来实现的，所以胀形时毛坯变薄是不可避免的。2）胀形时，变形区内的金属在厚度方向所受的应力很小，可忽略不计，因此变形区是处于两向受拉的应力状态。3）拉应力在厚度方向上的分布比较均匀，回弹小。4）另外，由于不存在压应力，毛坯不会出现失稳起皱现象。因此零件的表面光滑、质量好。问题：为什么对曲率小的曲面零件，通常采用胀形或带有较大胀形成分的拉深方法成形？胀形有刚模胀形和借助液体、气体或橡胶压力成形的软模胀形。利用软模胀形法可以加工形状极为复杂的零件。5、翻边

24、翻边是在成形毛坯的平面部分或曲面部分利用模具使板料沿一定的曲线（翻边线）翻成竖立边缘的冲压成形方法。用翻边方法可以加工形状较为复杂、具有良好刚度和合理空间形状的立体制件，还能在冲压件上制取与其他零件装配的部位（如螺纹底孔等）。1.1.2 薄板冲压成形的分类板料冲压成形可按板料在冲压成形过程中的变形状态和零件的形状进行分类。（1）按冲压过程的变形状态A 纯弯曲，板料受纯弯曲变形，其中性面不改变其尺寸，中性面一侧的材料产生拉伸变形，另一侧产生压缩变形。B 纯拉伸，板料只受到板料平面内的拉伸力，靠板料厚度的减薄来达到成形目的。实际生产中大多是弯曲和拉伸的组合。（2）按照零件的形状进行分类 A 拉深

25、b 翻边 c 胀形 d 缩口 e 翻孔 f 扭曲缩口是将管或预先拉深好的圆筒形件通过缩口模将其口部直径缩小的一种成形方法。如弹壳的制造过程。Ø 拉深成形拉深成形就是利用板面内材料的移动，从平板形成容器状零件的成形方法。拉深成形是板材立体成形中最重要的方法，因此往往使用拉深这个名词作为钣金成形的总称。以拉深成形为主体的冲压件非常多，如汽车车身、家用电器、厨房器具等很多物品都是拉深成形的。特点：在拉深成形中，壁厚的减小不是变形的本质，因此深的零件也有可能成形，这也就是它被称为拉深成形的原因，而且，如果采用多次拉深法，不管是多深的立体状零件都可能成形。拉深成形的实质就在于法兰部分的变形。从

26、成形的角度，可以把拉深成形的立体状零件分为三部分（1）底部受到凸模力作用的部分；（2）侧壁部传递凸模力的部分；（3）法兰部切向（圆周方向）受压缩，同时流入凹模洞口的部分。切向压缩力沿拉深方向的分力是阻止材料移动的阻力，这就是拉深力产生的根源。其次，在法兰上，由于切向压应力的存在，有起皱的危险，为防止起皱，需增加压边力，压边力又成为法兰移动的阻力，此力与材料自身的变形阻力合在一起即成为总拉深阻力。侧壁强度最弱处为凸模圆角处（即侧壁与底部转角处）附近，所以此处的承载能力大小就成了决定拉深成形可否取得成功的重要因素。在改善拉深成形、提高成形极限的时候，通常研究的是侧壁部的承载能力和拉深阻力（包括摩擦

27、阻力和凹模洞口圆角处的弯曲阻力）这两个因素。主要做法：从材料来说，要选择法兰压缩变形容易、侧壁抗拉强度高的材料；从成形条件来说，应减少法兰部分的摩擦阻力，或者加大凹模洞口圆角半径；Ø 翻边成形翻边是在成形毛坯的平面部分或曲面部分利用模具使板料沿定的曲线(翻边线)翻成竖立边缘的冲压成形方法。用翻边方法可以加工形状较为复杂、具有良好刚度和合理空间形状的立体制件，还能在冲压件上制出与其他零件装配的部位(如螺纹底孔等)。在汽车覆盖件的生产中应用广泛。翻边成形制品的例子，（a）直线翻边，其弯曲线为直线；（b）延伸翻边，其弯曲线为内凹形；（c）压缩翻边，其弯曲线为外凸形；（d）两者混合状态的复合

28、翻边。直线翻边与简单的折弯相同，而压缩翻边与拉深成形相同。延伸翻边可以分为在平板上制出凸缘和在圆筒形制件上制出凸缘两类。Ø 胀形工艺胀形成形是在日常生活中经常接触到的象吹气球那样使零件鼓起的一种成形方法。这种方法和拉深并列，对薄板，特别是冷轧钢板及其它厚度为1毫米左右的材料来说，是一种重要的成形方法。胀形多用于在大面积中有局部材料鼓起的场合，但除此之外，由于胀形时凹模和材料之间的滑动少，不容易划伤制件，以及成形力上有张力等，所以对形状和表面有严格要求的覆盖件的成形也常常应用它。 胀形的特点胀形和拉深成形不同，法兰部分的坯料处于不流动状态，当用凸模推压材料时，在材料面内发生伸长，即表面

29、积增加，胀形就是靠坯料表面面积的增加而成形为立体件的方法。表面面积的增加必定伴随着材料厚度的减薄，在胀形中，材料的延伸极限使胀形深度受到限制；此外，从成形件的性能方面来看，材料厚度有很大的减薄也是问题，所以胀形量就自然受到了限制。在产生颈缩前的变形就是有效变形。胀形的种类一般的胀形可包括以下五种：（1） 局部胀形。在实际中应用最广。例如，车门上的手柄部分、车箱板上的纵向补强用凹凸状沟棱等。一般可在相当接近胀形极限的状态下进行胀形。（2） 整体胀形。例如，摩托车的挡泥板是胀形区域较广、而胀形又比较均匀的制件。（3） 大曲面胀形，是大曲率半径曲面的浅胀形，如汽车覆盖件等。不存在破裂问题，但存在形状

30、性（与规定形状的吻合程度）问题，从模具上取下成形件后往往产生回弹，所以得不到规定的形状，一般有变平的趋向，改善的办法是加大塑性变形。（4） 软模胀形，是采用液压或冲击波等手段使管形件产生凸臌的胀形方法。分为平板毛坯的胀形和管子胀形两种，作为软模胀形的介质有液体、橡胶、放电电压等。在软模胀形中装有上下滑动的刚性凹模的所谓复式液压胀形法，具有某些值得注意的特性，即用此法可成形任意形状的零件，因其变形分布均匀，故有可能成形深零件，还可做出底部转角为锐角的成形件；放电成形是在管子的两端接上电极，两端之间用一根通过管子中心的细导线联接，利用两极间的高电压在放电时产生的电能使管子臌凸。（5） 复合成形，是

31、拉深和胀形的复合成形，是介于二者之间的成形方法。以上这些过程都包含弯曲和拉伸的组合变形，所涉及的模具类型和压力机都不一样，在成形过程中遇到的问题也不一样。如在拉深中，拉裂可能是最容易产生的缺陷，而在翻边中，回弹补偿可能成为一个主要问题。属于板料成形范畴的还有其它类型的工艺方法，如落料、冲孔、切断（切边）等，这些方法尽管也是利用压力来完成，但在本质上与上面提到的其它成形方法有区别，因为落料、冲孔和切断属于一种分离工序，它不仅使材料发生塑性变形，更重要的是材料的断裂性能。1.2.3 板料冲压成形的常见缺陷及产生原因 l 拉裂 拉裂是深冲工艺产生的常见缺陷，根据程度不同可将拉裂分为微观拉裂和宏观拉裂

32、两种情况。消除拉裂方法 降低拉裂区的拉应变值，可采用不同的途径，如调整压边力、改善润滑条件、增加辅助工序等。成形极限图 成形极限图是用来描述材料在给定状态下所能承受的最大应变的情况，如图2.1所示，成形极限图中曲线以下的区域代表成形安全区，曲线以上的区域代表拉裂区。 l 起皱 起皱是板料冲压成形中另一种常见缺陷，它产生的原因正好与拉裂产生的原因相反，是由于局部压应力过大引起失稳所致。起皱不仅影响零件的精度和美观性，还会影响下一到工序的正常进行。如果起皱严重就可能导致坯料难以通过凸凹模间隙而被拉断。消除方法 增加起皱处的法向接触力。l 回弹补偿不当由于冲压件弹性变形的存在，卸载后零件会发生回弹。

33、为了补偿回弹所引起的冲压件的尺寸改变，可以采取调整模具形状和尺寸的方法。做法如下：首先计算出冲压件的回弹量，然后按照该回弹量反方向修正模具。即便如此，仍然存在问题，一是回弹量难以精确计算，另一个是即使回弹量能够精确计算，回弹也很难一次补偿好，这往往是一个迭代过程。1.3 板料成形仿真技术的发展1.3.1 有限元技术的发展1960年，Clough教授在其发表的论文中首次提出“有限元”这一名词，Courant、Argyris、Turner、Clough和Zienkiewicz的论文促成了有限元法的诞生，奠定了早期有限元法的基础；1967年，Marcal教授和King提出了弹塑性有限元格式；1968

34、年，Yamada（山田嘉昭）推导了小变形问题弹塑性矩阵的显式表达，大大推进了小变形弹塑性有限元法的发展；1970年，Hibbit、Marcal和Rice基于有限变形理论，应用增量法建立了全Lagrange格式的大位移、大应变弹塑性有限元法，Marcal又于同年推出了弹塑性有限元程序MARC，即现在广泛应用的商品化大型有限元软件MARC的前身；1973年，Oden等人建立了热粘弹塑性大变形有限元方法；1974年，McMeeking等建立了更新的Lagrange格式的大变形弹塑性有限元方法；至此，用于大变形问题分析的弹塑性有限元理论已经系统的建立起来了。1.2.2 板料成形有限元分析的发展1973

35、年，Kobayashi提出刚塑性有限元法后，和Mehta立即把这一方法用于分析冲压成形问题，这是人们第一次用有限元法来模拟冲压成形过程；1974年，Iseki等人用弹塑性增量型有限元法模拟了液压胀形过程；1976年，Wifi基于轴对称理论，用弹塑性增量型有限元法模拟了圆形坯料在半球形凸模下的胀形和拉深过程；1977年，在美国GM公司召开了一个关于板料冲压成形力学分析的研讨会，kobayashi用刚塑性有限元分析方法分析了液压胀形问题和半球形凸模拉深问题，N.M. Wang提出了弹粘塑性有限元法，并用该方法模拟了平底圆凸模和半球凸模下的拉深过程，这两篇论文分别采用薄模单元和库仑摩擦理论，这在当时

36、已相当完善；1978年，N.M. Wang和Budiansky基于非线性薄膜理论，用弹塑性大变形TL格式分析了任意几何形状模具的冲压成形问题，首次考虑了坯料在模具表面的滑动和粘着效应的接触摩擦现象；同年，Kobayashi和Kim基于轴对称理论，用刚塑性有限元法分析了正交各向异性材料的胀形问题，E. Onate和Zienkiewicz基于非牛顿流体的流动理论，采用粘塑性有限元法分析了轴对称情况下的胀形和拉深过程；1980年，S.I. Oh和Kobayashi用刚塑性有限元法分析了任意形状模具的拉深问题；1983年，E. Onate和Zienkiewicz用粘塑性有限元法分析了非对称模具的冲压成

37、形问题；1984年，N.M. Wang用刚塑性有限元法分析了速率敏感型材料的冲压成形问题；1985年，Toh和Kobayashi采用壳单元理论，用刚塑性有限元法首次分析了方形盒的拉深过程，这标志着冲压成形三维有限元仿真的开始；同年，Makinouchi用弹塑性有限元法分析了弯曲和修边过程；1986年，日本大阪大学的Nakamachi（仲町英治）也用弹塑性有限元法分析了冲压成形的一般问题；1987年，Park等人用刚粘塑性有限元法分析了轴对称冲压成形问题；1988年，Nakamachi用弹塑性有限元法模拟了方形盒的拉深过程。1.3.3 汽车覆盖件冲压成形仿真分析的发展70年代末，S.C. Tan

38、g首先研究了轿车行礼箱盖的压边成形过程，1981年，首次完成行礼箱盖分析，接着又完成了轿车前翼子板分析，随后，Tang等人发表了一系列论文，系统研究了用有限元法分析覆盖件冲压成形问题，有力地推动了有限元法在覆盖件冲压仿真分析中的应用。受S.C. Tang和N.M. Wang的影响，Wagoner、Nakamachi和Makinouchi等人也开始研究有限元方法在覆盖件冲压成形中的应用问题。就这样，车身覆盖件冲压成形有限元仿真研究在工业化国家全面展开了。当前，国际上几个有影响的研究组织：（1） 以S.C. Tang为代表的Ford公司的研究小组。他们基于增量型弹塑性有限变形理论（大变形理论），采

39、用NewtonRaphson迭代算法求解，建立了专门由于分析车身覆盖件冲压成形分析的静力隐式（static implicit）格式的有限元方法。（2） 以Nakamachi（仲町英治）、Makinouchi（木野内）为代表的日本板料成形研究组织（Japan Sheet Metal Forming Research Group）。这是一个由来自于汽车工业、钢铁工业、大学和政府机构的37家单位组成的联合研究机构。他们基于增量型弹塑性有限变形理论和Mindlin理论，采用中心差分算法求解，开发了静力显式（static explicit）和动力显式（dynamic explicit）两种格式的有限元软

40、件，应用于日本的一些汽车厂和钢铁厂。（3） 以R.H. Wagoner和T. Altan为代表的OSU（Ohio State University）研究小组。他们采用刚塑性和刚粘塑性本构关系，基于薄膜理论和板壳理论，采用修正的NewtonRaphson迭代法求解，开发了分别用于分析二维和三维冲压成形问题的静力隐式格式有限元软件，他们对接触问题的处理具有独到之处。（R.H. Wagoner：Department of Materials Science & Engineering, Ohio State University，2041 College Road, Columbus, OH

41、 43210, U.S.A.）（4） 以D.Y. Yang和J.H. Kim（Kobayashi小林史郎的学生，20世纪80年代初回国）为代表的韩国汉城大学研究小组。他们采用刚塑性和弹塑性本构关系，应用薄膜单元、壳单元和块单元，开发了静力隐式、动力显式和隐式/显式耦合三种格式的有限元软件。（5） 以E. Onate等人为代表的位于巴塞罗那的国际工程数值方法中心（International Center for Numerical Methods in Engineering）。他们除了开展工程中的有限元理论和方法研究之外，还用“流动型”有限元法对冲压成形问题进行分析。NUMISHEET标准考题

42、的发展随着冲压成形有限元仿真研究的不断发展，大量的研究成果不断在有关国际会议和刊物上发表，为了促进研究和应用，国际上发起了定期召开的板料成形三维数值仿真国际会议NUMISHEET（International Conference on Numerical Simulation of 3-D Sheet Forming Process），分别是：OSU标准考题（1988年）、VDI（德国工程师学会）标准考题（1991年）、NUMISHEET93、 NUMISHEET96、 NUMISHEET99、 NUMISHEET02，这些标准考题从不同角度考核有限元软件预测破裂、起皱（wrinkling）、

43、屈曲（buckling）和回弹（springback）的能力。1.3.4 板料成形有限元仿真关键技术的发展Ø 单元技术薄膜单元（薄膜理论），C0型单元，构造格式简单，但忽略了弯曲效应，考虑的内力仅为沿薄壳厚度均匀分布的平行于中面的应力，忽略弯矩、扭矩和横向剪切块单元（连续介质理论），C0型单元，考虑弯曲效应和剪切效应，格式更简单，但计算时间太长。壳单元（板壳理论），既能处理弯曲和剪切效应，又不像实体单元那样需要很长的计算时间，因此在车身覆盖件冲压成形仿真分析中常被采用。壳单元大致分为两类：一类是基于经典Kirchhoff板壳理论的壳单元；另一类是基于Mindlin理论的壳单元。BT壳

44、单元就是Belytschko等人基于Mindlin理论开发的计算精度和效率都很高的一种壳单元。Ø 求解格式冲压成形过程是一个大变形的非线性力学过程，其数值分析以增量法为主，建立有限元格式的途径有两种，即TL法和UL法，无论采用哪种格式，最终在经过有限元离散化之后建立起来的坯料运动方程都可以表示为 (1.1)静力显式格式（static explicit algorithm），一般认为，冲压成形过程是一个准静态过程，因此速度和加速度的影响可以忽略，则考虑t时刻和时刻的平衡方程为 (1.2) (1.3)以上两式相减，得到增量方程为 (1.4)把在t时刻进行Taylor展开，仅保留线性项，得

45、到 (1.5)因而得到求解方程如下： (1.6) (1.7)当不大时，可以认为 (1.8)这就是静力显式格式。对于静力显式格式，为保证解的收敛性，必须严格限制增量的大小，其选择应满足以下条件：（1）任一单元的弹塑性状态在增量步内不发生变化；（2）任一应变主值的增量必须小于一给定值，一般取0.002；（3）任一旋转增量必须小于一给定值，一般取0.5度；（4）任一节点与模具表面的接触状态在增量步内不发生变化。静力隐式格式（static implicit algorithm），当较大时，由于采用了近似表达式(1.5)，造成由式(1.7)确定的不满足平衡方程式(1.4)，记此不平衡力为，则 (1.9)

46、把表示成附近仅保留线性项的Taylor展开式，得到 (1.10)从而得到新的近似解 (1.11) (1.12)重复以上步骤，直至足够小，则得到时刻的解，此即为静力隐式格式。动力显式格式（Dynamic explicit algorithm），如果考虑速度和加速度的影响，采用适当的处理方法，使质量矩阵和阻尼矩阵对角化，考虑t时刻的运动方程，由中心差分法可得到在时刻的节点位移为 (1.13)上式即为动力显式格式，每个自由度的位移可以独立求出，但该算法是条件稳定的积分算法，为保证计算的稳定性，时间步长应满足 (1.14)从上述三种格式的求解过程来看，静力隐式格式在每一增量步内都要进行多次迭代，直至满

47、足收敛条件后，再进入下一增量步，一旦某一步收敛条件不满足，则将导致收敛性错误而停止运算，得不到所需的解答。此外，由于在每一增量步内的每一次迭代中都要构造并计算新的刚度矩阵，因而当规模较大、单元数目较多时，占用内存多，计算时间很长。采用静力显式格式分析简单几何模具形状下的成形时，由于模型小，边界条件简单，收敛性条件容易满足，因此比动力显式格式的计算效率高；当用于分析覆盖件冲压成形问题时，遇到了计算效率和收敛性问题的严峻挑战。静力显式格式把每一增量步限制得非常小，不经过迭代，避免了收敛性问题，但与静力隐式有限元相比，计算效率并没有多大改善。动力显式格式有限元方法不必构造和计算总体刚度矩阵，不经过迭

48、代，不存在收敛性问题，但是该格式是条件稳定的，受最小时间步长得限制，但却可以利用这个最小时间步长限制来方便而有效地处理接触问题，以上的优点使其在处理象覆盖件这样的大规模复杂冲压成形问题时表现得更为明显。动力显式格式的不足之处：一是把准静态过程看成动态过程，可能会因起解得精度偏差；另一个是为了提高计算效率，人为提高了凸模速度，这可能在某些情况下造成不真实的解。Ø 本构关系在板料冲压成形过程中，板料是唯一的塑性变形体，它的应力和应变关系是影响仿真结果可靠性的最重要因素之一。对不同特性的金属有不同的弹塑性本构关系模型可供选用，建立这个模型主要要解决两个问题：在什么样的复合应力状态下材料开始

49、屈服以及材料屈服後如何進行塑性流動。對於第一個問題要建立屈服準則，對第二個问题则要建立流动准则。第一类：各向同性同性材料的屈服准则屈雷斯卡（Tresca）屈服准则，屈雷斯卡于1864年提出屈服准则的概念，他认为：当最大剪应力达到某一极限值时，材料即进入塑性状态。屈雷斯卡条件的数学表达式为 (1.15)式中，是材料的剪切屈服应力，对于不同材料的剪切屈服应力可由实验确定。米塞斯（Mises）屈服准则，由于屈雷斯卡屈服准则不光滑而产生了数学上的困难，为了简化计算，1913年，米塞斯指出，在 p 平面上，屈雷斯卡六边形的六个顶点是由试验得到的，但连接这六个点的直线却具有假设的性质。米塞斯认为，如果用一

50、个圆将屈雷斯卡屈服准则下六个顶点连接起来会更合理，因此，他提出的屈服准则数学表达式为 (1.16)式中为应力偏张量的第二不变量 (1.17)k2为一常数，可由实验确定。例如，用单拉实验，可得 (1.18)第二类：各向异性材料的屈服准则。（1）Hill屈服准则1948年，Hill提出了二次屈服准则，若把各向异性主轴作为局部随体正交坐标轴x，y，z的话，Hill正交各向异性屈服函数可表示为 (1.24)式中F、G、H、L、M、N是材料的各向异性参数，由实验确定。下面对于平面应力情况简化(1.24)式，写成 (1.25)该准则在描述r值较高的各向异性时比较合适。后来，Hill又分别于1979、199

51、0、1993年提出了非二次的屈服准则，包括其它非二次的屈服准则如Gotoh（1977）、Budianski（1984）等都可以更好的描述铝合金的屈服行为。（2）Barlat屈服准则1989年，Barlat和Lian提出新的非二次屈服准则，它可以考虑面内剪切应力，其表达式为： (1.26)式中 (1.27)其中，是等双拉状态的Cauchy主应力；是单向拉伸状态的Cauchy主应力；是纯剪切状态时的屈服剪应力；M是非二次屈服函数指数；是板料轧制方向和面内垂直于轧制方向的各向异性参数；p值可以通过单拉实验的求出。a、h、p材料常数。该准则能更合理地描述具有较强织构各向异性金属板料的屈服行为，可以有效

52、的模拟板料拉深成形过程中突缘的塑性流动规律，可以模拟突缘出现2、4、6个制耳的现象，全面地反映了面内各向异性和屈服函数指数m对板料成形过程中的塑性流动规律及成形极限的影响。只是该准则只能应用于平面应力状态。（例子）1991年，Barlat等人又提出了一个可以说明任何应力状态的通用表述，这一表述包括应力张量的6个分量、反映屈服模型的指数m和六个材料系数a,b,c,f,g,h。所以上面的几个定义式可以化简为 (1.28)再作下面的定义 (1.29) (1.30) (1.31)则可以写出Barlat六分量各向异性屈服函数的具体表达式 (1.32) 归纳起来，描述金属塑性各向异性的屈服准则有很多，其中

53、以下一些准则常用来分析板料成形：Hill（1948）、Edelman & Drucker（1951）、Hershey（1954）、Hosford（1972）、Bassani（1977）、Gotoh（1977）、Gupta（1977）、Hill（1979）、Hosford（1979）、Bressan & Williams（1983）、Budianski（1984）、Barlat & Lian（1989）、Barlat（1991）、Karafillis（1993）、Hill（1993）、Barlat（1993）、Barlat（1997）、Banabic（2000）等。1.4

54、 板料成形有限元仿真软件的分类刚塑性、静力隐式：SHEET-3（OSU）、MFP2D/3D（西班牙）、FORMSYS-SHEET、CASHE（韩国）美国：SHEET-3, MTLFRM, ABAQUS, LS-DYNA3D, DynaForm法国：PAM-Stamp, RADIOSS, FLECHE瑞士：AutoForm日本：ITAS-2D/3D, ROBUST德国：INDEED韩国、西班牙、葡萄牙、荷兰从中得出的结论：（1）弹塑性比刚塑性更适合于覆盖件冲压成形分析；（2）大部分软件都采用显式积分格式；（3）弹塑性动力显式格式有限元软件备受汽车业青睐；（4）冲压成形有限元仿真是学术界和工业界非常重视的研究热点。1.5 有限元仿真技术在车身覆盖件冲压成形中的应用随着冲压成形有限元仿真研究的蓬勃发展，人们用有限元方法认识车身冲压成形这一“黑盒子”的努力不断取得成功，轿车的行礼箱盖、前翼子板、门外板、油底壳、等零件的冲压成形过程被成功地仿真，有的仿真结果被用于指导零件及其模具和冲压工艺的设计和改造。人们应用有限元仿真技术，逐渐打开了覆盖件冲压成形这个“黑盒子“。覆盖件冲压车型仿真分析在多方面对这些企业的冲压生产提供有力的支持：在设计工作的早期阶段评价模具设计、工艺设计的可行性；在试冲试模阶段进行故障分析，解决问题；在批量生产阶段用于缺陷分析，改善生产质量。在汽车工业中，一款新车从概念