基于有限元的半球形件冲压成形中拉延筋毕业设计

1、 PAGE40 / NUMPAGES43毕业设计说明书（论文）中文摘要本文首先通过分析半球形件在冲压成形中的变形特点，了解半球形在冲压成形中遇到的问题：起皱与破裂。然后针造成起皱与破裂的影响因素进行分析，尤其是拉延筋设计在半球形件冲压成形中的影响,借助CAE建模在通过用DYNAFORM改变拉延筋位置、拉延筋方式、筋高、拉深速度与压边力等因素，进行半球形件的成形性能的有限元分析仿真，探讨半球形件冲压成形工艺中拉延筋的设计，并最终选择较优拉延筋参数的方法。关键词 拉延筋 半球形件 冲压成形 有限元毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Drawbead Design Of Hemispheric

2、al Stamping Based On Finite Element AnalysisAbstractHemispherical pieces of paper, through analysis of the deformation in forming the characteristics of hemispherical in forming the understanding of the problems: wrinkling and rupture. Then cause wrinkling and rupture pins factors affecting the anal

3、ysis, especially designed drawbead hemispherical Stamping in effect through the use of CAE modeling drawbead with DYNAFORM change the location, drawbead way, rib height , Drawing speed and blank holder force and other factors, the performance of hemispherical shape parts finite element analysis simu

4、lation of metal forming process hemispherical drawbead design, and ultimately select the optimum Drawbead parameters.KeywordsDrawbeadHemispherical piecesStamping FEM目 录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc8457 1 绪论 PAGEREF _Toc8457 1 HYPERLINK l _Toc534 1.1 选题背景 PAGEREF _Toc534 1 HYPERLINK l _Toc8492 1.

5、2 冲压成形技术研究现状 PAGEREF _Toc8492 1 HYPERLINK l _Toc1892 1.3 主要研究目标与内容 PAGEREF _Toc1892 2 HYPERLINK l _Toc11200 1.4 论文的组织结构 PAGEREF _Toc11200 2 HYPERLINK l _Toc5458 2 半球形件冲压成形工艺理论分析 PAGEREF _Toc5458 4 HYPERLINK l _Toc408 2.1 半球形件冲压成形的变形特点 PAGEREF _Toc408 4 HYPERLINK l _Toc31488 2.2 半球形件冲压成形遇到的问题 PAGEREF

6、 _Toc31488 5 HYPERLINK l _Toc26762 2.3 影响半球形件冲压成形的因素 PAGEREF _Toc26762 7 HYPERLINK l _Toc5466 2.4 本章小结 PAGEREF _Toc5466 10 HYPERLINK l _Toc26257 3 半球形件冲压成形的仿真模型建立 PAGEREF _Toc26257 11 HYPERLINK l _Toc1059 3.1 DYNAFORM软件概述 PAGEREF _Toc1059 11 HYPERLINK l _Toc28474 3.2 基于DYNAFORM的半球形件成形模拟的流程 PAGEREF _

7、Toc28474 11 HYPERLINK l _Toc15429 3.3 半球形件仿真模型的建立与拉延筋的生成 PAGEREF _Toc15429 13 HYPERLINK l _Toc23844 3.4 成形极限图FLD PAGEREF _Toc23844 21 HYPERLINK l _Toc2487 4 半球形件冲压成形中拉延筋设计模拟分析 PAGEREF _Toc2487 22 HYPERLINK l _Toc8414 4.1 参数选择 PAGEREF _Toc8414 22 HYPERLINK l _Toc25975 4.2 研究分析思路 PAGEREF _Toc25975 22

8、HYPERLINK l _Toc6001 4.3 不同的拉延筋位置对半球形件成形影响分析 PAGEREF _Toc6001 22 HYPERLINK l _Toc26728 4.4 不同的拉延方式对半球形件成形影响分析 PAGEREF _Toc26728 26 HYPERLINK l _Toc20037 4.5 不同的筋高对半球形件成形影响分析 PAGEREF _Toc20037 28 HYPERLINK l _Toc10775 4.6 不同的拉深速度对半球形件成形影响分析 PAGEREF _Toc10775 31 HYPERLINK l _Toc26451 4.7 不同的压边力对半球形件成形

9、影响分析 PAGEREF _Toc26451 34 HYPERLINK l _Toc4789 4.8 本章小结 PAGEREF _Toc4789 37 HYPERLINK l _Toc10174 结束语 PAGEREF _Toc10174 38 HYPERLINK l _Toc8644 致 谢 PAGEREF _Toc8644 39 HYPERLINK l _Toc30535 参 考 文 献 PAGEREF _Toc30535 401 绪论1.1 选题背景半球形零件在板料成形中是经常遇到的比较典型的零件。随着科学技术的发展，半球形冲压成形工艺被广泛应用于汽车航天等各领域，目前在汽车和飞机制造业

10、中半球形件的成形方式很多都为拉深成形1。在冲压加工中半球形件会带有一些难度：一般都是凹模口部的内坯料曲面部分的起皱，有可能影响板料的成形和使用性能。半球形冲压成形中拉延筋的设计主要是解决起皱与破裂这些难点问题。因为半球形件属于曲面回转体零件，半球形件成形是曲面成形中最简单的一种，但是半球形件也是薄板金属冲压件中较难成形的一类零件，半球形件由于含有圆角区的缘故，变形区内变形大小的分布不是很均匀的，造成半球形件成形的不均匀性明显,因此研究影响半球形冲压成形的因素将会对以后研究各种复杂曲面成形有很好的参考意义。半球形件成形工艺 (Hemispherical Molding Technology, H

11、MT)是研究球面零件拉深成形时防止或减少皱曲的技术，是研究复杂几何形状的曲面冲压成形工艺的基础，掌握半球形件的变形规律对实际生产有重要的指导意义2。在板料成形的过程中，压料面上各部位的进料阻力各不一样，一般采用拉深筋来进行控制。拉深筋参数的合理取值与拉延筋位置的合理布置是控制金属流动、防止出现起皱和破裂的重要手段。通过改变拉延筋几何参数使变化率更加合理，能明显地提高半球形件冲压成形中拉延筋的设计质量。本课题首先选取了简单的非轴对称件半球形件作为研究起点,借助CAE手段通过改变拉延筋参数方式，进行半球形件的成形性能的有限元分析仿真，探讨半球形件冲压成形中拉延筋的设计。1.2 冲压成形技术研究现状

12、（1）半球形件冲压成形研究现状 国外Yossifon等人通过对ALI100坯料的系列试验，得出结论：优化压边力曲线是与不失稳的最小值互相对应的，即压边力大小刚好保证不起皱3。从试验的角度分析半球形零件冲压成形的失稳点，得出半球形零件的内皱一般发生在相对其半径为0.860.88附近的位置处。 （2）拉延筋技术研究现状1998年，T. Meinders建立了一种基于罚约束法的拉延筋等效模型4。将该拉延筋的等效模型用于盒形件的拉深仿真，在材料选取为弹塑性模型时，比只考虑筋阻力的等效拉延筋模型的仿真结果更符合试验的结果。由于板料经过拉延筋时的变形过程比较复杂，在推导这些模型的时候，考虑的因素不同，建立

13、的模型也不一样，其计算的精确度也不一样，为了考虑某些因素，就需要引入一定的假设，这也会对模型的计算精度造成一些影响5。1.3 主要研究目标与内容本项课题以半球形冲压成形性为研究对象。通过对凹模施加拉延筋来增加进料的阻力，从而减少起皱与拉裂，再借助CAE手段建模通过DYNAFORM改变拉延筋参数方式（拉延筋的位置，形式，筋高等），进行半球形件成形性能的有限元仿真分析，探讨半球形件冲压成形工艺。了解半球形件在拉深成形过程中其起皱与拉裂的状况。试验通过对不同变量曲线下的FLD图进行观察，最终确定并选择合适的参数来优化其成形工艺。本课题的主要内容归纳如下： （1）分析国内外的研究现状，了解并确定本课题

14、的研究内容； （2）研究并分析半球形件的成形理论和其成形中遇到的问题，如起皱、破裂与拉延筋在冲压成形中的作用，确定其影响因素：压边力、拉深速度、拉延筋的各参数等； （3）介绍板料成形的有限元数值模拟基本理论以与Dynaform软件的数值模拟过程，确定研究半球形件成形工艺中拉延筋设计的具体仿真试验方案； （4）选择板料与模具的参数，使用Pro/E建立CAD模型，在Dynaform中建立冲压模具、压边圈、板料的有限元模型，建立半球形件模型，选定合适的试验参数； （5）采用不同的拉延筋位置的情况下进行分析，比较成形性能，得出较优的解； （6）对不同的拉延筋形式进行分析，比较成形性能，得出拉延筋形式的

15、优化方案。 （7）使用不同筋高对优化解进行进一步分析，得出筋高的优化方案； （8）使用不同的变压边力对优化解进行进一步分析，得出压边力的优化方案。1.4 论文的组织结构本文以板料拉深成形中比较有代表意义的半球形件为主要研究对象，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以与缺陷，并使用板料成形模拟仿真专用软件DYNAFROM对半球形件进行仿真和分析，并对基于有限元的半球形件冲压成形中拉延筋的设计的最优条件进行预测。全文分为五四章，各章内容如下：第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：

16、进行半球形件拉深过程拉延筋设计的理论分析，并对板料成形失效中的起皱和拉裂的评价标准进行了简单的分析。第3章：对半球形件成形时破裂和起皱临界压边力理论进行了研究，分析了影响板料临界压边力的因素，并讨论了板料成形的安全区域。 第4章：用DYNAFORM对拉深成形进行模拟分析，即反映其变形特点与对拉延筋参数等因素作用下的半球形件成形过程进行了仿真分析。 结束语：简要总结了本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 半球形件冲压成形工艺理论分析在冲压生产的过程中，拉深件的种类很多，形状各不一样，虽然它们的冲压过程都叫做拉深，但其变形区的位置、变形的性质、应力应变状态与其分布等都各不一样，

17、所以工艺参数、工序数目与顺序的确定方法与模具设计原则与方法也都不一样，由于半球形件法兰部分易起皱，内壁容易拉裂，并且受压边力、凹模圆角半径、拉延筋的参数等因素的影响，使得其起皱影响区成形机理非常复杂6。按力学变形的特点，拉深工件可分为桶形件（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）、盒形件（方形、矩形、椭圆形等）和不规则形状零件等四大类。半球形件是比较常见的、几何形状比较规则的、应用比较广泛的一类曲面回转体冲压件，在轴对称零件中也具有一定的代表性，属于薄板金属冲压中较难成形的一类零件，其在成形过程中的变形特点是值得研究的。因此本文以半球形件冲压工艺为研究起

18、点，通过施加拉延筋并改变拉延筋的各参数来减少起皱与拉裂，使成形效果达到进一步优化7。2.1 半球形件冲压成形的变形特点 （1）半球形件初次拉深成形时，零件表面的网格发生了明显变化，说明凸缘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，从而减小了圆角部分传力区的轴向拉应力，相对增加了传力区的承载能力(如图2.1）。凸模 2.压边圈 3.板料 4.凹模图2.1 划分网格后的有限元模型 （2）半球形件拉深时，凸缘变形区圆角处的拉深阻力大于直边的拉深阻力，造成圆角处的变形程度比直边处的变形程度要大。因此，变形区内直边处大于圆角处金属质点的位移量，从而使这两处的位移速度不同，而毛坯中这两

19、部分又是一个联系在一起的整体，变形时必然会相互牵制，这种位移速度差就会引起剪切力，而这种剪切力被称为位移速度诱发剪应力。诱发的剪切力在两处交界面处达到了最大值，并沿着直径和圆角处的中心线逐渐减小8。实际上曲面零件的成形，是坯料从凹模端面的拉入和凸模底部坯料的变薄所导致，即曲面零件成形的机理，是坯料的拉深与胀形两种变形方式的复合。2.2 半球形件冲压成形遇到的问题和普通光板一样，半球形件的冲压成形是一个复杂的、多重非线性的力学变形过程，且由于半球形件的材料、曲面的存在，使半球形件的冲压成形过程变得复杂，因此其成形过程也出现了较多的缺陷，总体来说，半球形件的主要缺陷形式有：起皱、破裂等10。2.2

20、.1 起皱薄板在冲压成形时，为使金属发生塑性变形，模具要对板料施加外力，使在板内形成复杂的应力状态，由于板料的厚度相对于其他两个方面的尺寸是非常小的，因此厚度方向是不稳定。板厚方向在板料内的压应力作用下达到失稳极值时，板料发生起皱现象。起皱是影响板料在冲压成形中面形状精度不良的主要因素。一般来说，冲压零件上发生剧烈形变的位置周围，因为毛坯的变形不能均匀的分布，导致零件表面上易形成部分起伏（或凸凹），当起伏高度保持在0.2mm范围内时，称为“面畸变”，当起伏高度达到或超过0.2mm时则称为“起皱”。起皱是板料拉深成形中的一种不利现象，轻微的起皱会使产品的形状精度、尺寸精度以与表面质量等受到影响，

21、而严重的起皱影响加工过程的顺利进行。因此，科学地掌握起与了解起皱发生的规律，对板料成形技术的进步具有很重要的意义。在板料冲压过程中会产生各种各样的起皱，按造成起皱的外力分可以分为四类（如图2.2），这和引起起皱的外力分类（包括压缩力、剪切力、不均匀拉深力以与平面内弯曲力等四类）是一一对应的。按起皱发生的位置分也有四类：凹模表面、凹模口部、拉深侧壁和凸模底部。图2.2 板料起皱类型在半球形件冲压成形过程中，薄板的起皱过程与普通光板类似，但在凹模法兰区（如图2.3）最容易发生起皱，这不仅受拉深系数和凹模工作部分的几何形状有影响，最重主要的是受相对厚度（，其中是拉深前板料的厚度，是拉深前毛坯直径）的

22、影响，中国科学院金属研究所的张士宏等人通过研究得知：板料毛坯的相对厚度越大，拉深变形区抗失稳能力越差，也越容易产生起皱，而且起皱最先会发生在法兰区。李春峰经过试验研究与理论分析，提出了半球形零件冲压变形失稳点的概念，通过对研究半球形零件冲压变形失稳点，得出半球形件起皱大多发生在相对半径为0.860.88附近的位置，而在相对半径0.64的位置容易发生裂纹，在试件的平面应变状态点附近会产生破裂点。我们可以通过增加材料流动的阻力来消除半球形件冲压过程中发生的起皱现象，可以在起皱区引入材料的流动阻力，消除一些压应力的影响。还可以采取使用分块或阶梯压边圈，加大压边力，也可以在法兰区设置拉延筋，使法兰区部

23、分材料的流动阻力加大，从而达到消除起皱。但是，如果压边力或拉延筋的约束力太大，材料就会出现拉裂。相反，如果压边力或拉延筋的约束力不够大，材料流动的阻力太小，就不能够有效的消除起皱现象。一般而言，理想的压边力规律应该是：在最初的时候压边力应稍大一些，使板料发生拉深，当冲头运动行程已经比较大时，压边力开始应适当变小点，避免产生拉裂。但在现实的操作中控制压边力大小的准确度还是有些难度的。2.2.2 破裂在半球形件冲压成形中拉深失稳的另一表现就是破裂。在拉应力作用下毛坯发生塑性变形时，材料的应变强化效应在增加，承载面积却是在缩小。当材料硬化的应力增量足以弥补承载面积的减小量并且还能保持稳定变形所需要的

24、应力增加值时，拉深变形可以稳定进行；当两者相等时，拉深变形处于临界状态，即失稳点；当材料硬化的应力增量小于承载面积的减小需要的应力增加值时，毛坯会失稳发生破裂（如图2.4）。破裂和起皱的实质是一样的，都是不能稳定进行变形导致的。不同的是，拉深失稳只有在材料进行塑性变形时会发生，半球形件的底部容易发生破裂，因为产生应力比较集中。图2.3 半球形件冲压成形起皱 图2.4 半球形件冲压成形破裂2.3 影响半球形件冲压成形的因素造成以上缺陷的影响因素非常多，如毛坯几何参数、模具几何参数、板材性能参数（如板料的强度比）、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。2.3.1 毛坯几何参数

25、 对于半球形件来说，其毛坯几何参数主要包括：相对厚度、板料的初始外形和尺寸。 （1）相对厚度（）在半球形件冲压成形过程中，薄板与普通光板的起皱过程有很多一样，但在凹模法兰区非常容易起皱（如图2.3），这不仅受拉深系数和凹模工作部分的几何形状影响，最主要是与相对厚度有关。对于同一材料，相对厚度的增加会使得切向压边力大大增加，从而增加板材的稳定性，也就是说在承受较大的切向压应力时还能不发生屈曲保持平面的平衡，因而可以用来衡量板材的稳定性，这就是为什么在薄板成形中采用叠层拉深可以提高稳定性的原因。对于冲压成形中的内皱问题，可以通过提高板料的相对厚度来防止内皱的产生11。 （2）毛坯的形状和尺寸毛坯的

26、初始形状与尺寸是影响成形效果的重要因素之一。毛坯形状与尺寸设计的合理，有利于改善冲压过程中材料的流动性，从而降低产生拉裂、起皱的可能性，提高零件的成形性。合理的毛坯形状与尺寸，不仅可以弥补材料自身成形性的不足，也可以对模具设计制造上的欠缺进行一定补偿，减少修模次数，降低废品率。2.3.2 冲压工艺参数影响板料成形的工艺条件有：压边力、摩擦系数、冲压速度等。 （1）压边力压边力是冲压成形过程中影响冲压件成形质量的重要工艺参数，它可以改变材料中的拉应力大小，从而影响材料的流动。所以采用合理的压边力可以预防半球形件成形中过早产生起皱和破裂，还可以使生产的效率提高12。传统的压边力控制方法有两种，一种

27、是基于单动压力机的，主要通过弹性装置、气垫和液压垫来控制压边力。另一种是基于双动压机，由独立的滑块驱动压边圈，控制压边力大小，一般压边力不随拉深行程变化。 （2）冲压速度冲压速度也是冲压成形过程中影响冲压件成形质量的重要工艺参数，它是通过向材料施加的正向压应力来控制材料流动的。合适的冲压速度不但能防止半球形件成形中起皱和破裂的过早出现，还能提高生产效率。冲压速度大小因其成形方式、成形条件不同而不同，因此要根据具体问题具体分析。较大的冲压速度会导致形件的破裂，较小则达不到冲压要求。在实际生产中，为了提高生产效率，冲压速度一般取较大值。 （3）摩擦系数在拉深成形过程摩擦系数的大小对成形的影响是双重

28、的。不仅使板料在拉深过程中的摩擦损耗减小，还可以使半球形件形件壁传力区的负担减小，所以应该尽量减小摩擦系数，使凹模与压边圈和板料接触的工作表面比较光滑，使半球形件金属流动条件得到改善，有益于材料的拉深成形。另一方面，凸模与半球形件之间的摩擦可以增大拉深能力。一般来说，摩擦系数越大，破裂临界压边力就小。因而增大时，拉深中的起皱临界压边力减小，使起皱的可能减小。2.3.3 模具几何参数模具几何参数包括：凹模圆角半径、凹模截面尺寸B和拉延筋。 （1）模具圆角半径一般来说，模具圆角半径取值太小，会导致零件的成形质量不理想，选用较大的模具圆角半径会使成形的安全区域变大。圆角半径的尺寸对板料通过圆角时的张

29、力有一定影响，圆角半径越小板料的张力就越大，板料的变形也就越大。当圆角半径增大时，板料弯曲半径增大，回弹角也增大。因此，圆角半径太大会使板料发生回弹导致零件的加工精度不准确；圆角半径太小，会使板料变形过程中材料流动性减小，出现零件过早的破裂。同时选择合理的转角半径，也有利于提高成形质量，如果转角半径过小，材料容易发生破裂。凹模圆角半径相对于凸模圆角半径来说对板料的影响更大，凹模圆角半径对板料流入凹模的速度有很深影响，凹模圆角半径越大，会使降低板料流入模腔的难度，易于板料成形；反之，凹模圆角半径越小，板料成形的阻力大，板料就容易破裂13。 （2）凹模界面尺寸凹模截面尺寸的大小在很大程度上影响工件

30、的拉深成形，当凹模截面尺寸不够大时，材料很难流入模腔，就会产生起皱现象。 （3）拉延筋拉延筋在冲压成形中能使进料阻力增加，拉延筋阻力是由坯料通过拉延时的弯曲反弯曲变形力、摩擦力以与因变形硬化引起的再变形抗力增量二部分组成的。板料流经拉延筋时，发生了弯曲、回复、弯曲的反复变形，这些变形所需要的变形力加上板料经过拉延筋时产生的摩擦力都施加在板料上，使板料流动的进料阻力变大14-16。2.3.4 材料性能参数影响板料成形的材料性能参数主要有：强度系数K、厚向异性指数r与材料强化指数n。 （1）强度系数材料的强度性能用强度系数K表示，不同材料决定了强度系数K的不同。当K值增加时，起皱临界压边力也会增加

31、，随着强度系数的增加破裂失效时的极限载荷也会增加，所以破裂临界压边力也会增加。 （2）厚向异性指数板料在生产加工中要经过轧制与退火等工艺，这就使得板料各个方向的塑性存在差异，也叫做板料的塑性各向异性。板料在板平面方向和厚度方向上由于各向异性而引起应变能力不一致通常用厚向异性指数表示17。厚向异性指数能体现出板料在板平面内承受拉力或压力时抵抗变薄或变厚的能力。 （2.1） 式2.1中、分别0、45、90方向上的异性指数。值也叫做塑性应变比，板料的各向异性在生产中就用其表示，它的大小等于宽度方向上的应变与厚度方向上的应变之比。值越大，表示板料在宽度方向上越容易产生变形，越容易避免发生起皱；在拉应力

32、作用下，值越大，板料的拉深处不易变薄，就不容易发生拉裂。 （3）应变强化指数应变强化指数n值也叫做加工硬化指数或者说是硬化系数，它表示板料在冷变形过程中材料的变形抗力(强度)随变形程度增大而增加的性质18。材料的n值越大，同样的变形条件下的应力增加得越多。所以在拉深过程中加工的材料硬化越强越不容易产生细颈，因此可以相对的延缓危险断面的变薄和拉断现象。由此可见，破裂临界压边力随n值的增大而增大，而随着n值的增大，起皱临界压边力减小。所以安全区域随着应变强化指数n值的增大而增大。2.3.5 本文研究的主要因素由上可知，影响半球形件冲压成形中拉延筋设计的因素是众多而繁杂的，要对这些因素一一进行分析是

33、十分困难的，也没有必要，因为对于一些特定的冲压设备，或特定的零件，一些因素是比较固定或者对半球形的成形影响比较小，比如本文研究得是材料一样的半球形件，其强度比是固定的。因而本文只选择其中对半球形件冲压成形中拉延筋设计影响比较大的因素进行分析。通过设置和改变拉延筋的位置、拉延筋的类型、拉延筋的高度、压边力和拉深速度等对半球形件冲压成形中拉延筋设计有重要影响的因素，来对做试验。因此，本课题选取影响半球形件成形的因素与改变拉延筋的参数作为研究对象，对半球形件的冲压成形中拉延筋的设计做深入研究。2.4 本章小结本章首先介绍了半球形件冲压成形的基本理论与其成形缺陷，并在此基础上找出了影响其冲压成形中拉延

34、筋设计的因素与本文要研究的主要因素，这是为第四章半球形件冲压成形中拉延筋的优化与设计仿真分析奠定了理论基础。3 半球形件冲压成形的仿真模型建立3.1 DYNAFORM软件概述此处省略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载！该论文已经通过答辩3.2 基于DYNAFORM的半球形件成形模拟的流程 半球形形件成形智能多参数工艺智能选择系统是在考虑到冲压件受工件几何参数、模具几何参数、材料性能、摩擦系数、材料厚度、冲压力、变压边力等因素的影响22，所以要获得比较好的试验效果，首先应建立合理工艺模型，步骤如图3.1所示：开始用

35、Pro/E建立半球形件与模具的几何模型以IGS格式将零件模型导入DYNAFORM对半球形件以与模具进行修剪模具有限元网格划分划分毛坯网格分别对凸凹模、板料与压边圈进行定义成形工具定义材料属性，选择材料模型设置成形参数（拉延筋的位置，类型，筋高压边力、冲压速度，压边力等）求解器仿真计算记录应力应变、厚度数据成形极限图（FLD）满意修改几何模型图修改成形参数前处理后处理不满意设计结果是否满意结束图3.1 半球形件成形模拟的流程3.3 半球形件仿真模型的建立与拉延筋的生成为了研究曲面的冲压成形性能和规律，本文选用典型的轴对称零件半球形件进行拉深成形仿真研究。半球形件是最常见的几何形状相对比较规则、应

36、用比较广泛的一类冲压件，在轴对称件中具有一定的代表性。研究半球形件的冲压成形性能对以后复杂曲面冲压件的研究有着一定的指导意义。3.3.1半球形件仿真模型的建立 （1）在PRO/E中建立凸模、凹模、板料的模型，在草绘状态下绘制凸模、凹模、板料的尺寸如下图3.2。对于凸模和凹模草绘然后进行拉深，凸模半径为180mm，轴向长度为350mm；凹模半径为180mm，外轮廓尺寸半径为260mm，高度为300mm，板料的半径为260mm；最后对板料草绘后填充。(a) 凹模三维图 (b) 凸模三维图图3.2 模具与板料三维图 （2）根据工件尺寸利用Pro-e建立半球形件的*.igs格式文件；单击生成的实体模型

37、文件，然后保存副本，文件类型选择*igs，单击确定，在输出IGES窗口，选取曲面，坐标缺省，单击确定, 如图3.3。这样能得到对应的模型的*igs格式文件，可以用于Dynaform的调用。同时将对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。图3.3 保存文件 （3）将*.igs数据导入DYNAFORM并对模型进行单元网格化处理；打开Dynaform软件，单击file，选择imput选项，找到前面保存的对应的*igs文件，先倒入凹模在导入板料，凹模导入两次，因为其中一个凹模文件将在Dynaform中被修剪成压边圈, 导入完的模型如图3.4。图3.4 导入后的模型单击Parts，选择Edi

38、t，在Edit part窗口为导入文件重新编辑如图3.5。如图3.5 编辑模具单击Preprocess（前处理），选择surface对导入的模型进行修剪，删除不必要的表面，在Surface窗口选择，在selectByCursor选择，然后在窗口中选中没用的表面，单击OK即可。删去相应的表面后得到完整的模型如图3.6所示。图3.6 表面处理后的模型单元网格化处理，单击Preprocess（前处理），选择Element，选中，相应的单元的参数默认设置如图3.7,3.8，Max.Size为30.000，Min.Size为0.5，Chordal Dev为0.150，Angle为20.000,Gap t

39、ol为2.500，Ignore Hole Size为0.000。然后点击Select Surfaces，点击，分别对凹模、压边圈进行网格化。对如板料的网格化Tools，选择Blank Generator，单击SURFACE，选中板料，在Mesh Size窗口，Tool Radius为1.750000，单击确定，完成板料的网格划分，最后如图3.9。 图3.7 凸模、凹模、压边圈单元网格化参数 图3.8 板料单元网格化参数图3.9 网格化后的模型 （4）定义板料的材料与属性，模具间距板料的材料和属性设定，单击Tools，选择Define Blank，单击Add添加板料B为毛坯，然后点击Materi

40、al，单击Material Library，进入材料库窗口选择铝合金AA6009所对应的材料。如图3.10所示，相应的中文参数如表3.1。图3.10 板料的材料属性表3.1 材料性能参数厚度t/ mm宽度L/ mm屈服极限强度系数K/ MPa厚向异性指数r应变强化指数n1.2200154.30512.21.650.23单击Property，在Property窗口单击New按钮，新建板料属性，UNIFORM THICKNESS（板厚为1.2mm）为1.200000E+000，如图3.11。图3.11 板料的属性定义模具间的距离，单击Tools，Position Tools中Move Tools，

41、选择要移动的模具，在Distance中输入移动距离，移动方向为Z Translation，使y在Z方向移动0.6mm,a在Z方向移动-0.6mm。3.3.2 拉延筋的设置 （1） 新建零件层初步确定拉延筋的布置位置，单击Preprocess（前处理），选择点线，选择当前零件层为凹模，接着新建零件层，设置分裂角为0度，名称为拉延筋（L）。然后在凹模上选择合适的位置偏移拉延筋曲线，初步选择拉延筋的位置为距离凸缘边缘40mm处，如图3.12所示。具体的拉延筋合理的选择位置会在后面的试验中加以讨论。图3.12 拉延筋的布置位置（2）快速设置拉延筋的参数以与毛坯的定义通过QuickDraw Die可以选

42、择拉延类型为双动，这样可以使凸缘部分更加平整在冲压成形中，有效的提高了形件在冲压过程中的质量。但是，使用双动类型在实际生产中会增加生产所需的成本。由于Dynaform软件中材料单元库的AA6009的材料性能参数和试验中的材料性能接近，所以模拟试验时选择AA6009中的37号材料，材料的厚度为1.2mm，材料的性能参数表如图3.10所示。接着快速分别定义凹模、压边圈、板材、冲压速度和压边力等。定义拉延筋的各个参数如筋高、凹槽圆角、筋的形式等等，如图3.13所示。工具定义完成以后如图3.14所示，快速设置中相应选项的颜色由红色变为绿色。 图3.13拉延筋的参数设置图3.14快速定义参数设置 （3）

43、对模型进行有限元计算单击Analysis，选择LS_Dyna，为了在后处理中能够较好的观察成形过程，一般设定STEP=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大时，为了加快运算速度，可以适当提高DYNAFORM运算器的内存值。打击OK即可进行有限元的计算如图3.15。 图3.15 Analysis的参数设置3.3.1 模具和毛坯的几何造型首先利用Pro/E软件，构造零件和坯料的实体模型，然后导出其IGS交换格式文件，再将该文件导入DYNAFORM中，进行修剪和网格划分。由于IGS格式转换可能会出现模型失真情况所以读入IGS文件后需要检查模型，确定模型

44、的正确性。网格划分结束后，把系统生成的网络模型导入DYNAFORM中进行下一步处理。3.3.2 前处理工作有限元前处理过程：（1）启动ETA/DYNAFORM，选择合适的壳单元类型，利用凹模、压边圈与板料之间的几何关系生成相应的有限元网络，（2）检查生成凹模以与压边圈和板料网格的法矢量、边界、重复单元，修改网络直到没有错误为止；待划分的网络前期检查工作结束后，接着开始设置模具和坯料的相对位置；定义模具和坯料、压边圈之间的接触类型和拉延筋参数(包括拉延筋位置，类型，筋高等)；调整毛坯、压边圈和凹模等工具间的相互位置；进行工具动画预览确定冲压运动是否正确；（3）输出用于模拟计算的文件（.dyn）和

45、有限元模型文件（.mod），并对它们进行最后检查；（4）利用LS-DYNA或LS-POST执行板料冲压模拟计算。在前处理过程中，还要设置板料厚度、材料模型和材料参数，其中除了质量密度、杨氏模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、塑性硬化指数和真实应力应变曲线等以外，还须考虑板料的各项异性22。3.3.3 后处理工作有限元分析计算过程结束后，首先动态显示各部件（凹模、压边圈以与板料等）的运动情况，来确定计算是否合理。三维成形过程中各参数与物理量的变化情况可以用等色图或等直线图动态显示，包括各时间段的板料变形、材料流动、应力、应变分布情况、板料厚度变化以与起皱、破裂等情况，可以找出板料成形后每组参数对应

46、的FLD图、材料流动图、应力应变图、厚度分布图等进行详细研究。3.4 成形极限图FLD板料的成形极限主要受主应力轴与板料轧制方向所成角度、应变硬化指数、厚向异性系数、板料厚度等因素影响。同时还与零件形状尺寸、板料尺寸、摩擦、模具、压边力、凹模圆角半径等因素密切相关23。成形极限图（FLD）（如图3.16）广泛应用于板材成形性的评价以与分析冲压工艺的可行性。成形极限图可以反映主应变在发生失稳时的分布状态,一般我们可以通过用带有圆形网格的标准试件进行拉胀试验来测试材料的成形极限曲线。它基于多项式拟合的基本原理以与相关性与方差的综合分析，探讨了成形极限散点与高次多项式之间的相关特性以与表面工程主应变

47、极值点FLD0与拟合曲线的关系。在所得的拟合曲线基础上配合数理统计与概率理论分析，拟合曲线的上下置信函数可以成为描绘成形极限曲线(FLC)的重要依据。也可以为FLD0值的区间估计提供可靠科学的置信分析。图3.16 板料成形极限图示例4 半球形件冲压成形中拉延筋设计模拟分析4.1 参数选择在板料成形过程中，压料面上各部位的进料阻力是不同的，通常采取施加拉深筋来进行控制。拉深筋参数合理的取值和布置都是是控制金属流动、防止出现起皱和破裂的重要手段24。在板料冲压工艺设计过程中，采用基于有限元的CAE 分析和对拉深筋模型的成形过程进行模拟和结果分析，不仅使有限元分析方法从设计验证地位提高到设计指导地位

48、，而且使实时的修正与模拟成为可能。使用Pro/E软件完成对半球形件的凸模、凹模与板料模型进行CAD建模，应用专业CAE 软件Dynaform的模拟技术20，通过模拟试验的方法，选取不同的拉延筋参数使用Dynaform软件对半球形件成形性能进行有限元仿真分析，验证拉深筋的一般设置规律，探讨半球形件冲压成形工艺，最终确定并选择较优的拉延筋参数。在保持拉延阻力基本不变的情况下，使拉延筋几何参数与其变化率更加合理，从而有效地提高半球形件冲压成形中拉延筋的设计质量25。材料的力学性能指标选默认值，接触类型为面面接触，对于冲压速度的定义，在拉深试验过程中，冲压速度较低，接近于准静态的成形过程。由研究可知，

49、模拟计算效率基本与冲压速度成正比，但速度过大势必影响模拟精度。兼顾板料成形的准静态过程、模拟效率和模拟精度的要求，取凸模的模拟运动速度为2000mm/s，行程为180mm，凹模和板料间与压边圈和板料间的摩擦系数都为0.125，压边力为200（KN），先进行试验。4.2 研究分析思路本课题为基于有限元的半球形件冲压成形中拉延筋优化设计。有前面的阐述可知：影响半球形件拉深起皱的因素很多，结合实际情况本课题仅从不同拉延筋参数、压边力、拉深速度等方面对制件进行数值模拟研究与分析，通过模拟，利用板料冲压成形仿真的专用软件DYNAFORM对半球形件进行有限元分析，比较不同拉延筋位置、拉延筋的类型，压边力、

50、筋高，拉深速度对半球形件成形的影响。最后对比得到的各种方案的数据，从起皱和破裂，厚度变化，以与应力应变等方面来比较，并给出防止起皱的拉深条件组合。4.3 不同的拉延筋位置对半球形件成形影响分析 为分析在不同的拉延筋位置下工件的成形性能，试验条件如下： （1）模具的间隙为0.6mm； （2）凹模、凸模和板料间与压边圈和板料间的摩擦系数都为0.125摩擦边界条件为0.12； （3）材料选用AA6009参数如表3.1； （4）模拟运动速度为2000mm/s； （5）半球的半径为180 mm,底圆角半径r=20mm,材料厚为1.2 mm.根据上述的参数设定在DYNAFORM中进行分析，分别采用不同的摩

51、擦系数进行模拟如图4.1、图4.2，模拟试验结果如表4.1：表4.1 不同拉延筋位置下的模拟数据筋的位置406080100120最大变薄率%15.1710.0620.0919.6064.01最大变厚率%20.1322.3620.8027.9954.34最大正应变0.4220.4420.4230.4340.530最大负应变-0.070-0.074-0.071-0.078-0.005最大正应力Pa332.84332.82332.90332.96358.20最大负应力Pa-187.32-188.01-187.44-187.56-131.26成形效果起皱起皱起皱起皱变大破裂（a） 无拉延筋 （b）拉延

52、筋在40mm位置（c）拉延筋在60mm位置 （d）拉延筋在80mm位置（e）拉延筋在100mm位置 （f）拉延筋在120mm位置图4.1 不同筋的位置下FLD图(a) 厚薄变化曲线(b) 应变变化曲线(c) 应力变化曲线图4.2 不同筋的位置下参数变化曲线图由上分析结果如下： （1）从厚薄图可以看出随着拉延筋的位置不断向凹模入口移动时，材料的最大变薄率和最大变厚率也随之变大，在靠近凹模入口时出现明显变化。最大变厚率在100120mm处急剧降低，有FLD图可以看出凸缘处未能完全变形，所以厚度变化不大。 （2）当拉延筋离凹模口比较远时，拉延筋对材料施加的阻力较小，材料流动速度比较快且通过拉延筋后还

53、有一段距离才能进入凹模，这样容易引起起皱。而离凹模口很近时，材料流动阻力大，通过拉延筋后很快就进入凹模且局部区域受力不均匀，所以容易引起拉裂。 综合上面所述，合理的布置拉延筋的位置可以对板料起校平作用，纠正材料部平整的缺陷，提高拉延性能，有效的防止起皱和破裂。有试验结果分析后，初步确定拉延筋的位置布置在距离凸缘边缘60mm80mm处比较合理。4.4 不同的拉延方式对半球形件成形影响分析 为分析在不同的拉延方式对半球形件成形影响分析，试验条件如下： （1）模具的间隙为0.6mm； （2）凹模、凸模和板料间与压边圈和板料间的摩擦系数都为0.125，摩擦边界条件为0.12； （3）材料选用AA600

54、9参数如表3.1； （4）压边力200KN ，模拟运动速度为2000mm/s，拉延筋的位置在距凸边缘60mm位置； （5）半球盒的半径为180 mm,盒底圆角半径r=20 mm,材料为厚为1.2 mm。 根据上述的参数设定在DYNAFORM中进行分析，分别采用不同的拉延方式进行模拟如图4.3、图4.4，模拟试验结果如表4.2所示：表4.2不同筋的类型下模拟试验结果筋的形式圆筋矩形筋边最大变薄率 %19.6020.0820.12最大变厚率 %27.9920.8027.23最大正应变0.4220.4450.442最大负应变-0.070-0.068-0.065最大正应力Pa332.82333.673

55、33.90最大负应力Pa-188.01-187.08-187.03成形效果起皱起皱起皱(a) 厚薄变化曲线(b) 应变变化曲线(c) 应力变化曲线图4.3 不同拉延筋形式下参数变化曲线图 （a）无拉延筋 （b） 圆筋 （c）矩形筋 （d） 边图4.4不同形式拉延筋模拟试验的FLD图 由上分析结果如下： （1）由厚薄图可以看出选择矩形筋时，变厚率变小，说明材料通过矩形筋时受到的阻力变大，进料困难。选择圆筋时，材料所受的摩擦力比较小，进料容易。 （2）由应力应变图看出，随着筋的类型的变化，应力应变变化不是很明显，处于一个稳定的趋势。说明筋的类型的变化，对应力应变的影响不是很明显。 综合上述可知，筋

56、的类型对拉深有一定的影响，使用矩形筋进料阻力变大，材料流动性变差，但稳定性得到增加，起皱状况能得到缓解。所以，我们选择圆筋比较合理些。4.5 不同的筋高对半球形件成形影响分析 为分析在不同不同的筋高对半球形件成形影响分析，试验条件如下：（1）模具的间隙为0.6mm；（2）凹模、凸模和板料间与压边圈和板料间的摩擦系数都为0.125，摩擦边界条件为0.12；（3）材料选用AA6009参数如表3.1；压边力200KN；（4）冲压距离180mm，凸模的模拟运动速度为2000mm/s，拉延筋的位置在距凸边缘60mm位置，拉延筋类型为圆筋；（5）半球盒的半径为180 mm,盒底圆角半径r=20 mm,材料

57、为厚为1.2 mm。根据上述的参数设定在DYNAFORM中进行分析，分别采用不同筋高进行模拟如图4.5、图4.6模拟试验结果如表4.3：表4.3不同筋的高度下模拟试验结果筋高mm24610最大变薄率 %20.1019.6020.1522.18最大变厚率 %27.4427.9921.5422.01最大正应变0.4220.4300.4260.423最大负应变-0.070-0.074-0.071-0.077最大正应力Pa332.82333.40332.97332.80最大负应力Pa-188.01-188.21-187.07-188.11成形效果起皱较好较好起皱 厚薄变化曲线(b) 应变变化曲线(c)

58、 应力变化曲线图4.5 不同拉筋高下参数变化曲线图（a）筋高为2mm （b) 筋高为4mm (c) 筋高为6mm (d)筋高为8mm图4.6 不同筋高下模拟试验的极限应力图 由上分析结果如下： （1）从不同筋高下厚薄图变化来看，随着筋高的不断增加，变厚率随之下降，变薄率增加。说明了随着筋高的增加，使材料通过拉延筋的阻力也随着增加，材料流进比较困难；筋高比较小时，材料的流动阻力也比较小，容易导致形件的起皱。 （2）从应力应变图来看随着筋高的不断增加，应力应变在一定范围内，处于一个恒定的水平，变化不是很明显。说明随着筋高的增加，对应力应变的变化影响不大。 综上所述，筋高初步选在4 6mm比较合理。

59、4.6 不同的拉深速度对半球形件成形影响分析 为分析在不同的拉深速度对半球形件成形影响分析，试验条件如下： （1）模具的间隙为0.6mm； （2）凹模、凸模和板料间与压边圈和板料间的摩擦系数都为0.125，摩擦边界条件为0.12； （3）材料选用AA6009参数如表3.1，拉延筋的位置在距凸边缘60mm位置，拉延筋类型为圆筋，筋高为6mm； （4）半球盒的半径为180 mm,盒底圆角半径r=20 mm,材料为厚为1.2 mm。根据上述的参数设定在DYNAFORM中进行分析，分别采用不同拉深速度进行模拟如图4.7、图4.8，模拟试验结果如表4.4;表4.4不同拉深速度下模拟试验结果拉深速度mm/

60、s10002000300050007000最大变薄率%15.0020.0911.3326.9530.30最大变厚率%17.6020.8022.4134.7429.33最大正应变0.4230.4280.4340.4220.421最大负应变-0.071-0.070-0.069-0.068-0.060最大正应力Pa332.37332.84330.99332.82332.59最大负应力Pa-188.78-188.10-188.27-188.01-186.94成形效果起皱起皱破裂危险区域增大破裂危险区域增大破裂危险区域增大（a) 厚薄变化曲线(b) 应变变化曲线(c) 应力变化曲线图4.7 不同拉深速度