金属板料单点增量成形过程摩擦行为的有限元仿真研究

摘要单点增量成形是一种制造薄壁板料的快速成形方法，它通过局部逐层动态加载来加工板件材料。该技术具有成本低、速度快和无污染等优点，并能够制造传统工艺难以生产的复杂外形几何件。采用“分层制造”思想的单点增量成形技术主要是通过夹具将板料固定，然后使用圆形工具头逐层加工板料。在这个过程中，摩擦对金属的塑性流动和变形均匀性、成形力大小和表面质量等都会产生影响。为了研究不同单点增量成形工艺的摩擦行为，有必要研究原材料和工艺参数之间不同组合得到的摩擦系数如何影响成形过程。本文使用有限元仿真软件ABAQUS研究了单点增量成形中的摩擦行为。主要研究摩擦状态对板料的厚度、板料的位移变化、成形过程中工具头的受力变化的影响。结果表明，选择适当的工艺条件，可以有效地降低成形力和摩擦力。此外，摩擦行为对成形力、板料变形、等效应力和等效塑性应变都有显著的影响，选择合适的工艺参数能够得到较好的成形质量。这些发现对于优化单点逐步成形工艺参数以提高成形质量具有指导意义。关键词：单点增量；摩擦行为；有限元仿真；ABAQUS

AbstractSingle-pointincrementalformingisamethodofmanufacturingsheetmetalforrapidprototypingthatusespartialdynamicloadingtoprocesssheetmaterialinonestep.Thetechnologyhastheadvantagesoflowcost,speed,non-pollution,andtheabilitytoproducecomplexgeometriesthataredifficulttoproducewithconventionalprocesses."Theideaof"layeredmanufacturing"allowsthesingle-pointincrementalformingtechniquetobeusedmainlybyholdingthesheetinafixtureandthenmachiningthesheetmetalstepbystepwithacirculartoolhead.Inthisprocess,thefrictionalforcesofplasticmetalflowhaveanimpactonformingforcesanddeformationuniformity,dimensionsandsurfacequality.Tostudythefrictionalbehaviorofthesingle-pointincrementalformingprocess,itisnecessarytoinvestigatetheimportantinfluenceofthecombinationbetweenrawmaterialsandprocessparametersonthefrictioncoefficient.ThisarticleusesthefiniteelementsimulationsoftwareABAQUStostudythefrictionbehaviorinsinglepointincrementalforming.Themainresearchfocusesontheinfluenceoffrictionstateonthethicknessofthesheetmetal,thedisplacementchangesofthesheetmetal,andtheforcechangesofthetoolheadduringtheformingprocess.Theresultsindicatethatselectingappropriateprocessconditionscaneffectivelyreducetheformingforceandfrictionforce.Inaddition,frictionbehaviorhasasignificantimpactonformingforce,sheetdeformation,equivalentstress,andequivalentplasticstrain.Choosingappropriateprocessparameterscanachievegoodformingquality.Thesefindingshaveguidingsignificanceforoptimizingsinglepointprogressiveformingprocessparameterstoimproveformingquality.Keyword:Singlepointincrements;Frictionalbehavior;Finiteelementsimulation;ABAQUS

目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 1Abstract 21绪论 51.1研究背景及意义 51.2板料单点增量成形技术及国内外研究现状 61.3研究方法及内容 71.4本章小结 82有限元技术 92.1有限元分析原理 92.2ABAQUS软件介绍 92.3ABAQUS基本模块 102.3.1ABAQUS/standard 102.3.2ABAQUS/Explicit 102.3.3ABAQUS其他模块 102.3.4ABAQUS/Explicit的在本文中的应用 112.4本章小结 113建立单点增量成形有限元仿真模型 133.1几何模型的建立 133.2材料参数 143.3分析步 153.4接触设置 153.5载荷及运动轨迹设置 163.6网格划分 173.7本章小结 184单点增量成形过程有限元结果分析 194.1金属板单点增量成形过程中板料的厚度变化 194.2金属板单点增量成形过程中板料的位移变化 204.3金属板单点增量成形过程中工具头的受力变化 224.4金属板单点增量成形过程中能量变化规律 234.5本章小结 245摩擦对单点增量成形仿真结果的影响 255.1单点增量成形过程中摩擦系数的研究 255.2摩擦对成形力的影响 265.3摩擦对板料变形的影响 285.4摩擦对等效应力的影响 295.5摩擦对等效塑性应变的影响 315.6本章小结 326总结及展望 356.1总结 356.2展望 35参考文献 36致谢 38附录A英文文献翻译 39附录B仿真云图 471绪论1.1研究背景及意义随着现代工业水平的进一步提升，板料成形技术在各个领域的应用比重持续增加，逐渐扮演着越来越重要的角色。传统的板料塑性成形技术主要依赖冲压工艺，主要利用模具来将板料转化为成品。冲压模具是金属成形中不可缺少的工具，其生产率高、成本低的优点在工业领域得到了广泛的应用。但是随着科学技术和制造工艺的不断提高，以及人们环保意识的不断增强和各种新技术的快速发展，传统的加工方式已经不能满足生产需求。为了满足市场的需求，同时能够降低成本，提高生产效率，许多薄壁钣金加工技术应运而生，涉及各行各业[1]。目前，薄壁板材成形技术的应用技术逐渐完善，发挥的作用越来越大。根据传统的加工方法，薄壁钣金件的成形主要以冲压工艺为主，但这种方法具有一定的局限性。由于模具制造具有一定的周期，成本较高此外，该方法的精度也有一定的局限性，只适用于大批量、低精度的产品。为了克服传统加工方法的局限性，许多新型零件，如精密复合机床、数控车削、成形钣金薄冲模等已成为当前社会制造业生产中不可或缺的一部分。这些新型零件可以提高生产效率和成形精度，满足市场需求[2]。因此，本研究旨在通过有限元模拟研究单点渐进成形过程中摩擦行为的影响，从而提高薄壁板料成形的精度和效率，降低成本[2]。通过本研究，将深入理解薄壁板料成形技术的摩擦行为，探索如何通过优化单点渐进成形工艺来提高金属板料的成形质量和制造效率。作为新颖的塑性成形技术，单点渐进成形技术是一种利用"分层制造"思想的新型板材成形技术。该技术通过预先设定的成形路线，控制工具头的运动轨迹，逐层成形薄壁板材。板料与工具头的相对运动关系转化为连续小区域的变形累积，最终实现整体成形。与传统板材加工方法相比，该技术具有周期短、成本低、柔性高、局部受力小、设备摩擦小、噪声低等优点[3]。可满足单件或小批量生产的需求，广泛应用于汽车、家电、医疗、航空航天等领域。为了获得所需产品，单点增量成型技术采用预设程序或三维建模技术使控制工具头跟随预设轨迹进行快速成型。与传统工艺和模具相比，该技术降低了新产品的开发周期和成本，为小批量产品和高精度要求的新产品的开发提供了巨大的经济价值，该技术在自动化运行模式方面极为成熟、成本低、效率高，同时可加工不同形状需求的产品[4]。此外，该技术还可以减少能源消耗和污染。单点增量成形（SPIF）涉及应力场、应变场等多个耦合场，使得金属的塑性流动行为变得更加多样，从而使成形过程变得异常复杂。深入研究成形机理，探索金属的流动特性，并分析应力和应变值随时间的变化成为一个具有挑战性的任务。为了解决这个问题，可以采用有限元模拟技术来研究影响成形过程的相关因素以及这些因素与中间变量之间的关系，而无需进行大量的物理实验。在SPIF技术的研究中，有限元仿真技术可以用于深入研究成形机理。在单点增量成形过程中，工具尖端与板料的接触面不断滚动板料，导致工件发生塑性变形和摩擦现象。摩擦现象不仅会影响成形极限，还会对成形件的表面质量产生影响。因此，研究单点增量成形过程中的摩擦现象具有重要意义。通过有限元仿真技术，我们可以更好地理解和分析摩擦行为，进而改善单点增量成形技术，提高成形件的质量和性能[5]。总结以上内容，本文构建了一个考虑摩擦效应的单点增量成形过程的有限元模型，并利用仿真结果深入研究了该过程中的摩擦行为。研究结果揭示了摩擦系数对成形过程的影响规律，对于指导单点增量成形过程中工艺参数的选择具有一定的指导意义。1.2板料单点增量成形技术及国内外研究现状作为现代板材成形技术中的最新且规模最大的技术之一，单点渐进成形技术广泛应用于数控技术、计算机技术以及一些简单的辅助技术领域。该技术利用预先编制的数控程序，通过按照预设的运动轨迹逐渐成形板料，从而实现所需的零件形状。其工作原理如图1.1所示，板材在上下夹板的作用下固定，工具头向下压紧做螺旋运动，底部的圆形工具头随板材一起压紧。你最终得到想要的形状[6]。图1.1单点增量成形原理示意图板料单点渐进成形技术最早是由日本学者松原茂夫教授提出的，他们还发现板料的厚度与压边力有很大的关系，薄板和均匀的板料厚度是实现单点形状变形的最基本条件[7]。薄块体材料因其良好的塑性和韧性而被广泛应用。随着技术水平的不断提高和加工设备精度要求的不断提高，产品的复杂程度也在逐渐增加，导致产品质量也在逐渐下降。为了在产品质量、生产效率和成本等方面具有明显的优势，人们提出了板材单点增量，并得到了广泛的应用[8]。国内外众多学者对单点增量成形技术进行了大量的研究。Malhotra[9]等利用有限元技术模拟了锥形零件的成形过程，探究了成形过程中的"面条效应"是如何影响成形极限值的。Klim[10]等人发现了单点增量成形过程中的剪切变形规律，研究了多道成形加工工艺，实现成形板的均匀厚度分布。Eyckens等人利用ABAQUS/Explicit有限元分析软件研究了成形过程中轴向和切向力的变化。结果显示，轴向力在成形过程中起决定性作用。Bouffioux[11]等采用实体元素对成形过程进行了有限元模拟，并通过不同工艺节点的实验观察验证和比较了数值的准确性和有效性。Silva[12]等研究了单点增量成形过程中材料的应力-应变行为，并进行了理论分析。尹长城[13]等利用LS-DYNA求解器研究了不同刀具直径对板材成型的影响，以指导板材加工中实际刀具头的选择。Neto[13]等人使用ABAQUS有限元软件模拟了单点增量成形过程，并获得了成形过程中的应力和应变变化。胡建标[15]等人基于ABAQUS软件，分析了层间距、△半锥角和刀头对板材成形的影响。Martins[16]当前，金属板料单点增量成形领域关于摩擦的相关研究较少。Azevedo[17]等人通过研究AA1050铝板和DP780钢板的摩擦润滑，初步发现选择适当的润滑剂可以有效提高成形件的表面质量和精度，有利于提高成形的表面质量。Durante等人采用两种类型的工具头对AA7075铝合金板料进行成形，通过改变摩擦接触状态研究接触条件对成形件表面质量、成形力和成形性的影响。孙皓亮等[19]改变工具头尺寸、层进给量等成形参数以及润滑方式，研究接触条件对成形制件表面质量的影响。虽然研究者通过改变板料与工具之间的摩擦润滑状态来提高成形件的质量，但很少有从工艺参数对影响的角度进行研究。1.3研究方法及内容本课题利用ABAQUS有限元软件建立考虑摩擦的仿真模型，分析过程中可以得到板料的成形过程、工具头在加载过程中所得到受力的变化、夹具与板料之间的接触状态等情况，进一步研究摩擦对成形过程成形力、应力、应变及板料厚度的影响规律，进而分析单点增量成形的摩擦行为。本文内容结构如下：第一章绪论本章的主要目的是研究单点渐进成形技术的重要性，并深入了解国内外学者在这一领域的研究背景、研究方向、现状和意义。同时，我们将介绍本研究所采用的研究内容和研究方法，进而引出本研究的意义。第二章有限元技术本章介绍了有限元的形成原理，从理论上对有限元原理有了初步具体的认识。通过学习ABAQUS软件，掌握ABAQUS软件的分析方法、网格划分技术、材料属性等方法，为后续金属板料单点渐进成形过程中摩擦行为的有限元模拟奠定基础。第三章单点增量成形过程摩擦行为的有限元建模基于ABAQUS软件对单点渐进成形过程中的摩擦行为进行有限元建模。本章主要对建模过程中模型的建立、材料属性的赋予、分析步的选择、网格类型的选择以及载荷的施加进行了详细说明。第四章单点成形过程有限元结果分析本章主要分析有限元结果，成形过程中能量变化规律的影响，通过分析因素，选取合适的网格尺寸，最终分析成形过程中，板料的厚度，板料的位移变化，成形过程中工具头的受力变化等。第五章摩擦对单点增量成形仿真结果的影响通过考虑摩擦的单点渐进成形力学模型得到了不同工况下板料与工具头之间的摩擦系数，建立了成形参数与摩擦系数的直接关系。分析了成形力、板料变形、等效应力和等效塑性应变的影响。结合单点渐进成形有限元建模的特点，建立了考虑摩擦状态的成形过程有限元仿真模型，研究了摩擦对成形过程的影响。第六章总结与展望对本论文研究内容总结，分析不足之处并在此基础上展望本课题的后续研究方向。1.4本章小结本章主要介绍了金属板料单点增量成形技术的原理和应用，阐述了该技术在塑性成形领域的应用背景，探讨了国内外单点增量成形技术的研究现状。表明进行金属单点增量成形的有限元仿真研究，具有重要的指导意义。并且系统地介绍了本文的研究方法和内容，为本文的研究工作制定了整体的规划。2有限元技术2.1有限元分析原理有限元法（FiniteElementMethod，FEM）是一种数值分析方法，用于解决连续介质的力学和物理问题。它将连续体分割成离散的有限元单元，通过对每个单元进行近似描述，将原始问题转化为求解代数方程组的问题。在有限元法中，连续体被划分为有限的几何简单的单元，如三角形、四边形或立方体等。每个单元都有自己的节点和内部自由度。通过将单元与相邻单元连接起来，形成整个连续体的网格结构。有限元法的优势在于它可以处理复杂的几何形状和边界条件，并适用于各种物理现象的建模和分析，如结构力学、热传导、流体力学等。它广泛应用于工程领域，用于设计优化、结构分析、材料仿真和预测等方面。[20]。金属板料单点增量成形有限元基本方程：弹塑性力学对于求解基本问题，需要找到满足平衡方程、几何方程、物理方程的应力、应变值，三维空间下的基本方程如下：平衡方程：在动力条件下，运动方程又被称为动态平衡方程。它是在静力平衡方程的基础上，考虑了惯性力和阻尼力，并将它们作为物体的物理力的一部分进行计算和建立。对于现实构形，物体单位体积的体力为bσ几何方程：ϵ本构方程：本文采用显式动力学进行求解，使用大变形动态本构方程，具体本构方程见下文材料属性部分。2.2ABAQUS软件介绍ABAQUS软件是一款功能强大的大型商业有限元软件，提供了广泛的求解范围，它在结构、电磁、热等领域得到广泛应用。ABAQUS软件内置了丰富的单元和材料属性库，涵盖了各种类型的材料。它能够模拟多种工程功能材料，包括金属、橡胶、混凝土、复合材料和岩土等。软件功能主要包括：（1）静态应力和位移分析：涵盖线性、材料非线性、几何非线性、边界非线性和断裂分析。可以模拟材料受力情况下的应力分布和变形情况。（2）动态分析和粘性分析：用于响应分析粘塑性材料，模拟在动态加载下的结构响应和变形行为。（3）质量扩散分析：用于模拟物质的传输和扩散过程，例如化学反应、渗透和扩散现象的模拟与分析。（4）热分析：包括辐射、对流和热传导分析，用于模拟热传输、温度分布和热应力等问题。（5）耦合分析：用于处理多个物理场之间的耦合效应，例如热/力耦合分析、热/电耦合分析、压/电耦合分析、流体/结构耦合分析等。（6）非线性动态位移和应力分析：适用于模拟随时间变化的大位移和非线性接触分析，能够考虑结构在动态加载下的非线性响应和变形行为。2.3ABAQUS基本模块2.3.1ABAQUS/standardABAQUS/Standard模块广泛求解线性和非线性问题，是一个通用模块ABAQUS/Standard提供动态载荷的并行稀疏矩阵求解器，能过实现多核并行计算，用于各类分析。ABAQUS/Sandard还提供了并行的求解器，主要用于动态的模态分析，可以大规模的提取结果的模态特征值[21]2.3.2ABAQUS/ExplicitBAQUS/Explicit是一种用于进行显式动态分析的软件，适用于准静态和非线性动态分析，并具有广泛的应用领域。特别是在处理时间相关的瞬态分析时，如冲击、跌落和爆炸等情况下，ABAQUS/Explicit展现出强大的能力。使用ABAQUS/Explicit，用户可以模拟和分析复杂的动态事件，并研究结构在这些事件中的响应和变形行为。例如，可以模拟汽车撞击、建筑物倒塌以及爆炸等情况下的结构响应。ABAQUS/Explicit的使用还能够为工程师提供重要的决策支持。通过对动态事件的模拟和分析，可以评估结构的可靠性和安全性，优化设计方案，并预测可能的破坏和失效情况。此外，针对准静态问题，比如冲压工艺中的金属成形和单点增量成形过程，该软件能够有效地处理接触条件的非线性特性，为工程师提供了准确而可靠的分析工具。ABAQUS/Explicit具备求解域分解的并行计算能力，可用于处理大规模的计算问题，通过求解域分解的并行计算，ABAQUS/Explicit可以将复杂的计算任务划分为多个子任务，并在多个计算核心上并行处理，从而提高计算效率和速度。同时，使用自适应网格技术，ABAQUS/Explicit能够自动调整模型的网格，在求解过程中动态地适应模型的变形情况。这有效地解决了在大变形问题中出现的网格畸变导致求解不收敛的困扰。自适应网格技术能够根据模型的变形情况，自动优化网格布局，确保数值解的准确性和稳定性。2.3.3ABAQUS/Explicit的在本文中的应用在求解的任意时刻，求解系统都处于平衡状态，所以在任意短的时间内，系统的各个参量都有明确的数值，整个求解过程可以相当于一系列近似平衡状态组成，这就叫做准静态，一般情况下，无限缓慢的冲压和膨胀的过程称之为准静态，这种状态是一种理想化的过程。显示动力学ABAQUS/Explicit是动态求解过程，起初显示动力学是为了模拟碰撞和冲击的过程，其在这些问题上有明显的优势。在准静态问题上，ABAQUS/Explicit也已经证明具有很大的价值，ABAQUS/Explicit在求解有些准静态问题上比ABAQUS/Standard更加具有优势，由于ABAQUS/Explicit不存在收收敛的问题，所以在求解大型复杂的非线性接触问题上一般采用ABAQUS/Explicit求解器，本文模拟单点增量成形的过程，单点增量成形过程可以近似一系列的平衡状态，故而采用ABAQUS/Explicit求解器[22]。2.4本章小结本章主要介绍了有限元技术以及ABAQUS软件，ABAQUS是一种常用的有限元软件，在单点增量成形过程中具有广泛的应用。它能够对复杂的材料行为和结构进行数值模拟和分析，提供了对单点增量成形过程中的力学行为、变形特性和应力分布等进行准确预测的能力。ABAQUS作为一种可靠的有限元软件，在单点增量成形中的应用可以帮助工程师预测和优化板料的成形过程，提高生产效率和成形质量，并为工艺参数的选择和优化提供科学依据。

3建立单点增量成形有限元仿真模型3.1几何模型的建立为了简化建模和计算过程，我们采取了一种简化方法，将原本相对复杂的单点渐进成形装置进行了简化。通过这一简化，最终的几何模型仅由板料、工具头和上下压板组成，使得整个过程更加易于理解和操作。上、下压板和工具头相较于板料来说更为刚性，为了简化模型，本研究将上下压板和工具头建模为解析刚体。解析刚体不参与计算，无需划分网格和赋予材料属性，可以大大节省模型的计算时间。上下压板的解析刚体模型如下图所示。板料尺寸为140mm×140mm，材料为AL1060。工具头被简化为半球形，半径为5mm。上、下压板的内径均为Φ110mm，外径为Φ140mm。图3.1压板模型图3.2工具头模型图3.3板料模型板料本文采用可变性壳体进行建模，网格可以减少，减少计算成本。根据文献可知，单点增量成形采用可变性壳体单元建模较为合理，计算精度相对于采用三维没有降低。如图3.4所示，建模完成，对模型进行装配，图3.4模型装配3.2材料参数用有限元ABAQUS软件进行分析建模仿真时，需要给几何模型确定材料属性是关键性一步。板料单点增量成形过程，主要是通过工具头轨迹运行对板料的相应剪切和拉伸起到的共同作用，由此通过力学相关运动分析来得到成形力数值模拟结果。本文板料采用的是AL1060材料，其基本材料属性如表3.1所示表3.1AL1060材料基本属性表材料屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)密度(Kg/)弹性模量(MPa)泊松比Al10601381452712590000.30通过拉伸试验能够得到板料AL1060的应力-应变曲线，如表3.2所示，提取不同点的应力值和应变值，得到输入有限元模型的塑性应力-应变关系。表3.2材料应力应应力/Mpa应变应力/Mpa应变1601000.12346250.00571180.17944310.011591310.25775440.025071380.34472660.056181440.46396780.078641470.64653830.107281490.799283.3分析步本模型具有较为复杂的非线性接触，采用ABAQUS/Explicit求解算法。工具头每旋转一圈共有三个运动步。（1）工具头进行下压，下压距离即为层间距；（2）工具头旋转一圈；（3）工具头向中心靠近。本文设置层间距为1mm，工具头旋转30圈，加上退刀，则总共分析步为91步。3.4接触设置在ABAQUS的建模过程中，确保准确设定接触对并选择适当的接触形式和接触算法至关重要。尤其在单点增量成形过程中，需要明确定义五个关键的接触面和三个接触对。这五个接触面包括板料的上表面、下表面，下压板的上表面，上压板的下表面以及工具头的外表面。这些接触面之间的接触行为对于模拟成形过程中的力传递和变形起着重要作用。通过准确定义这些接触面和接触对，可以模拟真实的工程情况，并获得可靠的仿真结果。在定义接触对时，需要明确选择主从面。通常情况下，我们将硬度较高或刚性较高的表面定义为主面，而将其他表面定义为从面。这是因为主面具有较高的刚性，主导着接触力的传递和形变，而从面则相对较为柔软，对主面的形变和压力响应更为敏感。通过明确主从面的选择，可以更准确地模拟接触过程中的接触力分布和应力传递。此外，在选择适当的接触形式和接触算法时也十分重要。不同的接触形式和算法适用于不同的接触情况和材料特性。在建模过程中，需要根据实际情况选择最合适的接触形式，例如无穷小接触、有限接触、粘着接触等，并结合适当的接触算法，如节点到面法、面到面法等。本文采用了罚函数法作为面面接触的接触算法。夹具和板料之间的摩擦系数设为0.2，工具头和板料之间的摩擦系数分别设置为0.107。3.5载荷及运动轨迹设置为了确保板料在上下压板之间发生塑性变形，并避免不必要的变形，需要根据实际成形过程设置夹具的边界条件。首先，对于上压板和下压板的转动自由度，需要施加约束，确保它们只能在特定范围内进行旋转。通过限制转动自由度，板料在变形过程中会受到均匀的压力，从而避免不必要的形变。其次，对于上压板和下压板的平动自由度，也需要进行约束，通过限制平动自由度，可以确保上下压板保持相对稳定的位置，从而保证板料在变形过程中的一致性。此外，为了进一步控制板料的变形，需要采取压紧措施。通过施加适当的压力，可以限制板料在X、Y、Z方向上的转动。压紧板料可以确保其在上下压板间紧密贴合，从而促使塑性变形发生，同时避免不必要的变形。工具头做递进螺旋运动，工具头运动轨迹分解如下三步：第一步：为了开始加工工件，首先需要将工具头下压1mm。这个步骤可以通过控制工具头的运动，使其与工件接触并施加所需的压力。通过适当的下压距离，可以确保工具头与工件之间建立起合适的接触，为后续的加工步骤做好准备。第二步：完成下压后，工具头开始进行圆周运动。这意味着工具头绕着工件表面作圆周轨迹的运动。通过控制工具头的转速、半径和方向，可以实现不同形状和尺寸的加工效果。在分析过程中，对工具头圆周运动而言，其圆周轨迹可以采用x=R∗cos(phi)，y=R∗sin(phi)的运动轨迹方程，可以得到工具头的螺旋运动曲线。例如半径为30mm时，工具头再x和y方向采用是幅值图3.5X加载路径图3.6Y加载路径第三步：工具头朝板料中心点横向进给1mm。上面三步是一个完整的单圈螺旋运动，总共30圈，加上退刀总共建立91步分析步。3.6网格划分在建立有限元仿真模型中，选择合适的单元类型和进行合理的网格划分是关键步骤。单元类型的选择应综合考虑部件的几何形状、分析类型、模拟结果的精度需求以及计算硬件资源等因素。同时，合理的网格划分也十分重要。在进行网格划分时，应考虑模型的复杂性和计算资源的限制。网格划分过于精细可能导致计算复杂度过高，而过于粗糙则可能无法准确描述结构的细节。确保有限元仿真模型的准确性和可靠性，需注意以下几点：首先，根据部件的几何形状和材料性质选择适合的单元类型。其次，在网格划分中，要平衡计算精度和计算资源消耗，考虑网格类型、大小和质量。最后，特别关注网格划分的合理性，避免出现计算中断和不可靠结果。通过综合考虑这些因素，可以得到精确可靠的仿真结果。在ABAQUS软件中，网格划分的质量对有限元数值模拟的精度和效率有着直接的影响。在单点增量成形过程中，根据材料和几何特征的规律性，可以简化网格划分，仅对板料的各边进行布种。在选择网格大小时，需要平衡精度和计算时间的考量，避免网格过大或过小带来的问题。通过合理的网格划分，可以提高模拟结果的准确性，并优化计算效率。经过多次试验调整，网格大小选取1mm，采用的是四变形网格，网格划分算法采用结构化网格，划分网格类型为S4R，总单元数为19600，总节点数为19881，板料划分网格如图3.7所示。图3.7网格划分3.7本章小结本章详细描述了ABAQUS用于金属板料单点增量成形仿真的具体建模过程，包括建立几何模型、定义材料属性、设置分析步和接触属性、网格划分和施加载荷以及设置边界条件。通过上述建模过程，ABAQUS能够对单点增量成形过程进行准确的数值模拟，属于ABAQUS前处理内容，将为下文的后处理分析提供支持。4单点增量成形过程有限元结果分析4.1金属板单点增量成形过程中板料的厚度变化工具头做螺旋回转运动过程中，金属板料的厚度随运动圈数的增加不断减小，本文选取第2圈，第8圈，第16圈和最后一圈，提取板料的厚度云图如图4.1-4.4所示。图4.1第2圈板厚云图图4.2第8圈板厚云图图4.3第16圈板厚云图图4.4最后一圈板厚云图由上图可以看出，板厚首先再没压缩时候是1mm，再运动第8圈时，板厚变为0.73mm，再第16圈时，板厚为0.60mm，最后板厚为0.59mm，单点增量成形过程中，随着工具头的压入和螺旋运动，在开始成形的前几圈，板厚减小的速度快，随着工具头继续螺旋运动，板料厚度保持减小，但是变化速率降低。4.2金属板单点增量成形过程中板料的位移变化工具头在做螺旋运动过程中，板料不断发生位移，本文选取工具头旋转第2圈，第8圈，第16圈，最后一圈，提取板料的位移云图如图4.5-4.8所示。图4.5第1圈位移云图图4.6第8圈位移云图图4.7第16圈位移云图图4.8最后一圈位移云图由图可以看出，板料在工具头旋转第2、第8、第12、最后一圈的位移变化分别为2.84mm、8.67mm、16.63mm、31.67mm，工具头在做螺旋运动过程中，板料进行逐圈的下压运动，板料的位移变化与工具头的路径具有一致性，根据云图，可以反推到工具头的运动路径。4.3金属板单点增量成形过程中工具头的受力变化工具头与板料之间存在摩擦和相互作用力，研究单点增量成形工具头的受力规律可以延长工具头使用寿命有很大的帮助。经过对有限元结果的分析，提取板料成形过程中，工具头Fx、Fy、Fz三个方向的受力情况，如图4.9-4.11所示。图4.9成形过程中工具头Fx变化曲线图4.10成形过程中工具头Fy变化曲线图4.11成形过程中工具头Fz变化曲线根据图可以看出，在单点增量成形过程中，工具头的Fx、Fy呈现周期性变化，其变化周期频率与工具头螺旋变化频率相同，振幅在运动过程中变化很小，频率与工具头螺旋频率一致为1/PI，振幅为500N。工具头运动过程中，Fz基本没有发生变化，其值在1000N附近来回震荡，但是在工具头变化圈数过程中，工作头有一个较大的跳跃，这是由于变化圈数后出现了一个瞬时接触。4.4金属板单点增量成形过程中能量变化规律在ABAQUS中提取成形过程中外部对系统做工的变化规律如图4.12所示，系统内能如图4.13所示，由图4.12可知，外部对系统做工越来越大，但是功率越来越小。在起始阶段，外部对系统做工功率最大，然后变小至基本不变，再到变小的一个过程。系统内能增加变化曲线与图4.12一致，但是大小有差异，可以看出，在成形过程中，外部对系统做工不是只是一部分用于板料成形，很大一部分是摩擦耗能，故而在成形过程中，减小板料与工具头之间的摩擦可以提高成形效率。图4.12外部对系统做功变化曲线图4.13系统内能变化曲线4.5本章小结本章主要是通过金属板料单点增量成形过程的仿真结果进行分析，得到单点增量成形过程中板料厚度的变化、板料位移的变化、工具头受力的变化，以及分析过程中的能量变化，可以比较直观的看出单点增量成形过程的规律，然后通过对比板厚、材料对单点增量成形的工具头受力和位移变化可以看出，单点增量成形方法适应于板厚不是越大或者越小的制造工艺，选择合适的板厚，有利于避免材料成形的缺陷，对得到精度较好的成形十分有利。5摩擦对单点增量成形仿真结果的影响5.1单点增量成形过程中摩擦系数的研究在单点增量成形过程中，板料的种类、工具头直径、层进给量、板料初始厚度以及成形角等工艺参数对摩擦系数的影响较大，不同参数的影响效果如下：（1）当工具头直径增大时，可以显著降低摩擦系数。首先，增大工具头直径可以改善接触区域的分布，使压力更加均匀分布于整个接触面上。这有助于减少局部高压区域的形成，从而降低了材料的变形应力和不均匀性。首先，增大工具头直径可以改善接触区域的分布，使压力更加均匀分布于整个接触面上。这有助于减少局部高压区域的形成，从而降低了材料的变形应力和不均匀性。首先，增大工具头直径可以改善接触区域的分布，使压力更加均匀分布于整个接触面上。这有助于减少局部高压区域的形成，从而降低了材料的变形应力和不均匀性。（2）相对于板料的初始厚度而言，对平均摩擦系数的影响是微小的。增加初始板厚会导致成形力的增加，同时稍微增加接触区域的面积，因此会稍微提高平均摩擦系数，然而，这个影响相对较小。（3）随着成形角度的增大，平均摩擦系数会发生一定程度的增加。这是因为成形角度的增大会导致接触区域的面积增大，使得工具头在运动时与金属材料之间的接触面积增加。这进一步导致更多的金属材料发生变形，从而增强了粘着剪切效应。由于接触面积增大，金属材料与工具头之间的粘着剪切效应变得更加明显。这意味着在接触界面上，金属材料更容易发生粘附和相对滑动。这种粘着剪切现象导致了摩擦力的增加，进而导致平均摩擦系数的增大。（4）对于层进给量其变化规律和板料初始厚度类似，当层进给量增大时，接触区域受到更高的压力，因为更多的材料被推挤并发生变形。这增加了材料之间的粘结作用，使接触界面上的相对滑动更加困难。由于粘结现象的增加，摩擦力也会相应增加，从而导致平均摩擦系数的增大。通过建立考虑摩擦的有限元仿真模型，研究了摩擦对单点增量成形过程的影响。在仿真模型中，我们考虑了摩擦的影响因素，通过调整摩擦系数，我们模拟了不同摩擦条件下的成形过程，从而定量评估了摩擦对成形力的影响程度。此外，我们还关注了等效塑性应变和等效塑性应力这两个参数，它们反映了材料在成形过程中的变形程度和应力状态。通过分析摩擦系数对这些参数的影响，我们深入了解了摩擦在单点增量成形过程中的作用机制。这些研究结果对于优化单点增量成形工艺、提高成形质量和推动技术发展具有重要意义。本文通过在单点增量成形过程中使用不同的成形参数来模拟具有不同摩擦系数的成形过程，工艺参数分别选择如下表四种组合，对应的摩擦系数从表中查询可得：表5-1不同工艺对应的摩擦系数工艺工具头直径D(mm)金属板厚H(mm)成形角α(°)层进给量Z(mm)摩擦系数1161450.50.06221014510.1073101451.50.1684414510.1985.2摩擦对成形力的影响通过使用ABAQUS软件，我们可以直接获取成形过程中板料所受的摩擦力合力。采用不同的成形参数组合时，摩擦力随时间的变化规律如图5.1所示。从图中可以观察到，不论采用何种工艺，摩擦力都经历了一个逐渐增大并最终稳定的过程。选择具有较高摩擦系数的成形工艺参数组合将导致整个成形过程中的摩擦力增加。例如，采用工艺1时，摩擦力在约30N左右波动，而采用工艺4时，摩擦力在约120N左右波动。这些观察结果表明，摩擦力受到成形工艺参数的影响，并且不同的成形参数组合会导致不同的摩擦力水平。摩擦力的增加可能会增加板料的形变和应力，对成形过程产生影响。图5.1不同工艺成形过程中摩擦力随时间变化曲线如图5.1和5.2所示，不同成形参数下工具头在水平方向的成形力Fx、Fy有同样的变化规律，从图中可以看出摩擦系数越大水平力FY的峰值越大，采用工艺1时FY在50N左右波动，采用工艺4时FY则在1图5.2不同工艺成形过程中水平力FX随时间变化曲线图5.3不同工艺成形过程中水平力FY随时间变化曲线根据图5.3显示的结果，不同工艺下轴向力Fz的变化规律与水平力Fx的变化趋势一致。较大的摩擦系数会导致轴向力Fz增加。例如，在采用工艺1和工艺4时，轴向力Fz分别在约200N和700N附近波动。通过与水平力的变化趋势进行比较，可以发现摩擦系数对水平方向成形力的影响程度大于对轴向成形力的影响程度。这意味着摩擦系数对水平方向成形力的变化起到更为显著的作用。这些研究结果强调了摩擦对成形过程中水平方向和轴向方向成形力的重要影响。了解不同工艺参数下的成形力变化规律，特别是与摩擦系数相关的变化，有助于优化单点增量成形过程，并提高成形过程的稳定性和效率。图5.4不同工艺成形过程中轴向力FZ随时间变化曲线5.3摩擦对板料变形的影响单点增量成形时，金属板料的位移随着加工进程的推进不断增大，如图5.5~5.8所示，通过提取四种不同工艺下的板料厚度变化云图，发现在摩擦系数越大的工艺条件下，板料的最终成形厚度越小，然而差距并不明显。图5.5工艺1板料厚度变化 图5.6工艺2板料厚度变化图5.7工艺3板料厚度变化图5.8工艺4板料厚度变化5.4摩擦对等效应力的影响根据图5.9至5.12所示的结果，我们观察到在不同成形参数下，等效应力在板料中的分布情况。进一步分析四组成形参数对应的等效应力最大值（分别为136.8MPa、139.7MPa、141.6MPa和145.8MPa），我们发现随着摩擦系数的增大，等效应力的最大值也相应增加。此外，我们还注意到最小值的变化更加显著。这种变化可以归因于较大的摩擦导致金属材料流动的不均匀性。由于流动不均匀，金属材料易于出现应力集中和不均匀分布的情况，从而导致等效应力的增加。摩擦系数的增大对成形过程中的金属流动性产生显著影响，使得等效应力呈现出更加复杂的分布特征。因此，摩擦系数的增大对于等效应力的最大值产生了显著影响，并且对于等效应力的最小值也具有较为明显的变化。这些结果突出了摩擦对于单点增量成形过程中等效应力分布的重要性。图5.9工艺1板料等效应力云图图5.10工艺2板料等效应力云图图5.11工艺3板料等效应力云图图5.12工艺4板料等效应力云图5.5摩擦对等效塑性应变的影响在塑性成形中，等效塑性应变常被用来描述材料在屈服后的应变状态。研究显示，图5.13至5.16呈现了不同成形参数下等效塑性应变的不均匀分布。进一步观察揭示了较大摩擦系数引起整体等效塑性应变的增加。这一现象可归因于摩擦系数的增大，使得材料流动受到更强的阻力，导致材料堆积和应变增加。单点增量成形是逐层挤压板料的过程，依靠积累微小的塑性应变来实现目标形状的成形。然而，较大摩擦系数使内外表面的等效塑性应变均增加，表明较差的接触条件会加大内外表面等效塑性应变之间的差异。图5.13工艺1料等效塑性应变云图图5.14工艺2板料等效塑性应变云图图5.15工艺3料等效塑性应变云图图5.16工艺4料等效塑性应变云图5.6本章小结本章主要研究了在金属单点增量成形的过程中，不同摩擦对仿真结果的影响。的板料厚度、层进给量、工具有直径、和成形角度的差异组合，形成了工具头和板料之间各不相同的摩擦系数，选取其中四种具有代表性的工艺组合进行摩擦仿真建模。通过分析仿真结果可知，对于摩擦系数越大的工艺组合来说，相应的摩擦力、工具头所受X、Y和Z方向的成形力、等效应力以及等效塑性应变都是最大的，变化趋势较为相似。

6总结及展望6.1总结单点增量成形技术是一种基于“分层制△造”概念的新颖板料塑性成形方法。与传统的板料模具成形相比，该技术克服了柔性差、产品开发周期长以及设备维护费用高等问题，满足了现代企业对多批次、小批量、快速响应的需求。通过和数控技术的结合、有限元软件的连结及有限元软件仿真模拟。可以有效的得出最终实验结果数据，有效的模拟破损、爆破等材料需求。通过模拟就可得出材料极限边界。这一系列的优势，非常满足现代工业多样化、个性化、经济化及再循环的要求。本文设计了工具头、板料、上下压板的几何模型进行装配，建立了单点增量加工的真实过程，进行有限元软件进行仿真后，得出成形过程中成形力、应力、应变的分布规律和板厚分布规律，通过数值模拟和理论推导来探究成形力。最终结果表明：金属板料单点增量成形过程中位移的变化、版后的变化和工具头受力的变化。可以通过云图的展现直观的看出单点增量成形过程的规律。通过以上的规律，我们得到了成形不同时刻的不同成形状态，选择合适的板厚，有利于避免材料成形缺陷，对较好的存在高精度的成形有利。6.2展望通过对不同摩擦模型下的单点增量有限元仿真结果进行分析，对成形过程中的摩擦行为进行了进一步研究。然而，本文的仿真模型存在一些不全面的考虑，未考虑温度和摩擦热效应对板料成形的影响，并未定义热生成属性，温度始终被设定为室温，然而，板料与工具头接触区域的温度会因摩擦而升高，这将对工件的加工产生影响。此外，未考虑材料的非线性变形行为和材料的动态效应。在实际的单点增量成形过程中，由于材料的非线性本质和变形行为，温度的变化和摩擦热效应可能导致材料的塑性行为发生变化。此外，由于加工速度和变形速率的不断变化，材料的动态效应也可能对成形过程产生重要影响。因此，为了更准确地描述单点增量成形过程，未来的研究应该综合考虑这些因素。参考文献[1]刘华，江开勇，刘斌.金属塑性加工新技术与发展趋势[J].模具行业，2010，36（9）：5-9.[2]崔震，高霖，卢启建.复杂钣金零件渐进成形方法[J].机械工程学报，2007，43（12）：235-239[3]李颖超，李敬勇.钛材料单点渐进成形工艺数值模拟分析[J].热加工工艺，2013，42（5）：130-131，134[4]史晓帆.金属板料渐进成形精度控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2003.[5]姚梓萌,李言,杨明顺,等.锥形件单点增量成形过程应变状态研究[J].机械科学与技术,2016(12):1871-1876.[6]李军超，毛峰，周杰.板材单点渐进成形工艺数值模拟与成形缺陷模拟研究[J].热加工工艺，2010，39（5）：71-75.[7]张国新，戴京东.金属板料单点渐进成形变形控制方法[J].锻压技术，2013，38（6）：28-31.[8]韦红余，胡铭明，高霖.圆锥形渐进成形件成形精度研究[J].机械工程学报，2010，46（9）：193-198