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《板料成形過程的數(shù)值模擬技術(shù)》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第6卷第1期塑性工程學(xué)報Vol16No111999年3月JOURNALOFPLASTICITYENGINEERINGMar11999板料成形過程的數(shù)值模擬技術(shù)(上海交通大學(xué)國家模具CAD工程中心 200030)印雄飛 阮雪榆摘 要 本文介紹了板料成形過程數(shù)值模擬的一般方法,包括顯式算法、隱式算法、接觸問題和拉延筋模型,該領(lǐng)域的最新進展和發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞 板料成形 數(shù)值模擬 顯式算法 隱式算法1 引 言板料成形廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)等諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)加工過程中的工藝分析及模具設(shè)計制造還主要依靠設(shè)計者的
2、經(jīng)驗,為了避免板料成形過程中出現(xiàn)斷裂、起皺、頸縮等不良現(xiàn)象,就要反復(fù)修改成形加工的某些參數(shù)或修改模具形狀。板料成形過程中的材料流動、應(yīng)力、應(yīng)變分布主要通過物理實驗獲得,因而造成了傳統(tǒng)工藝過程耗資巨大,曠日持久。隨著工業(yè)化的日益發(fā)展,產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短,這種設(shè)計方法越來越不適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求。在西方發(fā)達國家,無論是工業(yè)界、學(xué)術(shù)界還是政府部門,都把目光投向了板料成形的有限元數(shù)值模擬。在過去的幾十年里,有限元數(shù)值模擬技術(shù)有了突飛猛進的發(fā)展,加上各種超級計算機、計算機工作站的性能不斷提高,使得計算機
3、模擬成為模具研究及成形優(yōu)化的強有力的工具。以汽車覆蓋件的開發(fā)過程為例,傳統(tǒng)的開發(fā)過程如圖1所示,不但開發(fā)周圖1 傳統(tǒng)的汽車覆蓋件開發(fā)過程圖2 使用計算機模擬的汽車覆蓋件開發(fā)過程Fig11ThedevelopingprocessofFig12Thedevelopingprocessofthetraditionalcarpanel.carpanelsimulatedbycomputer.第1期印雄飛等:板料成形過程的數(shù)值模擬技術(shù)21期長,而且費用高。采用圖2所示的使用了計算機模擬的開發(fā)過程,則大大降低了成本
4、,縮短了開發(fā)時間,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,增強了產(chǎn)品的競爭力。板料成形的有限元數(shù)值模擬研究始于70年代,到了80年代后期得到了迅猛的發(fā)展。研究也從分散走向集中,研究的深度和廣度都大大提高了。在美國、日本和歐洲,板料成形的數(shù)值模擬的研究特別活躍。美國的“三巨頭”(Generalmotors,ford,chrysler),德國的大眾、奔馳,日本的豐田、三菱、日產(chǎn)等大型汽車公司都有專門的部門對板料成形數(shù)值模擬進行研究。從事數(shù)值模擬研究工作的還有飛機制造公司(如Boeing,Raythen,Learjet),原材料供應(yīng)
5、廠家(如美國的USsteel,Bethlehemsteel,Alcoa,Alcan,日本的新日鐵,日新制鋼),以及各大學(xué)、研究所和其他的一些專門的軟件公司(如ETA,EASI)。我國從80年代后期開始有學(xué)者相繼在板料成形數(shù)值模擬方面做了一些工作,主要集中在各個高校之中,并且缺少研究部門和工業(yè)部門的密切合作,還不具備CAE的適用程度和規(guī)模。板料成形的有限元數(shù)值模擬的研究領(lǐng)域主要有兩個方面:1)給整個工具系統(tǒng)建模,包括模具、沖頭和其它附件(如拉延筋,壓邊圈等);2)給整個加工過程建模,包括重力、壓力閉合、沖
6、壓、翻邊、裁剪和回彈等。通過計算機模擬,我們可以得到:①使工件成形所需的加載力;②工件變形過程;③應(yīng)力、應(yīng)變分布;④厚度分布;⑤裂紋和起皺;⑥成形極限圖等方面的內(nèi)容。目前板料成形的計算機模擬技術(shù)已開始進入應(yīng)用階段,國外有許多比較成熟的商業(yè)化的軟件可用于板料成形的數(shù)值模擬。較典型的有AUTOFORM(Swiss)、CFORM(Chysler)、FORMSYS(Korea)、ITAS3D(Makinnouchi)、LS2DYNA3D(LSTC)、MTIFRM(Ford)、OPTRIS(DynamicSoft
7、ware)、PamStamp(ESI)、ROBUST(Nakamachi)、Sheet23D(OSU)等。2 板料成形數(shù)值模擬方法板料成形的變形方式主要有:雙向拉伸、平面應(yīng)變、單向拉壓、深拉延、彎曲和反彎曲。而板料成形的過程則可以看成一個準靜力過程,速度和加速度可以忽略。從力學(xué)角度來看,板料成形過程有這樣幾個特點:1)板料成形通常是一個小應(yīng)變、大變形的問題,需要跟蹤工件幾何形狀變化的歷史來分析。2)模具表面和板料表面的接觸條件比較復(fù)雜,成形過程中,板料的流動是非穩(wěn)態(tài)的,在模擬過程中必須不斷的自動修改邊界
8、條件。3)在板料成形過程中還常常伴有拉伸失穩(wěn)(局部變薄)和壓縮失穩(wěn)(皺曲)的現(xiàn)象。因此,板料成形中存在著材料非線性、幾何非線性、邊界接觸非線性的問題,成形過程的數(shù)值模擬是復(fù)雜且困難的。以下我們主要介紹一下有限元求解方法、接觸處理、拉延筋模擬這幾個主要問題。211 有限元求解方法在有限元求解方法中,一般采用以下兩種算法:靜力隱式算法和動力顯式算法。板料成形過程是一個準靜力過程,理應(yīng)用靜力隱式的有限元建模,但實際上大多數(shù)有限元程序都是22塑性工
