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赵红伟毕业设计

摘要

板材在弯曲过程中存在最突出的问题是弯曲回弹难以精确控制，弯曲卸载后的回弹，使弯曲件的形状尺寸与模具工作部分的形状尺寸不符。

弯曲零件的最后形状尺寸是在整个成形历史中的积累效应。

其中板料厚度、模具几何参数、材料性能、摩擦接触等众多因素都会对回弹产生很大的影响。

本文利用dynaform5.2软件中LS-DYNA后处理模块显式—隐式连续求解功能，对弯曲成型中便于用解析法研究的较为简单的几何形状和边界条件的问题进行模拟分析。

其中用弯曲中变形最简单的U形件做数值模拟，采用正交优化进行实验设计，最

后对数据进行处理等到了一些简单的影响回弹因素的结论。

针对U形件拉弯成型时容易出现产生回弹的问题，采用有限元法对其拉弯成型过程进行模拟，并从模拟后的数据分析得到了影响回弹的各因素。

本文对有效控制U形件拉弯时的回弹与模具设计具有一定的参考意义。

关键字数值模拟正交优化回弹因素预测补偿

Abstract

Inbendingsheetmetalinthecourseofthemostprominentproblemisdifficulttopreciselycontrolbendingrebound.Bendingthereboundafterunloadingsothatthebendingofthesizeandshapeofthemoldoftheshapesizedoesnotmatch.Partsofthecurvedshapeofthefinalsizeisformingintheentirehistoryofthecumulativeeffect,sheetmetalthickness,moldgeometryparameters,materialproperties,frictioncontacts,andotherfactorswillhaveagreatresilienceoftheimpact.Usingdynaform5.2LS-DYNAsoftwareinthepost-processingmodulesimulatedexplicit-implicitsolutionforfunctional,easytobendformingintheanalyticalmethodusedontherelativelysimplegeometricshapesandboundaryconditionsofthesimulationanalysisoftheissue.OnebybendingdeformationinthemostsimpleU-shapedpiecesdonumericalsimulation,optimizingtheuseoforthogonaldataprocessinguntilanumberofsimplefactorsaffecttheconclusionsofresilience.

   DrawingagainstU-shapedbendeasilyleadtoformingareboundwhentheissueofuseofitsfiniteelementmethodTensionformingprocesssimulation,andanalysisoftheimpactoftheresilienceofthefactors.Inthispaper,theeffectivecontrolofU-shapedbendwhendrawingthereboundanddiedesignhasareferencevalue.

KeywordNumericalsimulation;Orthogonaloptimization;

Resiliencefactors;forecastcompensation

1.4.1回弹计算方法……………………………………………………........................................4

1.4.2回弹模拟方法……………………………………………………….……………………...4

1.5板料回弹模拟软件………………………………..5

1.5.1CAE模拟软件比较………………………………………………………………………....5

1.3.4DYNAFORMJ介绍…………………………………………………………………............6

1.6.7变形程度对回弹模拟的影响…………………………………………….………………..13

3.1.1网络划分后的有限元模型………………………………………………………………..19

3.1.2建立的完整模型…………………………………………………………………………..19

3.1.3算法的选择………………………………………………………………………………...20

4.3正交表试验方案的设计……………………………………………………………………………..30

4.3.1一次一个因素法……………………………………………………………………………..30

4.3.2全因子实验法……………………………………………………………………………….31

4.4正交表及基本性质…………………………………………………………………………………32

4.5试验数据的直观分析……………………….……………………………………………………….33

4.6正交试验的方差分析………………………………………………………………………………..35

4.7因素间的交互作用…………………………………………………………………………………36

6.1材料类型对回弹的影响…………………………………………………………………………42

6.2压料力对回弹的影响…………………………………………………………………………….42

6.3凸、凹模工艺间隙的影响………………………………………………………………………..42

6.4摩擦系数对回弹的影响…………………………………………………………………………..43

6.5收集的其他数据图片……………………………………………………………………………..43

7回弹的补偿与预防…………………...……………………..47

7.1回弹的补偿流程图……………………………………………………………………………….47

7.2回弹控制…………………………………………………………………………………………..48

7.2.1倾斜角法……………………………………………………………………………………49

7.2.2弧形顶板法…………………………………………………………………………………49

前言

板料成形中普遍存在着回弹现象，尤其在弯曲中更为明显，因而准确、有效的预测板料弯曲回弹是提高板料成形质量的技术关键。

弯曲零件的最后形状尺寸是在整个成形历史中的积累效应,与板料厚度、模具几何参数、材料性能、摩擦接触等众多因素密切相关,导致回弹问题的复杂性。

回弹又是板料成形和冲压模具设计时需要考虑的主要问题,因此研究弯曲成形时回弹的影响因素,具有重要的实用意义。

通常采用三种方法研究板料弯曲的回弹,即解析法、实验研究法、数值模拟法。

由于板料冲压成形时的回弹是较为复杂的问题,目前的理论解释尚不完善。

因此,采用有限元法对弯曲成形过程进行仿真分析,并能对回弹进行预报,是最行之有效的方法。

回弹是板料成形过程中存在的一种普遍现象，直接影响到冲压件的尺寸精度和零件最终形状。

如果回弹量不能有效地控制，将严重影响零件的质量，成为成形缺陷。

要控制冲压过程种板料的回弹，我们就必须了解影响板料回弹量大小的各种因素以及他们影响的规律。

传统分析中，由于依赖于经验方法无法准确地预测回弹，对于冲压件的回弹，只能靠反复的修模、试模来进行补偿，需要耗费大量的人力和物力，而且还很难保证产品品质。

近年来，计算机数值模拟技术的应用为这一问题提供了有效的解决办法，也成为解决回弹的主要途径之一，受到极大的关注，并已取的了极好的成效。

1回弹基础知识与有限元分析

1.1回弹概述

回弹是指在钢板成形过程中,当外载荷卸除之后,塑性变形区的材料因残余应力而使零件变形的现象（即由于弹性变形区材料的弹性恢复以及塑性变形区中材料变形部分的弹性恢复,使其形状尺寸都发生与加载时变形方向相反变化的现象）.回弹是板料成形过程中存在的一种普遍现象,直接影响到冲压件的尺寸精度和零件的最终形状.如果回弹量不能有效控制,将严重影响零件的质量,成为成形缺陷..

传统分析中,由于依赖于经验方法无法准确的预测回弹,对于冲压件的回弹,只能靠反复的修模,试模来进行补偿,需要耗费大量的人力物力,而且难以保证产品质量.近年来,计算机数值模拟技术的应用为这一问题提供了有效的解决方法,也成为解决回弹问题的主要有效途径之一,受到极大关注,并已取得极好的成果.

回弹模拟过程虽然仅是卸载过程,但由于它是模拟成形的最后一步,成形过程模拟中产生的任何误差都会累计到回弹计算阶段,而且回弹量本身较小,这对回弹模拟的计算精度就提出了更高的要求.同时回弹虽属小变形非线性问题,但本质上是从复杂的全应力状态转向弹性卸载的过程,还可能出现反向加载软化现象,其复杂程度远大于弹性结构的变形计算.因此,长期以来回弹问题一直没有很好的解决办法,是板料成形数值模拟的难点;而且回弹模拟也一直是板料成形数值模拟的研究热点,众多科技人员投入了极大的精力致力于这方面的研究.因此,本文系统总结了板料成形中关于回弹的研究方法,影响因素及国外的最新研究进展,以期对于今后这方面的研究有很好的参考价值和知道意义.

1.2回弹数值模拟技术的发展

20世纪50年代以Hill为代表,通过实验和解析方法,得到广义回弹量的解析表达式,这对于揭示回弹形成机理,弄清影响回弹量的主要因素具有指导意义,但对于复杂零件,如汽车覆盖件的回弹问题,一般的解析方法则无能为力.70年代起有限元法开始应用于板料成形过程的模拟,各种CAE仿真软件应用于模具工业中,有效的用来解决模具制造中的难题如拉裂,起皱的预测.近年来,该技术应用于回弹的模拟计算方面,并取得了许多进展,如DuCQ等采用静态隐式算法和动静态联合算法计算轿车顶弧成形和后加强板切边时的回弹,Finneta采用动静态算法计算轿车前翼子板成形中的回弹,Kawkaeta进行复杂零件的多步回弹的仿真研究.

此外,国内外许多学者在回弹分析及其工程控制方面也做了大量的研究,并取得许多成果.从NUMISHEET’93（第二届板料成形三维数值模拟国际会议）开始,每届会议都有关于回弹预测的标准考题（Benchmark）,在NUMISHEET’2002上,关于回弹预测和控制的会议专题论文以达20篇之多,占到全部会议论文的21%以上.

鉴于问题本身的复杂性,目前仅能在一定程度上预测出近似的回弹值,在根据回弹值进行再模拟控制补偿.因此,回弹模拟的精度也因所采用的算法的不同而不同.其中,在弯曲成形中一般只涉及较为简单的几何外形和边界条件,这便于用解析法对其进行深入的研究,所以,人们对回弹的研究往往首先从弯曲入手.其中“U”“V”型件为弯曲变形中最为简单的变形形式,目前很多学者在这方面开展了研究,并取得了一定的成绩.Lan以“U”型件为例,通过对弯曲回弹的数值模拟研究了不同的冲压参数对弯曲回弹的影响.Chan以“V”型件弯曲和回弹过程为研究对象,通过对“V”型件弯曲和回弹过程的有限元数值模拟分析获得了成形参数对“U”型件弯曲回弹的影响规律.

1.3回弹的机理分析

如图1所示,当板料发生弯曲时板料的曲率将发生变化,板料曲率发生变化的区域（图2中A,B,C,D部分）是变形区.弯曲时,变形区内靠近曲率中心一侧（成为内层）的金属在切向压应力的作用下产生压缩变形;远离曲率中心一侧（成为外层）的金属在切向拉应力的作用下发生拉伸变形.弯曲过程中变形区内切向应力分布的变化如图2所示.当中性层半径

很大时,材料内外层应力都小于材料的屈服极限

材料处于弹性变形阶段,应力分布如图2a所示;当

较大时,材料内外两层受力首先达到屈服极限

发生塑性变形,而后塑性变形由内外两层向中性层扩展,材料进入弹塑性弯曲阶段,应力分布如图2b所示;当

很小时,意味着靠近中性层的弹性变形厚度也很小,此时可以近似认为塑性变形已扩展到整个截面,认为毛坯进入纯塑性弯曲阶段,应力分布如图2c所示.

图1.3.1弯曲变形区内切向应力分布

（a）弹性弯曲前（b）弹-塑性弯曲阶段（c）纯塑性弯曲阶段

对于板料的弯曲变形而言,图2c为理想状态.一般板料在弯曲时多处于图2b弹塑性弯曲阶段,有时甚至为图2a弹性弯曲阶段.由于弯曲变形时内外变形的不均匀,因而当外载荷卸掉以后,必将产生回弹.回弹的结果使弯曲件的弯曲角和曲率半径都发生变化,进而影响弯曲件的最终形状.U形件成形过程中,侧壁部分经历了复杂的弯曲变形,其过程如图3a所示.弯曲开始阶段,在凸模的作用下,坯料中间的非变形区OA部分首先发生弯曲变形,使毛坯的两端翘起以凸模圆角为中心向中间转动.当毛坯的两端进入凹模时,坯料的D点与凸模的侧面接触,并被反向弯曲.在弯曲的最后阶段,坯料的OA部分在凸模与凹模之间被反向压平,其实质是OA部分又被反向弯曲.从以上分析可知U形件弯曲变形的主要区域是坯料上受凸模圆角直接作用的两个圆角区,但实际上在弯曲过程中,OA,BC两部分也都不同程度的发生了变形.因此,卸载时无论变形区还是非变形区都会产生与加载方向相反的回弹变形,各部分的变形如图3b所示.这3部分的回弹决定了U形件的最终形状.

图1.3.2U形弯曲过程（a）及各部分（b）的回弹

由以上分析可知:

对于U形件而言,侧壁和凸模圆角部分的回弹是造成最终尺寸不稳定的原因.因此只要可以控制U形件侧壁部分和凸模圆角处的变形,就可以有效的控制回弹。

1.4模拟回弹的数值理论

1.4.1回弹计算方法

基于有限元理论的回弹计算方法主要有两种,即无模法（在成形结束时,去除模具代之以接触反力,进行迭代计算,直到接触力为零）和有模法（在成形结束时,让模具反向运动,直到凸模完全与板料脱离为止）两种方法的计算结果区别不太大,无模法适

用于成形零件形状比较简单,零件与冲压成形模具脱离过程接触边界条件的非线性较弱,或者没有明显的脱离过程是情况;有模法适用于成形零件形状比较复杂,在卸载过程中零件与冲压成形模具脱离过程存在明显的非线性接触边界条件的情况.

无模法的具体计算方法是:

在弯曲成形过程结束时,去除模具,使所有和模具接触的节点均成为自由节点,将按弹塑性有限元法计算得到的弯曲加载过程的最后一步结果,按照反向原则将其转化为卸载过程节点力的初始值.由于板料零件此时处于无边界的约束状态下,为防止出现刚体位移,需要施加位移以及转到的约束边界条件.对V型件等自由弯曲而言,其零件形状简单,在卸载过程中零件与冲压成形模具没有明显的脱离过程.所以根据上述位移边界条件,按照弹性有限元法,一次性卸载计算回弹.

有模法更能模拟实际回弹过程,回弹的计算类于成形的计算,但模具移动方向相反,也用增量法求解.当所有节点不与模具接触时,即是回弹的终了.采用有模法时,因为仍有接触计算,计算时间比无模法长.

1.4.2回弹模拟方法

数值模拟主要有两种算法:

静力隐式算法和动力显示算法.两种算法的区别在于静力隐式算法需要构造和求解刚度矩阵,每一步迭代都要进行接触判断,往往会出现迭代不收敛的情况,计算速度慢,但计算精度高.如蔡中仪采用静力隐式方法应力的算法,对纯弹性板材大变形问题展开研究,并得到了比较准确的回弹计算结果,且计算精度比较高.而动力显示算法不需要构造和求解刚度矩阵,因此该算法的最大优势是计算速度快.实践证明,动力显示算法计算的应力是不准确的,而残余应力恰恰是造成回弹现象的关健所在.动力显示算法效率高,稳定性好,适于计算各种复杂成形问题;静态隐式算法在求解大型成型问题时效率低,收敛性差,但求解回弹问题时其效率极高,往往经过一步或数步迭代即可获得很好的结果.有鉴于此,目前一半都采用动静态联合算法求解回弹问题,动静态联合算法的基本过程是:

以动态显示算法的输入进行回弹计算,此方法充分发挥了二者的优点,极大的提高了计算效率.

1.5.板料回弹模拟软件

1.5.1回弹模拟软件的对比

近年来,数值模拟及相关技术得到迅速发展,逐步成为一种现代研究手段.目前可以用于回弹模拟研究方面的商业有限元分析软件也比较多其中几种常用的软件如表1所示:

表1.5.1有限元软件对比

名称

制造商

特点

应用范围

eta/DYNAFORM

美国

包括了大量的智能化工具,可方便的求解各类板料成形问题

主要应用于板料成形工业中模具的设计和开发

MSC.Marc

美国

功能齐全,高级线性有限元软件,体现了有限元分析理论方法和软件实践的完美结合

具有极强的结构分析能力,可以处理各种线性和非线性结构分析

AutoForm

瑞士

采用静态隐式算法及全拉格朗日理论的弹塑性理论

模具设计,工艺模拟

PAM-STAMP2G

欧共体

基于PAM-DIEMAKER,对其模面与工艺补充面进行设计和优化

研究,评估及验证成形工艺和冲压件质量

Sheetform

中国

静力隐式弹塑性有限元数值模拟程序

可以对典型的板料成形过程进行模拟

从表1可以看出,各款软件都有自己的独特优点,在分析不同的实际问题时应该具体选用.作者在研究板料成形的回弹研究中,考虑到ETA/dynaform软件全面的性能表现,能够比较准确的反映出回弹现象,并冲压模具的设计和开发具有很强的知道性，采用了该软件.

1.5.2DYNAFORM软件介绍

      DYNAFORM是由美国ETA公司开发的用于板料成形模拟的专用软件包，可以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间及试模周期，不但具有良好的易用性，而且包括大量的智能化自动工具，可方便地求解各类板成形问题。

DYNAFORM可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助；DYNAFORM专门用于工艺及模具设计涉及的复杂板成形问题；DYNAFORM包括板成形分析所需的与CAD软件的接口、前后处理、分析求解等所有功能。

      目前，DYNAFORM已在世界各大汽车、航空、钢铁公司，以及众多的大学和科研单位得到了广泛的应用，自进入中国以来，DYNAFORM已在长安汽车、南京汽车、上海宝钢、中国一汽、上海汇众汽车公司、洛阳一拖等知名企业得到成功应用。

主要特色

1．集成操作环境，无需数据转换

完备的前后处理功能，实现无文本编辑操作，所有操作在同一界面下进行

2．求解器

采用业界著名、功能最强的LS-DYNA，是动态非线性显示分析技术的创始和领导者，解决最复杂的金属成形问题。

3．工艺化的分析过程

囊括影响冲压工艺的60余个因素

以DFE为代表的多种工艺分析模块

有好的工艺界面，易学易用

4．固化丰富的实际工程经验 

功能介绍

1.基本模块

DYNAFORM提供了良好的与CAD软件的IGES、VDA、DXF，UG和CATIA等接口,以及与NASTRAN,IDEAS, MOLDFLOW等CAE软件的专用接口，以及方便的几何模型修补功能。

 IGES模型转入 自动消除各种孔

图1.5.2.1

     DYNAFORM的模具网格自动划分与自动修补功能强大，用最少的单元最大程度地逼近模具型面。

比通常用于模具网格划分的时间减少了99%以上。

QuickSet-up,能够帮助用户快速地完成分析模型的设置，大大提高了前处理的效率。

图1.5.2.2

     与冲压工艺相对应的方便易用的流水线式的模拟参数定义，包括模具自动定位、自动接触描述、压边力预测、模具加载描述、边界条件定义等等。

图1.5.2.3等效拉延与实际拉延

用等效拉延筋代替实际的拉延筋，大大节省计算时间，并可以很方便地在有限元模型上修改拉延筋的尺寸及布置方式。

多工步成形过程模拟:

 网格自适应细分，可以在不显著增加计算时间的前提下提高计算精度。

图1.5.2.4

显、隐式无缝转换，eta/DYNAFORM允许用户在求解不同的物理行为时在显、隐式求解器之间进行无缝转换，如在拉延过程中应用显式求解，在后续回弹分析当中则切换到隐式求解。

三维动态等值线和云图显示应力应变、工件厚度变化、成形过程等，在成形极限图上动态显示各单元的成形情况，如起皱，拉裂等；

图1.5.2.5成形极限图

BSE（板料尺寸计算）模块

 采用一步法求解器，可以方便地将产品展开，从而得到合理的落料尺寸。

图1.5.2.6一步法求解图示

DFE（模面设计模块）

DYNAFORM的DFE模块可以从零件的几何形状进行模具设计，包括压料面与工艺补充。

DFE模块中包含了一系列基于曲面的自动工具，如冲裁填补功能、冲压方向调整功能以及压料面与工艺补充生成功能等，可以帮助模具设计工程师进行模具设计。

●基于几何曲面

所有的功能都是基于NURB曲面的。

所有的曲面都可以输出用于模具的最终设计。

●导角

单元导角功能使用户对设计零件上的尖角根据用户指定的半径快速进行导角，以满足分析的要求。

●冲裁填补功能

根据成形的需要，自动填补零件上不完整的形状。

能在填补区同时生成网格与曲面。

●拉延深度与负角检查

图形显示零件的拉延深度与负角情况。

●冲压方向调整功能

自动将零件从产品的设计坐标系调整到冲压的坐标系。

●压料面生成功能

可以根据零件的形状自动生成四种压料面。

生成的压料面可以根据用户的输入参数进行编辑与变形以满足设计要求。

●工艺补充面生成功能

可以根据产品的大小、深度及材料生成一系列轮廓线。

然后将这些轮廓线生成曲面并划分网格形成完整的工艺补充部分。

还可以对生成的轮廓线进行交互式编辑。

●MORPHING

DFE模块中提供了线、曲面及网格的变形功能，可以很容易地处理POL、冲裁填补、工艺补充设计以及压料面设计。

主要应用：

1．冲压、压边、拉延、弯曲、回弹、多工步成形等典型钣金成形过程

2．液压成形、辊弯成形

3．模具设计

4．压机负载分析等 

1.6影响回弹数值模拟的主要因素

回弹模拟计算准确程度即受成形过程模拟精度的制约,也与回弹模拟方法有重要关系,准确性和收敛性一直是数值模拟难以达到满意的主要问题.以下从成形过程模拟和回弹模拟两方面分析影响回弹模拟精度的主要因素,以便寻找减小误差的途径.现将影响回弹模拟的主要因素列举如下.

1.6.1单元类型及积分法案的影响

单元类型是影响成形模拟精度的主要因素之一.Mattiasson发现,回弹计算值与单元尺寸成反比关系,单元尺寸越小,计算的回弹量越大;反之回弹量越小,甚至可能出现反向现象.因此,合理的选择单元类型将是决定