外缘内曲翻边工艺与数值模拟分析Word格式文档下载.docx
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KA=f/（R-f）
（1）
KA值越大，内曲翻边的变形程度越大。
变形区的切向拉应力和拉应变在竖边边缘达到最大；
并在接近翻边变形结束时刻，变形发展到最为严重程度。
外曲翻边成形时的变形区材料承受切向压应力的作用，大到一定量值后，会使变形区材料发生压缩失稳，因此，变形区材料起皱是外曲翻边成形顺利进行的主要障碍。
在实际生产中，通常都须对不参与变形的坯料突缘平面施加足够大的压边力。
图1.1内外缘翻边示意图
主要特点：
圆孔翻边及沿内凹曲线的翻边为典型的伸长类翻边。
翻边时，带有圆孔的环状坯料周边被压边圈压紧，位于凹模孔口以内的坯料部分得到塑性变形。
在变形过程中，随着凸模下降，变形的坯料单元体在凸模和凹模的圆角处发生弯曲，孔的直径增大，而坯料单元体相对凸模作径向移动，逐渐靠近凹模腔内壁，在此移动过程中，坯料单元体在径向平面内，由凸模下方平直形状移到凸模圆角时产生弯曲，在随后离开凸模圆角时，再次由弯曲变直[4-8]。
1.2翻边工艺的发展简史及现状
我国在板料成形数值模拟方面起步较晚，与发达国家（美、日等）相比晚了十几年。
经过多年的发展，我国在板料成形数值模拟方面已经取得了很大进展，但主要集中在部分高校中。
华中理工大学针对不完全对称盒形件的成形特点，开发了有限变形弹塑性薄膜有限元程序对其进行分析研究。
吉林工业大学采用更新的Lagrange法以及有限元变形虚功率增量型原理的弹塑性大变形有限元法,研究了金属板料成形的塑性流动规律以及成形过程中发生的起皱、裂纹等现象，首次提出了多点成形时非连续接触边界约束的处理方法，建立了基于Mindlin壳理论三维金属板料成形过程分析的有限元模型，编制了用于板料多点成形分析的有限元专用软件，成功分析了多点成形时的金属流动规律。
哈尔滨工业大学采用刚粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分析程序，并对方盒件的成形过程进行了分析，对板料粘性介质胀形过程中的应变速率变化也进行了模拟研究。
北京航空航天大学则对板料成形过程中的接触摩擦和悬空区起皱进行数值模拟。
上海铁道学院的李尧臣用有限元法模拟了金属板材的冲压成形过程，分析了金属板材在冲压过程中的屈曲现象，建立了增量形式的变分原理，跟踪了板料起皱的发展、折叠、衰减的全过程。
上海交通大学对板料成形的回弹进行了较为系统的研究，提出在板料回弹模拟中采用修正的拉格朗日法较为合适[9-10]。
卢险峰教授通过模拟以及实验验证，得出将翻边变形过程可分为具有不同特征的4个阶段。
即变形区材料从变形开始出现斜角段斜角与直壁段圆角与直壁段要求高度的直壁段的几个具体阶段。
这使得对翻边变形过程的认识从现有的宏观定性分析进入到细观定量分析。
得出采用那些用翻边变形中料厚不变的假设条件所进行的理论分析是不甚合理和不够精确的。
数值模拟对深入认识翻边变形过程及其变形特点,对翻边工艺的理论研究和工程实践具有指导意义[11-14]。
对于翻边的研究，国外学者WangN.M.和WangC.T.曾经采用完全解析的手段，分别提出了内曲翻边和外曲翻边成形的变形分析计算模型，可以用来分析翻边零件的变形程度，却不便于事先确定修边线的位置，公式推导繁琐，而且没有考虑材料各向异性对翻边的影响。
对于翻边回弹方面的研究有H.Livatyali等利用CAE技术对直翻边中的回弹现象进行了预测，并提出了相应的消除方法。
M.J.Finn将LS-DYNA和LS-NIKE3D结合起来模拟了福特某轿车前翼子板的成形回弹问题，为求解大型复杂外缘成形回弹问题提供了一种简便有效的方法。
国内学者曹颖、李大永等在WangN.M.和WangC.T.的基础上根据全量理论和膜应变假设建立了各自的翻边解析理论模型，用来确定翻边零件的坯料尺寸，但他们的模型只能用来确定简单地翻边零件的毛坯尺寸[15-16]。
毛坯形状和尺寸的确定一直是板料成形技术中的一大难题，由于板料变形的复杂性，想获得理想的毛坯形状并不容易。
毛坯外形的确定问题于20世纪50年代就已提出，早期提出的有查图和查表法、实验逐次逼近法等，后来又提出了拼合法、滑移线法、物理模拟法、几何映射法和有限元法等。
目前应用较多的方法有滑移线法、几何映射法、基于有限元的试错法、反向法、理想成形法、回溯法、增减体积法、类比法、约束优化法、迭代法、人工网络技术等等。
1.3板料成型工艺研究的主要方法简介
1.3.1工艺实验法
工艺实验法基本过程是:
首先根据实验目的进行工艺设计，然后在工艺设计的基础上设计并加工制造出模具，并用生产用实际坯料材料来进行实验，然后根据实验情况，检验所要求的变形能否达到零件的设计要求，如果不能，则需反复试验直至达到要求为止。
另外，根据实验目的的不同，实验过程不尽相同。
该方法的优点是所得的结果准确可靠，缺点是成本较高，且实验周期较长。
通常，在科学研究中，工艺实验法是一种极其重要的研究方法，经常被采用，并且这种方法是检验其他方法所得结果是否合理的重要依据。
例如，在翻边工艺研究中，我们可以通过它来进行理论方面的研究，诸如坯料设计计算问题、翻边模具设计问题、应力应变分析以及翻边力的计算等一系列问题都可以通过这种方法来进行研究[17-19]。
1.3.2理论计算与分析方法
理论计算是塑性力学解析的最精确方法。
这种方法是将平衡微分方程和塑性条件进行联解，以求出物体塑性变形时的应力分布和应变状态，进而求出变形力。
在联解过程中，积分常数根据自由表面和接触表面上的边界条件确定。
必要时还须利用应力与应变的关系式和变形连续方程。
在一般情况下，共有16个未知数，需联列求解16个方程。
但实际上同时联立求解16个微分方程是相当困难的，通常只能求解一些简单的二维问题。
为此，不少学者在如何简化求解方面作了各种努力，导出了许多近似的求解方程和实验计算法（如主应力法[20-21]滑移线法、变形功法[22-23]和极限分析
法[24-25]等）。
1.3.3数值模拟法
在工程技术领域内，对于力学问题或其他场问题，已经得到了基本微分方程和相
应的边界条件。
一般说来，微分方程的边值问题只是在方程的性质比较简单，问题的求解域的几何形状十分规则的情况下，或是对问题进行充分简化的情况下，才能求得解析解。
而实际的材料成形问题求解域往往是十分复杂的，而且场方程往往相互祸合，因此无法求得解析解，而对问题进行过多简化所得到的近似解可能误差很大，甚至是错误的。
因此，复杂工程问题的求解必须采用数值方法。
有限元法是一种新的现代数值方法。
它将连续的求解域离散为有限个单元组成的组合体。
这样的组合体能用来模拟和逼近求解域。
有限元法另一重要步骤是利用在每一单元内假设的近似函数来表示全求解域上未知场函数。
单元的近似函数通常由未知场函数在各个单元节点上的函数值以及单元插值函数表达。
因此，在一个问题的有限元分析中，未知场函数的节点值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题化为离散的有限自由度问题。
一经求出这些节点未知量，就可以利用插值函数确定单元组合体上的场函数。
显然，随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小，解答的近似程度将不断改进。
如果单元满足收敛条件，得到的近似解最后将收敛于精确解[26-27]。
有限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。
在应用有限元法分析问题时，首先采用“化整为零”的办法，将连续体分解为有限个性态比较简单的“单元”，对这些单元分别进行分析;
然后采用“积零为整”的办法，将各单元重新组合为原来的连续体的简化了的模型，通过求解这个模型（例如位移）在若干离散点上的数值解;
最后，根据得到的数值解再回到各个单元中计算其他物理量（例如应变、应力）[28]。
有限元法起源于20世纪40年代提出的结构力学中的矩阵算法。
它起初是作为一种力学分析的数值计算方法，后来发展成为求解偏微分方程边值、初值问题的一种一般的离散化方法。
有限元法是目前进行非线性分析的最强有力的工具[29-30]。
在工程实际问题的分析、解决中，有限元法将发挥着其日益重要的作用[31-32]。
在塑性成形过程的有限元模拟中，根据材料本构关系的不同可将有限元法分为小变形弹塑性有限法、有限应变弹塑性有限方法、刚塑有限元法和弹塑性有限元法[33]。
1.4课题来源和研究意义
1.4.1课题来源
前已述及，翻边是拉伸类冲压成形的基本工序之一，在生产实际中，有很多要用到翻边工艺方法制造的零件。
然而，现今的研究中，关于翻边工艺方面的研究相对比较少，与翻边有关的文献资料更为有限。
因此，有必要对翻边工艺进行更多、更全面和更深入的研究。
本课题的研究内容和方向就是在翻边的发展历史和研究现状的基础上，针对在翻边工艺中研究不够深入全面的地方，或者说比较薄弱的地方而提出的。
本课题来源是导师研究课题，也是江西省“十五”重点学科建设项目—材料加工工程建设项目的内容之一。
涉及内容主要有翻边变形中材料厚度变薄规律、冷变形硬化规律、基于Pro/E模型分析的翻边预加工小孔孔径的设计计算以及开口翻边工艺研究等。
这些问题中有的内容前人己有了一定的研究但不够深入，有的内容甚至属于空白。
因此，探讨和研究这些内容都是具有较大的理论价值和实践意义，这些内容的预期研究结果必将对翻边工艺乃至冲压工艺理论的完善和对冲压实践水平的提高产生积极的影响[34-36]。
1.4.2研究意义
传统的外缘翻边成形坯料的确定主要依赖于经验和直觉，诸多因素是通过生产的多次反复试验来调整的，结果很难达到现代生产的要求，产品的质量也不易保证。
随着计算机技术的不断进步以及有限元技术的不断发展。
近年来发展了采用有限元法对板材成形过程进行计算机模拟和分析的新技术，在工程实际中得到迅速地应用和发展。
近年来，在板料冲压成形的相关行业中，采用各种仿真软件进行外缘翻边成形的坯料求解和优化，有着极为广泛的应用，这些表明：
借助于国内外成熟的有限元模拟软件与试验结合进行技术研究在技术和方法上是可行的[37-38]。
1.4.3研究内容
本课题首先系统地归纳和总结了冲压成形中主要的模拟方法，并以典型的外缘翻边件为研究对象，进行模拟比较，分析坯料相关的因素，总结出坯料求解与成形结果之间的关系；
从而优化相关参数，改进成形的工艺，使实际生产中成形可能出现的问题在成形前得到预测并给予解决，继而推广到其它零件，给类似的外缘翻边成形提供有价值的参考。
本课题以翻边成形中的坯料变形和工艺参数影响为研究对象，主要研究内容如下：
1外缘翻边零件的坯料研究。
通过数值模拟软件Dynaform对坯料的相关因素进行分析，从模拟结果总结出规律，并进行坯料优化。
2坯料变形过程中的FLD图分析和厚度变形图分析。
3坯料形状、内孔半径和凹模圆角等工艺参数对变形结果的影响。
本章小结
本章主要叙述了外缘翻边的基本原理和特点，基于此基础上提出本课题的研究，概述了当前外缘翻边的国内外现状确定了本文的主要研究内容。
2计算机模拟与DYNAFORM软件
2.1计算机模拟方法
众所周知，传统的模具设计方法在很大程度上依赖于设计者的经验和技巧。
模具设计费时、加工周期长，对设计中产生的问题只能靠试模后的修正，返工率高且花费较大。
近年来，随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对材料成形过程物理规律研究的深入，材料成形过程计算机模拟技术取得了很大的进展。
在冲模的设计与制造中，引进CA工〕/CAM技术，可以减少冲模设计中繁重的劳动，使复杂的计算能够自动化及优化，把数控加工和设计构形紧密联为一体，缩短了制造周期。
数值模拟即是通过数值计算得到用微分方程边值问题来描述的具体材料成形问题中制件和模具的速度场（位移场）、应变场、应力场、温度场等等，据此预测制件组织性能的变化以及可能出现的缺陷。
模拟式设计是对冲压变形过程进行描述，并在计算机图形终端上显示，以揭示金属变形规律，研究各工艺参数对成形过程的影响，利用计算机图形技术可将冲压成形过程、应力-应变分布、载荷一行程曲线等显示在屏幕上，直观地、动态地呈现在研究设计人员面前。
这样，设计者在制模、组装、试模以前，能通过这个虚拟的材料加工过程检验制件的最终形状、尺寸、性能等是否符合设计要求，并可以在计算机上对一些工艺条件，如变形速度、毛坯尺寸、模具形状等进行反复调整与修改，也有助于正确选用设备和模具材料。
正因为模拟方法的这些种种优点，如今以模拟式设计方法代替传统的经验式设计方法，已成为国际上成形工艺及模具设计发展的一个新方向。
计算机辅助设计，主要用于降低设计劳动量和方便数控加工。
二十世纪中后期，国外一些公司研制的用于冲压成形过程分析、冲模设计、制造、分析的软件相继进入市场，如ABAQUS,DYNAFORM,AUTOFORM以及Pro/E等。
采用这些软件的主要目的是:
优化设计过程，缩短模具设计和制造周期;
通过各种力学模拟，提高冲压件质量等。
最终目的是建立塑性变形理论基础上的分析设计系统。
塑性成形过程模拟（CAE）与塑性成形工艺及模具计算机辅助设计（CAD）技术的集成，与可视化技术和人工智能的结合，将形成一种方便高效的智能化设计和研究手段。
它不仅能用于检验和优化设计，也可用于探索新的塑形成性工艺和材料。
采用计算机软件来模拟冲压变形过程，例如在计算机上首先根据经验准则设计冲压毛坯，然后通过计算机模拟在冲压模具上“冲压”这个被假设的“冲压毛坯”。
这个“试冲”的结果也可以在计算机图形终端上显示出来。
如果模拟结果表明被选择的冲压毛坯形状尺寸不能满足冲压产品的设计要求，例如，翻边时所得零件高度达不到翻边件的设计要求:
或者在成形过程中有冲压缺陷产生，那么就可以修改“冲压毛坯”形状尺寸和采用必要的工艺措施，然后重复在计算机上模拟及“试冲气。
计算机模拟现已广泛的应用于生产实际中，已被实践验证其可靠性、正确性，发挥着越来越重要的作用。
2.2数值模拟软件DYNAFORM的介绍
2.2.1DYNAFORM软件简介
DYNAFORM软件是美国ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板料成形数值模拟的专用软件，是LS-DYNA求解器与ETA/FEMB前后处理器的完美结合，是当今流行的板料成形与模具设计的CAE工具之一。
在其前处理器（Preprocessor）上可以完成产品仿真模型的生成和输入文件的准备工作。
求解器（LS-DYNA）采用的是世界上最著名的通用显示动力为主、隐式为辅的有限元分析程序，能够真实模拟板料成形中各种复杂问题。
后处理器（Postprocessor）通过CAD技术生成形象的图形输出，可以直观的动态显示各种分析结果。
Dynaform软件基于有限元方法建立,被用于模拟钣金成形工艺。
Dynaform软件包含BSE、DFE、Formability三个大模块，几乎涵盖冲压模模面设计的所有要素，包括：
定最佳冲压方向、坯料的设计、工艺补充面的设计、拉延筋的设计、凸凹模圆角设计、冲压速度的设置、压边力的设计、摩擦系数、切边线的求解、压力机吨位等。
Dynaform软件可应用于不同的领域，汽车、航空航天、家电、厨房卫生等行业。
可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹、成形刚度、表面质量，评估板料的成形性能，从而为板成形工艺及模具设计提供帮助。
2.2.2DYNAFORM的主要特色
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
2.2.3DYNAFORM的功能介绍
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%！
初始板料网格自动生成器，可以根据模具最小圆角尺寸自动确定最佳的板料网格尺寸，并尽量采用四边形单元，以确保计算的准确性。
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。
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。
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。
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
2.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。
3.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
●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。
2.2.4DYNAFORM软件在板料成形过程中的分析流程
在应用DYNAFORM软件分析板料成型过程时包括三个基本部分，即建立计算模型、求解和分析计算结果，其流程如图2.1所示。
图2.1DYNAFORM流程图
①直接在DYNAFORM的前处理器中建立模型，或在CAD软件（如UG、CATIA等）中根据拟定或初定的成形方案，建立板料、对应的凸模和凹模的型面模型以及压边圈等模具零件的面模型，然后存为IGES、STL或DXF等文件格式，将上述模型数据导入DYNAFORM系统。
②利用DYNAFORM软件提供的网格划分工具对板料、凸模、凹模、压边圈进行网格划分，检查并修正网格缺陷（包括单元法矢量、网格边界、负角、重叠结点和单元等）。
③定义板料、凸模、凹模和压边圈的属性，以及相应的工艺参数（包括接触类型、摩擦系数、运动速度和压边力曲线）。
④调整板料、凸模、凹模和压边圈之间的相互位置，观察凸模和凹模之间的相对运动，以确保模具动作的正确性。
⑤设置好分析计算参数，然后启动LS-DYNA求解。
⑥将求解结果读入DYNAFORM后处理器中，以云图、等值线和动画等形式显示数值模拟结果。
⑦分析模拟结果，通过反映的变化规律找到问题的所在。
重新定义工具的形状、运动曲线，以及进一步设置毛坯尺寸，变化压边力的大小，调整工具移动速度和位移等，重新运算直至得到满意的结果。
本章主要介绍了DYNAFORM的基本功能以及特点，了解了为什么要用DYNAFORM进行数值模拟分析及它的分析过程。
3外缘翻边的数值模拟的基本步骤
3.1数据库操作
⑴导入模型
启动eta/DYNAFORM,选择菜单File-Import，将上面所建立的“*.igs”模型文件导入到数据库中，如图3.1所示。
图3.1导入模型
⑵编辑数据库中的零件层
选择菜单Parts-Edit，显示出编辑零件层的对话框。
如图3.2所示。
所有的已经定义的零件层都显示在列表中，零件层用名字和识别号标示出来。
可以改变零件层的名字和标识号，同时，也可以从数据库中删除零件层。
编辑修改各零件层的名称、编号（注意编号不能重复）和颜色，将毛坯层命名为BLANK，将凸模命名为PUNCH，将压边圈命名为BINDER，凹模命名为DIE，单击OK按钮确定。
图3.2编辑零件层的对话框图3.3Element工具栏
⑶工具网格划分
设定当前零件层为PUNCH层，选择Preprocesss中的Element菜单项，弹出如图3.3所示的Element工具栏。
单击图中的SurfaceMesh按钮，弹出如图3.4所示的SurfaceMesh对话框，设定MAX.Size（最大单元值为1），其他各项采用默认值。
单击SelectSurfaces按钮，选择需要划分的曲面，分别如图3.5和图3.6所示，最后得到的单元网格如图3.7所示。
⑷网格检查
为了防止划分所得到的网格存在一些影响分析结果的潜在缺陷，需要对得到的网格单元进行检查。
选择Preprocess中ModelCheck/Repair选项，弹出如图3.8所示ModelCheck/Repair对话框，最常用的检查为以下两
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