矩形水槽冲压成形有限元分析与研究毕业设计说明书 精品.docx

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矩形水槽冲压成形有限元分析与研究毕业设计说明书精品

毕业设计说明书（论文）中文摘要

冲压成形越来越多地应用在汽车制造业及其它工业中。

矩形件是板材成形中的一种典型件，因此研究影响矩形水槽冲压成形的各种因素是非常重要的。

本课题利用Dynaform对矩形水槽拉深进行了因素影响的有限元仿真分析。

通过改变各工艺参数，研究分析矩形件冲压成形的成形极限、板料的变薄及增厚情况，找出最优的分块压边圈方案，得出压边力、速度、凹模圆角半径、凹模转角半径等工艺参数的较优组合，可以有效地提高矩形件的冲压成形性能，为现实中零件的设计和生产提供一个可行的方案。

关键词板料成形矩形水槽有限元分析

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleFiniteElementAnalysisandResearchofRectangular

TankStamping

Abstract

Stampingisincreasinglyusedinautomobilemanufacturingandotherindustries.Rectangularpartisoneofthetypicalworkpiecesinsheetmetalformingprocess.Itisveryimportanttostudyonvariousfactorswhichaffectingstampingrectangulartank.

ThefiniteelementanalysisofthefactorwhichaffectingrectangulartankdrawingissimulatedviaDynaform.Bychangingtheprocessparameters,thedepthofforming,thechangingofthicknessandthinnessduringtheformingprocessisanalyzed.Theoptimalblocktheblankholderschemeisfounded.Asuitablecombinationoffactorswhichincludesblankholderforce,punchingspeed,thediefilletradius,thediecornerradiusisgotten.Thus，itcaneffectivelyimproveformingperformanceofrectangularpiece.Afeasibleoptionisprovidedfortherealpartofthedesignandproduction.

KeywordsSheetmetalformingRectangulartankFiniteelementanalysis

1绪论

1.1选题背景

拉深是板料冲压成形中的主要成形方式,在汽车、航空航天、石油化工等诸多等领域均有广泛的应用。

例如,汽车车身覆盖件、大油罐等的成形均采用拉深工艺。

然而,如何保证板料塑性成形零件的质量,降低废品率,减少模具的返工,缩短模具设计周期,一直是板料塑性成形领域的一大难点。

板料冲压成形是现代工业中一种十分重要的加工方法,在汽车、家用电器、仪器仪表等领域得到广泛应用。

拉深又称拉延、压延或引伸，是冲压成形技术中的一种重要工艺。

它是利用拉深模具在压力机的压力作用下，将预先剪裁或冲裁成一定形状的毛坯，控制成立体空心件的一种加工方法。

拉深件的可加工尺寸范围也是相当广泛的，从几毫米的小零件直到轮廓尺寸达2-3米的大型零件，都可以用拉深方法制成，因此在汽车、飞机、仪表、电子等工业部门以及日常生活用品的冲压生产中，拉深工艺占据相当重要的地位[1-3]。

传统的冲压工作,需要花费大量的时间进行冲压工艺计算,然后设计制造出相应的冲压模具,再试压,修正模具的工作参数。

由于数值模拟可以帮助人们预测加工结果,有助于提高生产效率,所以采用有限元法对金属塑性成形过程进行全面数值模拟,已得到该领域广大学者的普遍重视。

20世纪80年代以前,受有限元分析方法和计算机速度的限制,有限元分析主要处理小规模的线性问题。

90年代以后,有限元软件功能的逐渐完善,近年来发展起来的数值模拟技术帮助解决了冲压模拟这一塑性加工领域的难题[4-5]。

本课题即针对矩形水槽冲压成形的常见缺陷和问题，以简单的非轴对称零件——矩形零件为研究对象，首先通过文献查阅分析确定影响矩形水槽压成形主要变化因素：

压边力、分块压边圈的划分及凹模圆角、凹模转角等，继而运用Dynaform对矩形件进行简单的有限元仿真分析，找出这些因素对矩形水槽冲压成形的影响；通过调整各种参数比较得到优化的方案，为实际应用时冲出合格产品做参考。

1.2矩形件冲压成形研究现状

自英国学者AlexanderParks在1857年开发并取得铜板拉深工艺专利以来，拉深成形工艺不断取得发展和广泛应用。

在目前的理论研究中，对非轴对称拉深变形的研究成果很多，也比较成熟。

迄今为止，国内外专家学者对矩形件的研究主要集中在如下几个方面：

（1）用试验手段对矩形件法兰部分的特定部位进行应力应变解析，分析了法兰变形及直边部的变形缓和作用随形状特性的变化，并通过适当地切除板坯的角部材料或调整板坯长短边变形尺寸，研究对拉深极限的影响。

如北京理工大学的鄂大辛采用实验手段对盒形件法兰部分的特定部位进行应力应变解析，分析了法兰变形及直边部的变形缓和作用随形状特性的变化，并通过适当地切除板坯的角部材料或调整板坯长短边变形尺寸，研究对拉深极限的影响[6]；如2008年臧顺来等人对盒形件法兰起皱临界压边力影响规律研究，研究起皱是盒形件拉深成形中的主要缺陷，而压边力是控制法兰起皱的主要手段，研究了材料性能和工艺参数对盒形件拉深法兰起皱临界压边力的影响规律[7]。

（2）利用边界节点的初始速率就可确定最优毛坯的外形，如1999年上海交通大学的姚华和陈军采用神经网络技术预测毛坯外形[8]和2000年韩国学者ShimHyunbo，K.Son等人提出形状灵敏度分析方法设计非圆拉深件的最优毛坯外形[9]。

（3）在金属板材成形中，起皱预测和防止的研究一直是热点和难点所在，起皱预测的研究至今已有50多年的历史，早期通常采用解析模型研究方法，随着计算机技术的发展，有限元数值模拟在近年来成为主要研究手段。

如2000年上海交通大学的郑晓丹、汪锐、何丹农应用专家系统技术进行了盒形件拉深极限的研究，阐述了专家系统在盒形件拉深成形极限分析中的应用，论述了建立专家系统的关键技术,包括系统信息描述、知识表示方法、实例库的建立以及系统的推理结构等[10]。

1.3主要研究目标及内容

本项课题以矩形水槽为研究对象。

通过对简单的矩形水槽冲压成形进行有限元数值模拟，比较几种不同情况下矩形水槽的成形效果，得出成形效果最优的一组参数。

本课题的主要内容归纳如下：

（1）分析国内外的研究现状，确定本课题的研究内容；

（2）研究并分析矩形水槽成形理论和其成形缺陷，如起皱、破裂和为充分拉深，确定其影响因素：

压边力、模具参数等；

（3）介绍板料成形的有限元数值模拟基本理论及Dynaform软件的数值模拟过程，确定研究矩形水槽成形工艺的具体仿真试验方案；

（4）选择板料及模具的参数，使用Pro/E建立CAD模型，使用Dynaform建立冲压模具、分块压边圈和板料的有限元模型，选定合适的试验参数；

（5）对比不同的分块压边圈的成形效果，确定所采用的分块压边圈；

（6）通过改变影响一系列矩形水槽冲压成形的因素的仿真试验，比较成形性能，得出矩形水槽冲压成形的优化方案。

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矩形水槽为主要研究对象，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及缺陷，并用板料成形模拟仿真专用软件Dynaform对矩形水槽进行仿真和分析，并对矩形水槽成形的最优方案进行预测。

全文分为五章，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：

进行矩形水槽拉深过程的理论分析，并简要分析了矩形件冲压成形工艺的特点和影响矩形水槽冲压成形的因素。

第3章：

介绍了Dynaform软件以及矩形水槽冲压成形的有限元模拟的流程。

第4章：

用Dynaform对拉深成形进行模拟分析，对不同影响因素作用下的矩形水槽成形过程对其变形特点进行了仿真分析，得出矩形水槽冲压成形的优化方案。

结论：

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矩形件冲压成形工艺理论分析

在冲压生产中，拉深件种类很多，形状各异，虽然它们的冲压过程都叫拉深，但其变形区的位置、变形性质，应力应变状态及其分布等各不相同，所以工艺参数、工序数目与顺序的确定方法及模具设计原则与方法都不一样，按变形力学特点拉深件可分为桶形件（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类。

本文选取矩形水槽这一简单典型的盒形件作为拉深研究对象。

2.1矩形件冲压成形理论

矩形水槽属于低盒形件，低盒形件拉深时（图2.1）仅有微量材料冲角部转移到直边，即圆角与直角间的相互影响很小，因此可以认为直边部分只是简单的弯曲变形，毛坯按弯曲变形展开计算。

圆角部分只发生拉深变形，按圆筒拉深展开，再用光滑曲线进行修正即得毛坯。

计算步骤如下：

按弯曲计算直边部分的展开长度lo。

式中：

H——包括修边余量内的矩形件的高度，mm，rp——底部圆角半径。

把圆角部分看成是直径为2r、高为H的圆筒件，则展开的毛坯半径为：

（

）

（

）

用光滑曲线连接直边和圆角部分，即得毛坯的形状和尺寸。

具体做法是：

由BC中点作圆弧R的切线，再以R为半径作圆弧与直边和切线相切。

这时面积

拉深时圆角部分多出的面积

向直边转移以补充直边部分面积

的不足。

图2.1矩形件的毛坯确定

2.2矩形件冲压成形工艺特点

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。

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该论文已经通过答辩

矩形件是一种非旋转体零件。

矩形件零件可划分为2个长度为

和2个长度为

的直边加上4个半径为

的1/4圆筒部分。

假设4个圆角部分连接起来，把直边分开，则圆角部分的变形相当于直径为

、高为H的圆筒件的拉深，直边部分的变形相当于弯曲。

但实际上圆角部分和直边部分是联系在一起的整体，因此矩形件的拉深又不完全等同于简单的弯曲和拉深[10]。

（1）矩形件拉深成形时，零件表面网格发生了明显变化。

由此表明法兰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，从而降低了圆角部分传力区的轴向拉应力，相对提高了传力区的承载能力。

（2）矩形件拉深时，法兰变形区圆角处的拉深阻力大于直边的拉深阻力圆角处的变形程度大于直边处的变形程度。

因此，变形区内金属质点的位移量直边处大于圆角处，导致了这两处的位移速度的不同，而毛坯的这两部分又是联系在一起的整体，变形时必然相互牵制，这种位移速度差会引起剪切力，这种剪切力称为位移速度诱发剪应力。

虽然，诱发剪切力在两处交界面达到最大值，并由此向直径和圆角处的中心线逐渐减小。

圆角部分传力区内剪应力减小了，从而也相对地提高了传力区的承载能力。

由于上述原因，矩形件成形极限高于直径为2r的圆筒形