筒形件FEA分析报告概要.docx

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筒形件FEA分析报告概要

台州学院

机械工程学院

Q235钢筒形件拉深的FEA分析报告

班级xxxxxxxxx

学号xxxxxxxxxxx

名字xxxxxxx

完成日期xxxxx年xx月xx日

目录

一、问题描述1

二、FEA模型确立1

2.1模型简化与网格划分1

2.2边界和载荷条件2

2.3接触和摩擦3

2.4材料性能参数5

三、结果分析与讨论6

3.1变形机理分析6

3.2模具和工艺参数影响性分析7

3.2.1凸凹模间隙的影响7

3.2.2凸模圆角半径的影响8

3.2.3凹模圆角半径的影响9

3.2.4凸模和板料摩擦系数的影响9

3.2.5凹模和板料摩擦系数的影响10

3.2.6压边力的影响11

四、总结12

1、问题描述

如下图所示为筒形件拉深的示意图，尺寸如下图所示，凸模半径为50mm，凹模半径为51.25mm，压边圈半径为56.25mm，压边力为3000N，材料为Q235，杨氏模量为210GPa，泊松比为0.33，拉深的筒形件深度为45mm，即凸模行程向下45mm。

图1-1模型示意图

结果要求：

1.出一张变形态图

2.拉深结束应变从杯子心部到法兰边缘的分布图，说明破裂的位置。

3.模具和工艺参数影响性分析。

2、FEA模型确立

2.1模型简化与网格划分

根据几何的轴对称特性选择轴对称模型

拉深材料

对称轴

die

punch

holder

图2-1-1简化的轴对称模型

图2-1-2四边形网格划分

Punch部分划分成39个部分，其中弯曲圆角部分为15网格类型：

RAX2

Die部分划分40个部分，其中弯曲圆角部分为10网格类型：

RAX2

Holder部分划分成34个部分网格类型：

RAX2

Blank部分划分成40个部分网格类型：

CAX4R

一共划分成153个部分

2.2边界和载荷条件

边界

Step-1holderforce

Punch?

U1=0,U2=0,UR3=0固定凸模

Die?

U1=0,U2=0,UR3=0固定凹模

Holder?

U1=0,UR3=0约束压边圈x方向，y方向自由

Blank左侧对称面约束X方向，U1=0

Step-2punching

PunchU1=0,U2=-45,UR3=0凸模向下运动45mm

Step-3removedie

BlankU1=0，U2=0，U3=0,固定拉深件

Step-4springback

Blank计算回弹时右侧上点约束U1=0,U2=0,UR3=0

图2-2-1材料的边界条件

载荷

Holder加压边力，y方向加Concentrateforce,CF2=-3000N

图2-2-2材料上施加的载荷

2.3接触和摩擦

Blank和punch接触摩擦系数为0.1

图2-3-1blank和punch接触

Blank和die接触摩擦系数为0.08

图2-3-2blank和die接触

Blank和holder接触摩擦系数为0.1

图2-3-3blank和holder接触

2.4材料性能参数

材料：

Q235，杨氏模量为210GPa，泊松比为0.33，屈服强度为235MPa.

材料的真实应力应变曲线如下图所示，材料的名义屈服应力为235MPa，名义应变为0.03，从而得知真实应力为242MPa,真实应变为0.03，塑性应变为0.当材料到达屈服极限时，名义应力为400MPa，名义应变为0.15真实应力为460MPa,真实应变为0.14，塑性应变为1.

图2-4-1材料应力应变曲线

参考资料：

Ｑ２３５钢真实应力－应变曲线研究

田芳，刘财喜，刘芳，罗武，邓瑞基，陈胜铭，罗迎社

（中南林业科技大学流变力学与材料工程研究所，湖南长沙４１０００４）

图2-4-2Q235成形极限图

3、结果分析与讨论

3.1变形机理分析

拉深前后相应于筒壁部分的材料周向受到压缩变形，径向受到拉深变形，变形程度沿筒高方向增长，且圆角以上部位周向压缩变形大于径向伸长变形。

周向受压的材料向筒壁厚度和高度方向转移，越靠近口部需要转移的材料越多，故壁厚和硬度越高。

筒底圆角稍上部位的材料，拉深开始时处于凸、凹模之间，周向压缩小，需要转移的材料少，变形硬化程度低，又受不到凸模圆角处的有益摩擦作用，故成为筒壁部分承载最弱的部分，该位置成为拉深断裂可能发生的危险截面。

位于凹模圆角部分的材料，周向受压，径向受拉，同时外侧还受到凹模圆角的顶压作用，沿厚向产生压应力，该区径向拉应力大于周向压应力，当坯料流过凹模圆角时，同时受到摩擦、弯曲和拉直作用，容易发生起皱现象。

如下图所示：

容易起皱位置

危险截面容易拉裂位置

图3-1-1材料变形应力分布图

3.2模具和工艺参数影响性分析

3.2.1凸凹模间隙的影响

凸凹模间隙是拉深模的重要参数，可以从下表中看到，间隙过小时，最小壁厚最小，容易在危险断面破裂。

间隙过大时，最小壁厚较大，拉深时对工件的校直作用小，影响零件的尺寸精度。

影响因素

结果

凸凹模间隙

凸模圆角半径

凹模圆角半径

凸模和板料摩擦系数

凹模和板料摩擦系数

压边力

最小壁厚

最大应力

最大应变

周向压应变

径向拉应变

起皱风险

1.25

13

5

0.1

0.08

3000

0.904715

330.201

0.493

0.275

0.377

无

1.2

13

5

0.1

0.08

3000

0.905547

332.414

0.499

0.273

0.38

无

1.15

13

5

0.1

0.08

3000

0.9044482

324.28

0.504

0.273

0.382

无

1.1

13

5

0.1

0.08

3000

0.900497

320.503

0.51

0.273

0.386

无

1.05

13

5

0.1

0.08

3000

0.897396

332.758

0.521

0.274

0.393

无

表3-2-1凸凹模间隙的影响

图3-2-1凸凹模间隙对起皱的影响

3.2.2凸模圆角半径的影响

凸模圆角半径过小时，会使危险断面附近过度变薄，从而降低了最大承载能力，发生断裂。

影响因素

结果

凸凹模间隙

凸模圆角半径

凹模圆角半径

凸模和板料摩擦系数

凹模和板料摩擦系数

压边力

最小壁厚

最大应力

最大应变

周向压应变

径向拉应变

起皱风险

1.25

8

5

0.1

0.08

3000

0.898863

345.671

0.511

0.278

0.385

无

1.25

13

5

0.1

0.08

3000

0.904715

330.201

0.493

0.275

0.377

无

1.25

18

5

0.1

0.08

3000

0.917544

338.289

0.466

0.273

0.368

无

1.25

23

5

0.1

0.08

3000

0.920613

335.904

0.442

0.268

0.354

无

1.25

28

5

0.1

0.08

3000

0.924686

313.618

0.413

0.249

0.337

无

表3-2-2凸模圆角半径隙的影响

图3-2-2凸模圆角对起皱的影响

3.2.3凹模圆角半径的影响

凹模圆角半径过小时，会增加滑动阻力以及弯曲和反弯曲力，从而提高拉深力，引起工件壁部变薄，降低极限变形能力。

凹模圆角半径过大时，会减小有效压边面积，使工件加工精度不高。

影响因素

结果

凸凹模间隙

凸模圆角半径

凹模圆角半径

凸模和板料摩擦系数

凹模和板料摩擦系数

压边力

最小壁厚

最大应力

最大应变

周向压应变

径向拉应变

起皱风险

1.25

13

5

0.1

0.08

3000

0.904715

330.201

0.493

0.275

0.377

无

1.25

13

8

0.1

0.08

3000

0.943696

293.933

0.443

0.264

0.342

无

1.25

13

10

0.1

0.08

3000

0.934329

242.619

0.426

0.25

0.333

无

1.25

13

13

0.1

0.08

3000

0.943816

241.496

0.414

0.236

0.321

无

表3-2-3凹模圆角半径的影响

图3-2-3凹模圆角半径对起皱的影响

3.2.4凸模和板料摩擦系数的影响

当凸模和板料摩擦系数变大时，危险截面变大，容易发生拉裂。

影响因素

结果

凸凹模间隙

凸模圆角半径

凹模圆角半径

凸模和板料摩擦系数

凹模和板料摩擦系数

压边力

最小壁厚

最大应力

最大应变

周向压应变

径向拉应变

起皱风险

1.25

13

5

0.08

0.08

3000

0.902952

334.039

0.493

0.274

0.377

无

1.25

13

5

0.1

0.08

3000

0.904715

330.201

0.493

0.275

0.377

无

1.25

13

5

0.12

0.08

3000

0.903235

331.522

0.493

0.275

0.378

无

1.25

13

5

0.14

0.08

3000

0.902883

328.556

0.492

0.275

0.377

无

1.25

13

5

0.16

0.08

3000

0.904721

330.396

0.492

0.275

0.377

无

表3-2-4凸模和板料摩擦系数的影响

图3-2-4凸模摩擦系数对起皱的影响

3.2.5凹模和板料摩擦系数的影响

凹模和板料摩擦系数增大时，危险断裂截面变小，容易发生拉裂。

同时存在起皱的倾向。

影响因素

结果

凸凹模间隙

凸模圆角半径

凹模圆角半径

凸模和板料摩擦系数

凹模和板料摩擦系数

压边力

最小壁厚

最大应力

最大应变

周向压应变

径向拉应变

起皱风险

1.25

13

5

0.1

0.08

3000

0.904715

330.201

0.493

0.275

0.377

无

1.25

13

5

0.1

0.1

3000

0.902166

331.85

0.493

0.274

0.378

无

1.25

13

5

0.1

0.12

3000

0.901037

330.456

0.494

0.273

0.379

无

1.25

13

5

0.1

0.14

3000

0.899366

333.522

0.495

0.272

0.38

无

1.25

13

5

0.1

0.16

3000

0.896991

330.24

0.494

0.271

0.381

无

表3-2-5凹模和板料摩擦系数的影响

图3-2-5凹模摩擦系数对起皱的影响

3.2.6压边力的影响

增大压边力，提高了凸缘的流动阻力，使拉深力增大。

但是过大的压边力可能导致危险截面拉裂。

影响因素

结果

凸凹模间隙

凸模圆角半径

凹模圆角半径

凸模和板料摩擦系数

凹模和板料摩擦系数

压边力

最小壁厚

最大应力

最大应变

周向压应变

径向拉应变

起皱风险

1.25

13

5

0.1

0.08

1000

0.962886

341.48

0.449

0.246

0.324

无

1.25

13

5

0.1

0.08

1500

0.963515

341.399

0.448

0.246

0.324

无

1.25

13

5

0.1

0.08

2000

0.906292

333.273

0.492

0.274

0.377

无

1.25

13

5

0.1

0.08

2500

0.905424

329.76

0.492

0.274

0.377

无

1.25

13

5

0.1

0.08

3000

0.904715

330.201

0.493

0.275

0.377

无

图3-2-6压应力对起皱的影响

4、总结

基于FEA分析可以得出，拉深前后相应于筒壁部分的材料周向受到压缩变形，径向受到拉深变形，变形程度沿筒高方向增长，且圆角以上部位周向压缩变形大于径向伸长变形。

周向受压的材料向筒壁厚度和高度方向转移，越靠近口部需要转移的材料越多，故壁厚和硬度越高。

筒底圆角稍上部位的材料，拉深开始时处于凸、凹模之间，周向压缩小，需要转移的材料少，变形硬化程度低，又受不到凸模圆角处的有益摩擦作用，成为拉深断裂可能发生的危险截面。

位于凹模圆角部分的材料，周向受压，径向受拉，同时外侧还受到凹模圆角的顶压作用，沿厚向产生压应力，该区径向拉应力大于周向压应力，当坯料流过凹模圆角时，同时受到摩擦、弯曲和拉直作用，容易发生起皱现象。

在拉深过程中：

1、在拉深过程中，凸模圆角过渡区存在危险断裂截面，凹模圆角过渡区容易发生起皱现象

2、凸模的圆角半径影响较小，凹模圆角半径影响较大

3、凸凹模间隙值应取的适宜，不易过大或过小

4、凸模与板料的摩擦系数越小越好

5、压边力要取得适宜。

过大会会拉裂，过小会起皱。