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矩形水槽有限元分析与研究毕业设计论文

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

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的圆筒形件的成形极限。

（3）剪应力形成的弯矩引起变形区平面内的弯曲变形，从而使变形区变得相当复杂。

板平面内的弯曲变形使变形区直边处外缘和圆角处内缘形成起皱的危险区，同时还可能引起矩形件壁裂的产生[11-13]。

2.3影响矩形水槽冲压成形的因素

影响矩形件冲压质量因素非常多，如毛坯参数、模具参数、板材参数、工艺条件（如压边力、冲压速度、模具和板料的润滑条件等）等等。

本文主要研究冲压速度、压边力、模具参数对成形结果的影响[14-16]。

（1）冲压速度

冲压速度与冲压过程有着十分密切的关系，冲压速度的大小直接影响冲压产品的的成形智力。

其中当速度过大时,在变形过程起皱的趋势降低；速度过小时，起皱就会明显增加。

（2）压边力

零件拉深中的主要缺陷为起皱和开裂，压边力过小，矩形件的法兰变形区部分的材料容易失稳起皱，压边力过大，矩形件的斜坡过度区材料流动困难，容易拉裂。

当模具基本确定时，先粗选压边力，然后对成形过程进行数值模拟。

矩形水槽冲压成形过程中由于板料存在厚度差,整体压边圈难以满足压边要求。

由于在模拟中发现改变压边力不能解决矩形水槽边沿部分的起皱，解决这样的问题要使用不同的压边力，所以运用分块压边圈的方式来使矩形水槽的冲压成形优化。

分块压边圈比整块压边圈能使矩形件获得更好的成形深度,板料的减薄情况得到改善；可以通过调整压边力组合工艺参数的方法使矩形水槽获得更好的成形性能，研究为提高矩形水槽的成形性能以及分块压边圈在矩形水槽板冲压成形中的应用提供了指导。

（3）模具参数

当凹模圆角半径过小时，拉伸毛坯的直壁部分与底部过渡区的弯曲变形加大，使危险断面的强度受到削弱，毛坯侧壁传力区的拉应力相应增大，这样会使拉伸系数增大，板料的变形阻力增加，从而引起总的拉伸力增加、成形件出现开裂和模具寿命降低；若凹模的圆角半径过大，板料的变形阻力小，金属的流动性好，但也会减小压边的有效面积，使制件容易起皱。

2.4本章小结

本章首先介绍了矩形水槽件冲压成形的基本理论，分析了矩形水槽的变形特点，并在此基础上找出了影响其冲压成形的因素及本文要研究的主要因素，为第四章矩形水槽压成形的仿真分析与优化奠定了理论基础。

3基于有限元的矩形水槽拉深成形建模与仿真

本课题选用非线性有限元理论和钣金成形非线性有限元分析软件Dynaform对矩形水槽的加工方法——拉深成形过程进行动态模拟。

通过计算，可以观察板料在拉深成形过程中的变形状态、应力应变分布和壁厚变化，预知可能在何处出现起皱、变薄和开裂等现象，并通过修改必要的参数来防止上述现象的出现，最终获得动态模拟所需的部分工艺参数，例如压边力、模具圆角半径等，以保证实际生产的可靠性[17-19]。

3.1Dynaform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，能够真是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。

本文选用Dynaform来对矩形件的冲压成形进行仿真研究，因为Dynaform作为板料冲压成形的专用软件，和其他几个比较流行的软件相比，无论在易操作性、前处理、后处理和模拟的准确性上都具有很大的优势，主要表现在以下几个方面[20-22]：

（1）Dynaform具有功能丰富的前处理器。

它具有强大的图形文件导入功能，能够方便而无数据丢失地读入IGES格式文件以及UG、Pro/E、Catia等主流CAD软件的图形文件，同时用户也可以在Dynaform中很方便地创建点、线、面等几何模型。

（2）Dynaform的求解器采用了业界非常著名的非线性动力显式有限元软件Ls-dyna。

Ls-dyna是采用显隐结合的算法进行板料成形模拟的最具有代表性的软件，计算稳定，效率高，模拟结果准确性很好。

虽然Ls-dyna也能够进行仿真，但是其材料库相对Dynaform而言就有一些欠缺，软件的易操作性也较差。

（3）Dynaform具有强大的后处理功能。

Eta-Post是ETA公司开发的一款专门针对Dynaform的后处理软件，它可以方便用户直观地得到求解结果。

在Eta-Post中新增加的GRAPH模块中，用户可以利用曲线图表功能来显示拉深过程中各种参数随时间变化的曲线。

（4）支持从个人机、工作站到巨型机的所有硬件平台。

可兼容个人机、工作站、大型机及巨型机等硬件平台上的全部数据文件。

在个人机、工作站、大型机及巨型机等硬件平台上具有统一的用户界面。

可与大多数的CAD软件集成并有接口。

具有智能网格划分，良好的用户开发环境。

3.2基于Dynaform的矩形水槽冲压成形模拟的流程

对矩形冲压成形进行仿真，主要包括两个步骤：

（1）建立矩形水槽冲压模具模型，可以用3D软件Pro/E建立矩形水彩与模具的曲面模型，再以一定的数据格式（如IGES等）将零件导入仿真软件。

（2）在建立好的模型的基础上建立有限元模型，进行有限元的前处理、有限元分析和仿真结果分析。

在Dynaform对矩形水槽成形过程有限元仿真的具体操作步骤如图3.1所示[22-25]。

图3.1在Dynaform中对矩形水槽冲压成形仿真流程图

3.3矩形件成形仿真

本课题研究矩形件的冲压成形性能和规律，矩形件是最常见的几何形状相对比较规则、应用比较广泛的一类冲压件，在非轴对称件中具有一定的代表性。

矩形件也是薄板金属冲压件中较难成形的一类零件，矩形件由于含有直边区和圆角区的缘故，变形区内各处毛坯变形大小的分布是不均匀。

因此，研究矩形水槽的冲压成形性能对以后复杂矩形件的研究有着一定的指导意义。

考虑到冲压件受工件几何参数、模具几何参数、材料性能、材料厚度、冲压力、拉深极限、变压边力等因素的影响，因此要获得良好的试验效果，首先应建立合理工艺模型，步骤如下：

3.3.1模具几何模型及材料模型的建立

在PRO/E中建立凸模、凹模、板料的模型，在草绘状态下绘制凸模（如图3.1）、凹模（如图3.2）、板料的尺寸（如图3.3）。

对于凸模和凹模草绘后进行拉深，拉深深度为凸模80mm，凹模100mm；对板料草绘后填充。

由于矩形件的拉深成形特点，需要绘制分块压边圈，将凹模分开（如图3.4和图3.5）。

图3.1凸模尺寸

图3.2凹模尺寸

图3.3板材尺寸

图3.4分块压边圈Y1

图3.5压边圈Y2

3.3.2文件保存

对生成的实体模型保存副本，文件类型选择*igs，在输出IGES窗口，选取曲面，坐标缺省。

这样就能把相应的模型转换为*igs文件，供Dynaform调用。

同时将相应的实体模型保存以便在后面改变模具参数重新建模所用。

3.3.3模型导入和编辑

打开Dynaform软件，依次将凹模、凹模、板料、分块压边圈导入（如图3.6）。

然后编辑零件层，A对应凹模，T对应凸模，B对应板料,Y1对应分块压边圈Y1，Y2对应分块压边圈Y2，如此方便以后工作（如图3.7）。

分块压边圈Y2

分块压边圈Y1

凹模

板料

凸模

图3.6导入后的模型

图3.7编辑模具

3.3.4修剪模型

选择surface对导入的模型进行处理，删除不必要的表面。

删去相应的表面后如图3.8所示。

图3.8表面处理后的模型

3.3.5模型网格化

分别对凹模、凸模、板料和分块压边圈进行网格化，相应的单元的参数设置如图3.9和图3.10，设置最大尺寸为30.000mm，最小尺寸为0.5mm，弦高尺寸为0.150mm，角度为20.000°,间隙公差为2.500μm，忽略孔洞尺寸为0.000mm。

对板料的网格化，设置当前零件层为板料，ToolRadius为3.750000mm。

网格化后的模型如图3.11所示。

图3.9凸模、凹模、压边圈单元网格化参数图3.10板料单元网格化参数

分块压边圈Y1

分块压边圈Y2

凹模

板料

凸模

图3.11网格化后的模型

3.3.6定义板料的材料与属性和模具间距

板料的材料和属性设定，在定义毛坯里添加板料，然后进入材料库窗口选择低碳钢中DQSK，Type37所对应的材料。

如下图3.12和图3.13所示，相应的中文参数如表3.1。

图3.12板料的材料属性

表3.1材料性能参数

厚度

t/mm

宽度

L/mm

屈服极限

强度系数

K/MPa

厚向异性

指数r

应变强化

指数n

1

200

154.30

512.2

1.65

0.23

图3.13板料的属性

模具间隙的确定，首先在定义模具中，然后在用户自定义中新建用户定义工具名称，零件层中选择相应的模型件。

如图3.14所示其中a对应凹模，t对应凸模，b对应板料，y1对应分块压边圈Y1，y2对应分块压边圈Y2。

定义模具间的距离如图3.15所示，选取工具中的定位工具中移动工具，选择要移动的模具如a、t、y1、y2，在距离中输入移动距离，移动方向为Z方向。

使得t、y1、y2在Z方向移动+0.6mm，a在Z方向移动-0.6mm。

图3.14定义用户工具图3.15移动模具距离

3.3.7定义凸模的运动和压边力

在定义工具里如图3.16所示，选择用户定义工具中选中t，然后定义凸模的运动Z方向，冲压速度，冲压行程负号表示Z的负方向。

定义压边力，在y1和y2下定义载荷曲线中选择作用力，Z方向，输入不同的压边力（如图3.17和图3.18）。

图3.16凸模的运动情况图3.17作用在压边圈y1上的压边力

图3.18作用在压边圈y2上的压边力

3.3.8对模型进行有限元计算

定义完所有的参数后进行后处理，在分析中选择LS_Dyna（如图3.19），为了在后处理中能够较好的观察成形过程，一般设定STEP=20。

求解器采用FullRunDyna,求解器精度采用单精度。

同时在计算机内存较大时，为了加快运算速度，可以适当提高Dynaform运算器的内存值。

图3.19Analysis的参数设置

3.3.9后处理

在仿真结束后，可以进入Dynaform的PostProcess的后处理环境，进行一系列后处理。

（1）等值线

对单元应力和相关的结果等进行显示。

在同一等值线上是以同一颜色显示的，相应的等值线值在图形窗口右边的颜色柱显示（图3.20a）。

（2）矢量图标

将结果以矢量形式显示（图3.20b），能够对材料的流动性进行显示。

（3）成形极限图

用来评价板料的可成形性（安全和失效区域）。

图中每一点的X坐标和Y坐标代表每一单元的最大和最小应变，基于零件的可成形性分析将FLD图（forminglimitdiagram）（图3.19c）划分为7个区域，CRACK断裂区域、RISKOFCRACK断裂危险区域、SAFE安全区域、WRINKLETENDENCY起皱趋势、WARINKLE起皱、SEVEREWAINKLE严重起皱、INSUFFICIENTSTRETCH不充分拉深，每个区域用不同的颜色表示。

（4）厚度

用来模拟坯料在成形中的厚度等值线变化，以评估冲压质量。

数值的读取，根据所要的点颜色到图形右边的颜色柱找到对应颜色，所显示的数值即为所求的。

其中单位为mm（图3.19d

（a）成形等值线图（b）成形矢量图

（a）整块压边圈（b）分块压边圈方式1

（c