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1、cae课程设计报告 练习参考学号分析参数编号课程设计成绩课 程 设 计 报 告课程名称 材料成形cae 课题名称 拉深成形仿真模拟 专 业 材料成型及控制工程 班 级 1191班 学 号 22 姓 名 徐昊 指导教师 陈国强老师 陶友瑞老师 2014 年 1 月 2 日一课程设计任务及要求4二构思和准备52.1模具毛柸的建模和导入62.2网格处理72.2.1毛坯网格划分72.2.2模具的网格划分82.3材料参数82.4拉深过程数值模拟10三网格划分对分析结果的影响143.1单元网格划分对求解精度的影响分析153.2单元网格质量的评价153.3检测有限元求解精度的方法163.3.1结果比较法17

2、3.3.2网格加密法173.4网格划分试验173.4.1第一次试验：毛坯网格大小15.0173.4.2第二次试验：毛坯网格大小10203.4.2第三次试验：毛坯网格大小6223.5试验结论24四 压边圈对分析结果的影响254.1起皱和压边圈的作用254.2第一次试验：有压边圈264.3第二次试验：无压边圈284.4结论分析30五不同压边力模拟分析及最优压边力315.1 压边力对拉深成形的影响.315.1.1压边力对起皱的影响315.1.2压边力对厚度的影响315.1.3压边力的理论值315.2不同压边力的模拟实验335.2.1几种典型缺陷情况模拟335.2.2几种典型缺陷情况分析365.3结果

3、数据统计分析37六总结406.1设计内容总结406.2心得体会40一课程设计任务及要求：已知拉深件零件图和零件几何参数如下图一和表1所示：图一 拉深件零件图表1 拉深件几何参数参数编号DdhtB-1150100201.2A-2155105211.2B-3160110221.2A-4165115231.2B-5170120241.2A-6175125251.2B-7180130261.2A-8185135271.2B-9190140281.2A-10195145291.2B-11200150301.5A-12205155311.5B-13210160321.5A-14215165331.5B-1

4、5220170341.5A-16225175351.5B-17230180361.5A-18235185371.5B-19240190381.5A-20245195391.5B-21250200402.0A-22255205412.0B-23260210422.0A-24265215432.0B-25270220442.0A-26275225452.0B-27280230462.0A-28285235472.0B-29290240482.0A-30295245492.0材料为低碳钢（mild steel）“DQSK”，材料类型为36。利用DYNAFORM软件对拉深成形过程进行计算机仿真分析，完

5、成以下任务与要求：1、毛坯尺寸及形状确定；2、拉深成形工艺分析3、拉深过程模拟；4、拉深参数（拉伸速度、摩擦系数、模具凹模圆角半径R1、R2、压边力）对成形过程和质量的影响规律分析；5、应力、应变分布、厚度分布；6、依据成形极限图分析零件起皱和开裂的趋势；7、确定最佳成形工艺参数；8、提交纸质课程设计分析报告（不少于15页），并提交一张所有分析电子文档的刻录光盘，用资料袋装订；二构思和准备在板料拉深成形过程中，影响板料成形质量的影响因素有很多，其中诸如拉深模具参数、压边力的大小、凹凸模圆角半径、材料性能、润滑条件和材料形状、大小和厚度等等都是板料拉深成形过程中重要的影响因素。在这些因素当中，压

6、边力的大小对板料冲压成形质量影响最为明显，而且以上这些影响因数中最容易调节和控制的也是压边力的大小。板料拉深成形过程中的最主要的缺陷就是拉裂和起皱。为了防止发生起皱，一般都采用压边圈装置和较大一些的压边力。但是，较大的压边力尽管可以起到防止起皱的目的，但较大的压边力同时又可能会引起拉裂。以往模具设计中，通常就是依靠经验设置一个压边力来试冲，再根据零件冲压出来的结果来调整压边力大小，有时试冲很多次都不能找到一个使零件既不拉裂也不产生起皱的最优压边力，不仅造成材料的浪费，也增加了产品研发与模具的制造周期。随着计算机仿真技术在钣金冲压成形中的应用，这一难题得到了有效的解决。为了更加直观地观察和研究拉

7、深成形过程中材料的变化(拉裂、起皱、变薄等)、应力应变分布及方向和压边力对成形缺陷的影响。本文通过Dynaform软件来对典型圆筒件拉深过程进行计算机仿真模拟，将仿真结果进行分析。此次拉深模拟选择了厚度t=2mm的钢板。凸模在上，凹模在下，凹模外围为压边圈。凸模直径205mm，圆角半径6mm。凸凹模的单边间隙Z=2mm。则凹模直径213mm，圆角半径12mm，拉深用毛坯为R=320mm圆形毛坯。考虑到要和数值模拟结果对比分析，我们采用结果比较法，即其他参数一样，只有一个变量。网格采用15mm为间隔划分网格。2.1模具毛柸的建模和导入建模选用UG软件进行分析前的三维建模。建模如图2-1所示。在U

8、G中建模(包括凸凹模，板料和压边圈)后，以IGS格式导出,在Dynaform中，新建一个数据库，导入之前在UG中建立的凸、凹模的模型，如图2-2所示。图2-1 模具与毛柸模型图2-2 导入模型2.2网格处理由于板料成形的过程很复杂，其成形过程模拟就至关重要了，对有限元分析精度和有限元网格的质量的要求就更高了。网格的疏密将直接影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来说，随着网格数量的增加，计算精度会有所提高，但同时计算量也会增加即计算时间也相应的增加了，所以在确定网格疏密度时应综合这两个因素。此次模拟的零件相对简单，网格选为较小的密度，凸模圆角处和边缘处最容易出现缺陷，所以此处网格的密度就要适

9、当加大，以保证能够准确地模拟出拉深成形过程及结果。Dynaform带有自动网格划分功能，模拟过程直接采用默认形式即可。2.2.1毛坯网格划分通过UG导入的模具及毛坯模型，在毛坯上选取一个面用板坯生成器划分毛坯网格，如图2-3所示。图2-3 毛坯网格划分2.2.2模具的网格划分通过曲面网格划分命令，创建单元的方式生成模具的网格划分，包括凸模、凹模和压边圈，网格划分参数采用默认值最大尺寸值修改为10.0mm，如图2-4所示。 图2-4 模具网格划分2.3材料参数在用Dynaform进行数值模拟时，材料参数是很重要的，直接关系到模拟结果是否符合真实的结果，本设计中给定材料为低碳钢（mild stee

10、l）“DQSK”，材料类型为36，如图2-5所示。以及CQ的T36的FLD曲线图，如图2-6所示。 图2-5 材料性能参数图2-6 材料的FLD曲线图2.4拉深过程数值模拟保存数据库，然后打开文件。选择菜单ToolsAnalysis setup。选择单位系统。缺省的单位为MM(毫米)，KG（千克），KN（千牛），和MSEC（秒）。选择好单位后选择setup菜单下面的AutoSetup子菜单进入自动设置。在自动设置中设置单元的物理偏置、接触配置、定义毛坯和工具等。在自动设置中模拟类型选择Sheet forming，料厚选择2mm，工艺类型选择Single action，工具参考面选择凹模/凸模，

11、如图2-7所示。然后定义毛坯及毛坯材料，如图2-9所示。定义板料对称面，如图2-8所示。定义工具，如图2-10所示。最后预览拉深过程，检查是否与实际符合，如图2-11所示。图2-7 自动设置图2-8 对称面的定义图2-9 毛坯及材料的定义图2-10 工具的定义 凸模与板料接触前工序定义 凸模与板料接触后工序定义图2-11 拉深预览检查无误。提交任务，运行LS-Dyna由计算机运算得出后处理的d3plot文件，如图2-12所示。图2-12 运算图三网格划分对分析结果的影响有限单元法（finite element method）是一种高效能、常用的计算方法。有限元法的基本思想是把一个连续体离散成有

12、限个单元的组合体,对通过节点连接的单元进行单元分析。从数学的角度来分析有限元法，有限元法是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示并利用计算机求解的一种数值分析方法。它的分析过程可以分为前处理、任务提交与计算及后处理三个阶段。其中，根据零件实际形状和实际条件建立有限元分析的计算模型，为有限元数值模拟提供必要的原始数据，是整个有限元模拟分析过程的关键。由于零件结构形状和钣金冲压成形的复杂性，要建立一个符合实际情况的有限元模型需要考虑多种因素，而且数据的误差也将直接影响计算结果的准确性。对于有限元这样一种数值分析方法，在单元形状确定之后，当单元网格划分越来越细

13、时，模拟的精度就越高。增加网格数量和密度，计算精度一般也会随之提高。但是，如果只顾着增加网格疏密度提高精度，这将会增加网格划分的时间以及运算时间。所以，在实际运用中，用多少的网格疏密度既能保证精度又不至于耗费太长的计算时间也是一个难题。本次通过对不同网格疏密度进行分析比较，确定出最优的网格疏密度，希望能为提高有限元求解精度及求解时间提供参考。3.1单元网格划分对求解精度的影响分析单元网格的质量和数量对求解精度和求解过程影响比较大，如果结构单元由正方形、等边三角形、立方六面体、正四面体等单元构成，则求解的精度非常接近于实际值，但是这种理想情况是在实际操作中很难做到。必须根据零件以及模具的不同形状

14、及特征，设计不同形状、不同种类、不同大小的网格，才能确保有限元分析的准确性，有效地改善单元网格的质量和求解精度。因此，判断一个有限元网格的好坏，应当从选择单元类型、单元网格划分的数量、网格疏密度及网格质量几方面考虑。3.2单元网格质量的评价我们说了那么多单元网格划分对分析精度以及求解精度的影响。那么一个高质量的单元网格是怎么样的呢，应当符合什么样的标准呢。一个高质量的单元网格应当综合计算时间、计算机容量及实际生产中的精度要求等因素，来确定单元网格的疏密度，设定合理网格疏密度。应该在应力集中区域用较密的网格，而在其它应力平缓变化的区域，则用较稀疏的网格，来减少网格的数量，缩短求解时间。另外，在采

15、用人工方法划分网格时，应注意网格的几何形状是否合理。单元网格质量评价一般注意以下几点：(1)单元的边长比。理想单元的边长比为1。对于同样形状的单元，线性单元对边长比的敏感性比高阶单元的敏感性高，非线性分析比线性分析更敏感。(2)疏密过渡。应力、应变集中区域的网格密度应大一些，而对有限元模拟分析影响比较小的区域可采用柔性平稳过渡方法过渡到较稀疏网格。即要柔性过渡，切不可忽大忽小的刚性过渡。(3)节点和单元。在手动划分网格时，要注意消除重复的节点和单元。为了能够有效地控制单元网格的划分质量，提高分析精度和有限元求解精度，有以下几点建议供进行网格划分时参考。1) CAD软件中的实体三维建模分两种：一

16、种是基于特征的参数化建模；第二种是空间曲面的自由混合造型。现有的CAD软件实体三维建模功能已经远远超出了CAE软件。有些CAD实体三维模型对制造方面的检测来说已经具备精度要求，但是对于有限元网格划分来说却还不能够满足其要求。许多情况下，CAD实体模型包含很多设计细节，如狭窄的槽、细小的孔，甚至是实体建模过程中所形成的曲面等。这些细节往往不是根据结构要求考虑的，但是如果要保留下这些细节的话，势必会增加单元的数量，甚至会掩盖问题产生的主要原因，对分析结果造成不利的影响。因此，在将CAD实体模型导人CAE软件之前，首先应将CAD模型修改成适合CAE有限元分析的模型。如果实体模型和有限元分析的要求相差

17、太远时，也可利用CAD或者CAE软件的造型功能修正实体模型。2) 有限元分析软件（如Dynaform）的单元库中都有各种低阶次高阶次的单元。对于应力应变变化较大区域、几何尖角处，有限元分析时应尽量选择高阶次的单元，并适当的增加单元网格疏密度。这样，既保证了单元的形状，同时，又提高了求解准确性、精度。全自动划分网格时，优先考虑选用高阶单元。3) 在网格划分和初步求解时，应做到先简后繁，先粗后精。为了提高求解效率及精度，应采用对称模型或子结构，充分运用对称与重复等特征来提高求解精度和效率。随着网格划分技术越来越趋于自动化，越来越完善，自动网格划分技术得到了很大的进展。网格自动划分是在分析条件达不到

18、的低阶单元体的情况下适当的提高单元体的阶数来提高分析的效率和精度。这种良好的和有效的自动网格划分，可以使有限元分析在现有网格基础上，提高了有限元求解精度和工作效率，极大地降低劳动强度。3.3检测有限元求解精度的方法在运用有限元法解决模具设计与制造实际生产问题的过程中，以往对有限元计算结果精度和正确性的判断依据主要是设计人员的经验，如通过观察变形趋势是否符合实际生产的变形趋势，根据对该问题的认识和分析经验，确定有限元结果是否达到精度要求是否正确，等等。很明显，这种方法带有一定的主观色彩在里面。相比之下，采用结果比较法或网格加密法更科学一些。3.3.1结果比较法在进行有限元分析时，可先设置一个网格

19、疏密度进行试运算。检查并比较关键部位（如凸模圆角处和凸缘处）或应力应变集中部位的节点运算结果。如果运算出来两者的值比较接近的话，就不用重新计算直接采用就可以了。否则，应该进一步增大网格密度，重新运算。结果比较法重要的一点是只能有一个变量其他参数应都保持恒定。3.3.2网格加密法同样也是先设置一个单元网格疏密度进行试运算，然后对网格进行加密，比较这两次的运算结果。如果运算出来两者的值接近的话，则说明运算精度较好，单元网格疏密度合理。否则，则应该进一步的增大单元网格疏密度，重新运算。一般来说，对于精度较高的单元来说，用不同数量的节点，运算结果很快就会达成一致。用“网格加密法”很快就能准确的判断单元

20、网格疏密度是否合适。3.4网格划分试验3.4.1第一次试验：毛坯网格大小15.0首先导入在UG里建好的模型，保存数据库。然后对其进行网格划分，如图3-1所示。图3-1 网格划分分好的毛坯网格，如图3-2所示图3-2 毛坯网格分好网格之后就按照上一章的前处理的步骤，设置好毛坯厚度和材料，并定义且定位好工具，设置好压边力。最后就是后处理了，提交任务，完成后进入后处理ETA/POST。打开刚刚提交的任务。最终处理的成形极限图如下：图3-3 成形极限图图3-4 厚度图图3-5 主要应变图图3-6 平面应变图3.4.2第二次试验：毛坯网格大小10毛坯Blank分网后的结果如下：图3-7 毛坯分网图第二次

21、试验比第一次试验网格划分的更细，其他的设置不变。模拟的最终成形极限图如下：图3-8 成形极限图图3-9 厚度图图3-10 主要应变图图3-11 平面应变图3.4.2第三次试验：毛坯网格大小6毛坯Blank分网后的结果如下：图3-12 毛坯分网图第三次试验比第二次试验网格划分的更细，其他的设置不变。模拟的最终成形极限图如下：图3-13 成形极限图图3-14 厚度图图3-15 主要应变图图3-16 平面应变图3.5试验结论通过3次试验我们可以很直观的看到网格划分的不同对分析结果有什么影响。下面我们列表总结一下试验结论。列表如下，表3-1所示。其中毛坯指网格划分大小，单位mm表3-1 试验结论试验次

22、数试验现象计算时间1：毛坯15.0凸缘起皱严重，并且凸缘处有处毛刺约3分钟2：毛坯10.0凸缘处严重起皱消失，但还是有许多褶皱 约15分钟3：毛坯6.0没有严重起皱，凸缘处褶皱淡化了很多变得光整了25分钟当再往下划分时并不能得到有效的结果，故我们取这3次的结果来分析，我们采用结果比较法，得出最好的试验结果是第三次毛坯网格大小为6.0mm，但运算时间过长，综合网格质量评价，故我们选第二次试验的结果：毛坯网格大小为10.0mm。作为最优网格疏密度，下列试验介采用10mm的网格疏密度。四 压边圈对分析结果的影响4.1起皱和压边圈的作用拉深时凸缘变形区的材料在切向均受到切向压应力的作用，当切向压应力过

23、大，材料又较薄，切向压应力超过此时材料所能承受的临界压应力时，材料就会失稳弯曲而拱起。在凸缘变形区沿切向就会形成高低不平的褶皱，这种现象称为起皱。起皱在拉深薄料时更容易发生，而且首先凸缘的外缘开始，因此此处的切向压应力最大。变形区一旦起皱，对拉深的正常进行是非常不利的。因为毛坯起皱后，拱起的褶皱很难通过凸、凹模间隙被拉入凹模，如果强行拉入则拉应力迅速增大，容易试毛坯受过大的拉力而导致断裂报废。即使模具间隙较大，或者起皱不严重，拱起的起皱能勉强被拉进凹模内形成筒壁，皱折也会留在工件的侧壁上，从而影响零件的表面质量。同时，起皱后的材料在通过模具间隙时与凸模、凹模间的压力增加，导致与模具间的摩擦加剧

24、，磨损严重，使得模具的寿命大为降低。因此，起皱应尽量避免。拉深是否失稳，与拉深件受的压力大小和拉深件的凸缘变形区几何尺寸有关，主要决定于下列因素：（1）凸缘部分材料的相对厚度凸缘部分的相对料厚越大，即变形区较小料厚，因此抗失稳能力强，稳定性好，不易起皱。反之，材料抗纵向弯曲能力弱，容易起皱。（2）切向压应力的大小拉深时切向压应力的值取决于变形程度，变形程度越大，需要转移的剩余材料越多，加工硬化现象越严重，则切向压应力越大，就越容易起皱。（3）材料的力学性能板料的屈强比小则屈服极限小，变形区内的切向压应力也相对减小，因此板料容易起皱。当板厚向异性系数R大于1时，说明板料在宽度方向上的变形易于厚度

25、方向材料易于沿平面流动，因此不容易起皱。（4）凹模工作部分的几何形状如果不能满足上述式子的要求，就要起皱。在这种情况下，必须采取措施防止起皱发生。最简单的方法（也是实际生产中最常用的方法）是采用压边圈。加压边圈后，材料被强迫在压边圈和凹模平面间的间隙中流动，稳定性得到增加，起皱也就不容易发生。下面我们就有无压边圈来进行一次试验来分析上述结论是否正确。4.2第一次试验：有压边圈首先导入在UG里建好的模型，保存数据库。然后对其进行网格划分，如图4-1所示。图4-1 网格划分分好的毛坯及压边圈网格，如图4-2所示 图4-2 毛坯及压边圈网格划分分好网格之后就按照第二章的前处理的步骤，设置好毛坯厚度和

26、材料，并定义且定位好工具，设置好压边力。最后就是后处理了，提交任务，完成后进入后处理ETA/POST。打开刚刚提交的任务。最终处理的成形极限图如下：图4-3 成形极限图图4-4 厚度图图4-5 主要应变图图4-6 平面应变图4.3第二次试验：无压边圈首先导入在UG里建好的模型，保存数据库。然后对其进行网格划分，分好的毛坯及模具网格，如图4-7所示。 图4-7 毛坯及模具网格划分无压边圈的设置和第二章讲的设置有些许不同。需将自动设置中的工艺类型设置为Crash form，如图4-8所示。图4-8 自动设置设置好之后按照第二章的前处理设置，设置好毛坯厚度和材料，并定义且定位好工具，不同的是不用设置

27、压边圈这个工具了。最后就是后处理了，提交任务，完成后进入后处理ETA/POST。打开刚刚提交的任务。最终处理的成形极限图如下：图4-9 成形极限图图4-10 厚度图图4-11 主要应变图图4-12 平面应变图4.4结论分析 通过厚度图我们清楚可见，无压边圈的起皱很严重而且厚度无明显变化，即无变薄。而有压边圈的凸缘很平整只有些许褶皱。通过上述试验我们得出结论：压边圈能够很好的防止起皱，能够作为防止起皱的措施。五不同压边力模拟分析及最优压边力5.1 压边力对拉深成形的影响压边力的大小是板料拉深成形中重要的工艺参数，也是板料冲压成形中的重要控制手段。板料拉深成形过程中，拉裂和起皱等缺陷都可以通过压边

28、力的调整来减少甚至消除。压边力过小，板料容易发生起皱；压边力过大，虽可减小或避免起皱，但有可能使板料变薄以致造成拉裂，同时模具的表面会因为压边力过大导致受损，从而会导致模具寿命减少和板料冲压成形的质量不好。在实际生产中，为了保证模具寿命、确保产品质量和提高生产率，要求尽可能的一次冲压成形，这样压边力大小的控制和调整，成为了防止出现拉裂和起皱的重要手段。实际生产中压边力的大小要根据既不被拉裂也不起皱这个原则，所以压边力既不是越大越好，也不是越小越好。并在试模中检验和调整。5.1.1压边力对起皱的影响拉深时切向压应力的值取决于变形程度，变形程度越大，需要转移的剩余材料越多，加工硬化现象越严重，则切向压应力越大，就越容易起皱。拉深时凸缘变形区的材料在切向均受到切向压应力的作用，当切向压应力过大，材料又较薄，切向压应力超过此时材料所能承受的临界压应力时，材料就会失稳弯曲而拱起。在凸缘变形区沿切向就会形成高低不平的褶皱，这种现象称为起皱。