板材数值模拟技术在冲压件工艺中的应用
汽车工艺与材料
ＡＵＴＯＭｏＢⅡ。ＥＴＥＣＨＮｏＬＯＧＹ＆ＭＡＴＥＲＩＡＬ
文章编号：１００３—８８１７（２００２）１ｌ一０００９一０３
板材数值模拟技术在冲压件工艺中的应用
张晓胜１，朴英花２
（１．第一汽车集团公司
车身厂技术发展部，吉林长春１３００１１；２．长春工程学院，吉林长春１３００２１）
摘要：板材成形数值模拟技术近几年在国外得到了普遍的应用，国内冲压领域也正尝试应用该技术指导从产品开发到现生产冲压工艺的制定与优化。利用ＤＹＮＡＦＯＲＭ板材成形模拟软件对驾驶室顶盖纵梁支架（５７０１０６４—２４０）进行成形模拟，通过不同冲压方向两种方案的模拟对比来确定合理的方案选择。介绍了以预冲孑Ｌ来避开剖开工序的困难；利用模具结构的变化采用先预弯、后翻边的翻边工序结构，从而避免了翻边起皱、拉毛等不良结果，保证了零件质量及减轻了模具维修的麻烦。
关键词：板材；数值模拟；拉延；翻边中图分类号：ＴＧ３８６
文献标识码：Ｂ
应用板材成形模拟技术能够提前预知板材成形趋势，对工艺方案的确定有很好的指导意义。在新产
品设计过程中，在虚拟状态下进行模拟，并根据模拟的结果对产品设计进行优化，不必等到产品试制完
成以后再进行实验、鉴定和改进，可以大大加快产品开发进度，缩短开发周期。整个模拟过程是同产品设
计、开发同步进行的并行工程；同时，板材成形数值模拟技术可以对现有模具的板材成形进行模拟分析，得出合理的修调解决方案，提高产品质量。
１纵梁支架两种冲压方向方案
驾驶室顶盖纵梁支架（５７０１０６４—２４０）如图１所
示。该件为２００２年载货车驾驶室生产准备零件之一，从形状上看为左右对称，从成形工艺角度，为保证拉延时受力平衡，采用先成双拉延后剖开工艺比较适合。冲压方向对此零件的成形非常重要。冲压
方向可有豫种工艺方案供选择，如图２所示。
采用方案１的冲压方向，是保证拉延成形后零
件剖开容易实现。但此方案在板料预弯后成形过程
中面积可能减少，这样就不能保证零件受拉应力时
的塑性变形，零件的强度与刚度也不能得到保证。该
方案是否可行可通过板材成形数值模拟来验证。
采用方案２的冲压方向，可以保证零件在拉延
过程中受拉应力成形，零件的强度、刚度得以保证。但此方案两零件剖开时剖面与冲压方向不一致，剖开工序有困难，故有待进一步研究。
收稿日期：２００２一０５—０６
作者简介：张晓胜（１９７５一），男，黑龙江集贤人，助理工程师，１９９８年毕业于哈尔滨工业大学焊接工艺及设备专业，主
要从事板材成形数值模拟技术在冲压工艺上的应用。
２００２年第ｌｌ期
一９一
万方数据
张晓胜等：板材数值模拟技术在冲压件工艺中的应用２方案１板材成形数值模拟验证
在传统的板材成形过程中，当模具设计及制造
完成后，需要经过反复的调试，才能得到满意的成形
零件。在调试过程中，一些成形缺陷，如开裂、起皱和
回弹等问题，主要凭借模具工程师的经验，通过实验
反复试错才能解决。这种办法不但降低了生产效率，
而且只有少数工艺人员经过多年的经验积累才能掌
握。．
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图５网格纵向应变状态图板材成形，从力学角度而言是一个同时包括几
何非线性、材料非线性、接触和摩擦的非常复杂的力由以上图形分析可知，零件虽没有起皱，但局部学过程。以往人们在分析这类问题时多采用基予塑区域存在压应力变形，零件强度、刚度得不到保证，性理论的解析方法。由于其复杂，人们不得不作出较由此看来方案ｌ是不合理的。
垩鬯曼笆ｌ堡曼，黧矍登篓竺箩竺笺詈雯苎竺警３方案２的确定
…‘、～…～
大，难以得出整个变形过程的解答，特别是在计算回
弹和残余应力时困难更大，这样就不得不依靠实验方案２的冲压方向能够保证零件的质量，唯一来弥补理论上的不足。运用有限元分析的方法可以不理想的是零件剖开困难。为此采取拉延前先落料，解决下列问题：应力应变的计算与防止、回弹量的计在后面剖开处的部位先冲出一方孔的方法，这样，在算与补偿、拉裂的预测与避免、起皱的预测与防止、剖开工序中就避免了斜楔、斜刃切开而带来的不便。毛坯形状与尺寸的设计计算、成形力的计算等。最后确定以图６所示工艺作为该件成形方案。
对方案１的冲压方向进行数值模拟分析（见图采用该工艺方案既保证了拉延成形，又使剖开３、图４、图５），主要是验证拉延过程中板材是否存在工序容易实现。经仔细分析图６ｃ——成形翻边工艺拉应力塑性变形，从而保证零件的强度、刚度，避免可知，４个边同时翻或先翻上下两个边，后翻左右两零件起皱。个边，都会造成左右两侧Ｒ角聚料、毛刺大等不良
结果。为此，准备采用以下工艺方案：先预弯左右两
边，后翻上下两边，这样就避免或减少了起皱现象的
发生。成形翻边模具的下模凸模采用分体式，中心镶
块可以上下滑动，成形后的零件先预弯后翻边。
４结论
ａ．通过在ＳＧＩ工作站上应用ＤＹＮＡＦＯＲＭ３．３
板材成形数值模拟，得出方案ｌ冲压方向的选择，会
在拉延区域局部形成压应力，导致该区域板料极易
起皱，零件的强度、刚性得不到保证。因此，确定方案
ｌ不合理。
ｂ．选择方案２冲压方向能够保证零件的质量，
问题主要集中在剖开工序上，采取在落料工序预先
冲出方孔，方孔的宽度尺寸比剖开刃口尺寸大
ｌｍｍ，以利剖开工序废料的彻底切断。这样，在剖开
工序中就避免了斜楔、斜刃切开而带来的制造、维修
上的不便。因此确定方案２合理。
Ｇ图６ｃ的成形翻边，可通过改变模具结构实现。
万方数据
一１０一汽车工艺与材料
张晓胜等：板材数值模拟技术在冲压件工艺中的应用
一
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（ａ）落料冲孔（ｂ）拉延成形毯ａ鲁ｊ星鲁ｌ∥
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（ｄ）冲孔剖开
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图６纵梁支架成形工艺方案
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ
ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｔｈｅＳｈｅｅｔ
ｏｎ
ＳｔａｍｐｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｔａｍｐｌｎｇ
ＩｌｅＣｎｎ０１０９ｙ，
ＺＨＡＮＧＸｉａＯ—ｓｈｅｎ９１，ＰＩＡＯＹｉｎｇ—ｈｕａ２
（１．７Ｉ＇ｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＤｅｐ．ｏｆＣａｒＢｏｄｙｐｌａｎｔ，ＦＡＷ，ＪｉｌｉｎＣｈａｎｇｃｈｕｎ１３００ｌｌ，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｈａｎｇｃｈｕｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＪｉｌｉｎ１３００２ｌ，Ｃｈｉｎａ）
（责任编辑良文）
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｛吉林省压铸技术协会第三届年会
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暨镁合金压铸技术研讨会隆重召开
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吉林省压铸技术协会第三届会暨镁合金压铸技术研讨会于２００２年１ｏ月２４—２６日在长春一汽宾馆隆ｔ
：重召开。
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本届年会总结了年度工作，香港力劲机械厂有限公司的代表专题介绍了有关镁合金压铸技术方面的｛
｛专业知识及技术。期间，国内外知名专家光临了此次大会，发表专业技术演讲、产业信息等。本次会议对Ｉ
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（冯洁报道）
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２００２年第１１期
万方数据
板材数值模拟技术在冲压件工艺中的应用
作者：张晓胜， 朴英花
作者单位：张晓胜(第一汽车集团公司，车身厂技术发展部，吉林，长春，130011)， 朴英花(长春工程学院，吉林，长春，130021)
刊名：
汽车工艺与材料
英文刊名：AUTOMOBILE TECHNOLOGY & MATERIAL
年，卷(期)：2002，(11)
被引用次数：3次
相似文献(10条)
1.期刊论文苌群峰.李大永.彭颖红.曾小勤.CHANG Qun-feng.LI Da-yong.PENG Ying-hong.ZENG Xiao-qin镁合金板材温热冲压成形热力耦合数值模拟-上海交通大学学报2007,41(10)
采用Gleeble3500热模拟试验机进行单向拉伸试验,获取了材料的力学性能参数,分析了AZ31镁合金板材的力学性能特点.采用热力耦合技术对镁合金板材温热冲压过程中的温度场进行了数值模拟,研究了冲压过程中温度场的分布规律,并对差温拉延工艺进行了分析.结果表明:差温拉延工艺可以提高镁合金板材的温热成形性能;采用热力耦合技术的数值模拟更能反映AZ31镁合金板材的温度敏感特性.
2.学位论文马琳伟金属板材单点渐进成形数值模拟及机理研究2008
金属板材单点渐进成形是一种新型的金属板材数控无模成形技术，是升级传统手工钣金工艺的现代化加工方法。这种成形工艺能够柔性化、低成本、方便快捷地加工出复杂的壳体零件。同时，与传统冲压工艺需要大批量制造以保证成本经济性不同，该工艺适宜于小批量灵活加工，因此，更能满足现代市场日益迫切地个性化生产需求。
金属板材单点渐进成形工艺在应用中还存在一些迫切需要解决的问题，如何合理选择工艺参数、如何避免成形中的破裂等。要解决这些问题，就需要对金属板材单点渐进成形的变形机理进行深入研究。在常规的物理实验研究中，难以直接获得成形过程中详细的应力、应变等力学参量，仅由间接测量获得的局部数据不能客观全面的反映出渐进成形过程的变形机理。而通过有限元法数值模拟，可以直接、方便、直观地获得这些有价值的数据，应用于成形机理研究。在常规的板材成形工艺研究中，有限元法数值模拟已发挥出举足轻重的作用。
金属板材单点渐进成形由于自身的特点，如成形过程载荷加载轨迹复杂且长、板材厚度的剧烈减薄变化、以及局部变形累积等，使得对其进行有限元法数值模拟存在建模难度大、计算效率低等难点问题。
本课题首先基于非线性、弹塑性有限元理论方法，对金属板材单点渐进成形过程的数值模拟的建模方法进行研究。通过建立能够描述邻接单元厚度连续变化的八节点六面体实体单元、涉及材料各向异性的非线性弹塑性材料模型、和工具头运动轨迹动态加载的控制策略等数值模拟中的关键性问题
，对适用于金属板材单点渐进成形数值模拟分析的有限元模型的建立进行合理规划。
根据建模规划，对渐进成形实验中最具代表性的方锥台件和圆锥台件，各自建立两种类型的有限元分析模型，即完整有限元分析模型和局部有限元分析模型。完整有限元分析模型是建立在对渐进成形过程边界条件、力学关系等的真实仿真基础上，而为了提高模拟效率建立的局部有限元分析模型
，是通过添加虚拟的边界约束而仿真成形过程。通过四个模型的模拟结果与实验结果的对比研究表明，两类模型均适用于渐进成形的数值模拟分析，其中，方锥台件的局部有限元分析模型具有最高的计算效率。
基于完整有限元分析模型对渐进成形过程的各阶段进行分析，从而全面认识渐进成形的特点；基于方锥台件局部有限元分析模型，并将板材厚度方向的单元细分为三层，通过成形过程仿真，获取成形中，板材不同区域的应力、应变情况，提出并建立分区域的渐进成形机理解释，即，在不同区域
，板材的变形方式是不同的，其中，对体现渐进成形主要特点的方锥台件和圆锥台件的侧壁充分变形区域，其变形方式是拉伸－弯曲复合变形。
基于方锥台件局部有限元分析模型，对不同工艺参数下的成形过程进行仿真，研究工艺参数板材厚度变化、塑性变形区、以及成形力等的影响关系。从而为渐进成形中合理选用工艺参数提供依据。
最后，在渐进成形数值分析的基础上，探讨了对工具头磨损进行数值模拟分析的方法和流程，并通过仿真，研究了工艺参数对工具磨损的影响关系。
3.期刊论文苌群峰.李大永.彭颖红.曾小勤.CHANG Qun-feng.LI Da-yong.PENG Ying-hong.ZENG Xiao-qin AZ31镁合金板材温热冲压数值模拟与实验研究-中国有色金属学报2006,16(4)
采用Gleeble3500热模拟实验机进行了单向拉伸实验,分析了AZ31镁合金板材的力学性能;以此实验数据为基础,对温热冲压过程进行了数值模拟,研究了拉深温度、压边力等工艺因素对镁合金板材成形性能的影响;通过极限拉深比实验,对数值模拟结果进行了实验验证. 结果表明:在极限拉深温度150℃,极限拉深速度15mm/s,固定压边力的工艺条件下,极限拉深比能够达到2.5. 模拟结果表明:模拟结果和实验结果具有良好的一致性;采用变压边力可以明显提高板材的冲压性能,极限拉深比将达到5.0.
4.学位论文张明浩超薄板材脉冲激光微冲击成形过程数值模拟2008
随着微电子设备，微机电系统及高精密仪器的发展，超薄板材成形技术的研究越来越重要。激光微冲击成形是利用脉冲激光产生的等离子体爆轰波的冲击力效应使超薄板材产生塑性变形的新技术。本课题将激光冲击应用于微成形，综合激光冲击成形与微塑性成形的优点。在连续介质力学框架下
，考虑材料的晶体结构特征和塑性变形机理，将微尺度下的多晶体材料看作由晶粒和晶界组成的两相复合材料，把晶粒想象成嵌入多晶体基体中的一系列小的变形体，并将晶粒和晶界采用不同的本构方程来描述，利用VC++开发了基于上述思想的网格划分程序MicroMesh，并利用有限元模拟软件LS-DYNA，对变形过程进行了数值模拟，模拟结果与实验结果基本一致，说明本文所建立的网格划分方法是合理的，能有效地模拟激光微冲击成形中板料的变形过程。
利用自主开发的有限元网格划分程序MicroMesh结合商用程序LS-DYNA，对轴对称超薄板材脉冲激光微冲击成形过程进行了数值模拟，研究了不同激光参数、材料参数、微凹模直径等对激光微冲击成形的影响，并对单点多次冲击进行了模拟，得出很多有价值的结论：(1)晶界对激光微冲击成形的影响很大，薄板的下凹变形随晶界厚度的减小而增大，二者呈近似线性关系。晶界的存在对薄板的下凹成形起阻碍作用，并且晶界越厚，下凹成形量越小。
(2)利用编程实现了激光冲击波产生的峰值压力的加载，模拟了不同峰值压力下板材的变形情况，发现：峰值压力是激光微冲击成形的主要影响因素，随峰值压力的提高，变形量增大。(3)研究了板材参数对板材变形量的影响：在其它工艺参数相同的情况下，不同材料对应不同的变形量；相同的材料，厚度的增加对冲击成形起阻碍作用；板材晶粒越不规则，其变形量越大；(4)研究了微凹模直径对板材变形量的影响，发现：微凹模的直径与光斑直径的比值越大，对板材变形量的影响越小。(5)单点多次冲击时，首次冲击的变形量最大，以后各次冲击的变形量逐渐减小。
5.期刊论文刘建光.王忠金.宋辉.LIU Jian-guang.WANG Zhong-jin.SONG Hui板材软模成形数值模拟研究现状-材料科学与工艺2008,16(3)
分析了板材软模成形数值模拟的特点,对目前主要采用的软模成形数值模拟方法进行了阐述和评价,并对三类典型软模成形(液压成形,橡皮成形及粘性介质压力成形)过程数值模拟应用进行了综述,最后对板材软模成形数值模拟发展趋势进行了展望.
6.学位论文路大涛板材液压成形的数值模拟及实验研究2004
本文首先介绍了国内外液压成形技术的应用情况和研究进展，以及数值模拟在板材成形中的应用概况，指出了板材液压成形技术的重要意义和应用前景。同时基于板材冲压成形模拟软件PAM-STAMP2G对盒形件的液压成形过程进行数值模拟，研究了板材液压成形的变形过程；并分别调整液压、凸模和板材间摩擦系数等成形条件，对该盒形件的液压成形过程进行模拟，分析板材成形过程中起皱、破裂、应力分布、应变分布等情况。
利用AMINO公司的液压成形设备，进行不同条件下盒形件的液压成形实验，分析比较了板材变形情况的模拟结果和实验结果。同时也深入研究板材在液压变形中的变形情况，并验证使用PAM-STAMP2G对板材液压成形过程模拟的可靠性。
本文提出了基于PAM-STAMP2G软件数值模拟的覆盖件模具设计及优化的方法，并以一高速列车的车门的液压拉深模具设计为例，详细介绍了该方法。
7.期刊论文宋雪松.蔡中义.李明哲板材多点成形过程中成形力的数值模拟-吉林大学学报(工学版)2004,34(2)
基于动力显式有限元格式,给出了多点成形中成形力的计算公式.对不同材料、不同厚度的圆柱面、球面及马鞍面三种典型形状的成形力进行了数值模拟,分析了成形力的变化过程及影响因素.结果表明:在成形过程中,随着基本体与板料接触数目的增多,成形力会越来越大.厚板成形、硬质材料成形时都将需要较大的成形力.由于变形的复杂性,成形双向曲率的目标面时所需的成形力明显高于单向曲率.这些结果对于选择多点成形设备、更好地控制板材多点成形过程以减少成形缺陷具有重要的指导作用.
8.学位论文吕波金属板材激光弯曲成形的数值模拟及实验研究2004
金属板材激光弯曲成形是一种新型的、具有高度柔性的板材加工方法.它是用激光照射金属板材产生的内应力使板材发生弯曲变形,无需模具和外力.特别适用于形状简单的单件、小批量工件的弯曲成形,在船舶、汽车、航空航天和微电子等领域具有广阔的应用前景.该文对用有限元分析软件
MSC.Marc建立的船用中厚钢板激光弯曲成形三维热力耦合有限元模型进行了优化.利用温度位移数据采集系统对板材激光弯曲成形实验中温度和弯曲变形量的变化进行实时测量,模拟结果与实验结果吻合较好,从而验证模型的准确性.使用优化方法建立中厚船用钢板激光多次扫描弯曲成形的有限元模型,模拟计算了成形过程温度、弯曲变形及应力分布,总结了板材多次扫描弯曲成形中的一些规律,分析了这些规律产生的内部原因.对尺寸更大的船用钢板激光弯曲成形进行了实验研究,分析和讨论了大尺寸板材激光弯曲成形数值模拟的难点和主要应解决的问题,初步建立了成形过程的三维热力耦合有限元模型,计算了温度场、变形场和应力场的分布,分析了成形过程影响计算精度的因素.用残余应力场解释了不同厚度钢板多次扫描弯曲成形规律不一致的原因
.该文还对厚度为2mm的OT4钛合金薄板激光弯曲成形进行了实验研究,总结了激光参数对薄板弯曲角度的影响规律.
9.期刊论文李淑慧.李明哲.陈建军.Li Shuhui.Li Mingzhe.Chen Jianjun板材多点分段成形工艺的数值模拟研-
机械工程学报2000,36(8)
利用有限元法对板材多点分段成形工艺进行了多工步成形的模拟分析，对多点分段成形过程中金属流动规律及过渡区的变形特点进行了研究，就不同重叠区面积对成形结果的影响进行了对比，并模拟了采用变形协调区的多点分段成形过程。模拟结果表明：板料中心曲率值偏低以及强制变形区和过渡区交界处的曲率突变是限制多点分段成形的主要因素。有重叠区的多点分段成形可减缓强制变形区与过渡区交界处的曲率突变现象，但未完全消除剧烈的塑性变形。采用变形协调多点分段成形方法可减缓曲率变化速率，避免局部剧烈塑性变形的发生，并且得到表面质量良好、变形均匀的制品，实现利用小设备成形大型件的目的。
10.学位论文陈仙凤基于DEFORM-3D平台1Cr13板材热轧数值模拟研究2008
在分析了国内外板材轧制数值模拟发展及现状的基础上，通过有限元法对轧制过程进行了数值模拟，以探求轧制过程中的规律，为合理制定工艺参数，优化工艺结构提供技术支持和理论依据。
本论文研究的主要内容有：
(1)通过1Cr13高温拉伸试验研究400℃、500℃、600℃、650℃、700℃温度点下的屈服强度，抗拉强度等基本力学性能。利用试验得出的400℃、700℃温度点下的应力应变数据，在DEFORM-3D平台上对其它温度点进行拉伸试验数值模拟。结果直观地显示了各阶段应力应变分布及试样的变形过程
，仿真屈服强度、最大抗拉强度等与试验实测值吻合较好，随着有限元软件的不断发展，数值模拟有望成为拉伸试验的另一手段。利用该数值模型外推得到了900℃、1000℃、1100℃的应力应变曲线，从而为本构模型的建立奠定基础。为该材料轧制模型的建立提供必要的力学性能数据，以便热轧模拟能够更精确的进行。
(2)对1Cr13材料进行热轧数值分析，用云图直观地反映出轧制各个阶段应力应变分布情况，并通过多组试验对影响轧制压力的参数如轧制温度、轧辊转速、压下量、轧板厚度进行了分析，得到了轧制温度、轧辊转速、压下量、轧板厚度对轧制压力的影响规律。
(3)将模拟轧制压力值与西姆斯热轧轧制力公式计算出的理论值进行比较，两者的变化趋势一致，但有一定的误差存在，对误差存在的原因进行了分析。
(4)通过对影响轧板应变程度的参数如：压下率、宽高比(B/H)、轧制温度、轧制转速等进行研究，得到了轧制应变渗透到中心层的临界值，并分析了压下率、宽高比(B/H)、轧制温度、轧制转速对应变以及板材侧形的影响规律。用点跟踪法对不同厚度层上的应变进行跟踪，分析了在厚度层上应变分布规律。
(5)对热轧温度场和应力应变场进行了耦合数值模拟，分传送阶段、轧制进行阶段、喷水冷却阶段、返温阶段进行热轧模拟，得到了各个阶段轧板温度场的分布规律、应力应变场分布规律。研究了典型节点温度随时间的变化规律，分析了耦合应力应变场的变化规律，与非耦合应力应变场的变化规律进行比较，在厚度方向的最大应变从外表面转移到了次表面。并分析了轧制初始温度与轧制转速变化对轧制压力的影响规律，初始轧制温度以及轧辊转速对轧制温度场的影响规律。
引证文献(3条)
1.卢险峰.谭欣珍.张朝阁.李湖峰翻边变形过程的有限元分析模拟[期刊论文]-南昌大学学报（工科版） 2008(1)
2.周林.李萍.薛克敏.林嗣杰.崔礼春瑞风商务车托架零件冲压成形过程的数值模拟[期刊论文]-合肥工业大学学报（自然科学版） 2007(2)
3.张朝阁翻边工艺的试验研究及数值模拟[学位论文]硕士 2005
本文链接：https://www.360docs.net/doc/123766326.html,/Periodical_qcgyycl200211003.aspx
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