冲压成形有限元仿真基本理论
板料冲压成形的弹塑性有限元仿真分析方法
（ ． ｈ ｏ ｆＭ ｅ ｈａ ｒ ｎ ｃ Ｅｎｇ ｎ ｅ ｉ ｇ，Ｃｈ ｎ ｃ ｕ ｉ ｅ ｓ ｔ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，Ｃｈ ｎ ｃ ｕ ３ ０ ２，Ｃｈ ｎ １ Ｓｃ ｏ ｌｏ ｃ ｔ ｏ ｉ ｉ ｅ ｒｎ ａ ｇ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｙ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇ ａ ｇ ｈ ｎ１ ０ １ ｉａ ２ Ｓｃ ｏ ｌｏ ｓｃ Ｓｃｅ ｅ ． ｈ ｏ ｆＢａ ｉ ｉｎｃ ，Ｃｈａ ｇｃ ｕ ｎ ｈ ｎ Ｕｎｉ ｅ ｓ ｔ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ，Ｃｈ ｎ ｃ ｕ ３ ０ ２，Ｃｈ ｎ ） ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇｙ ａ ｇ ｈ ｎ１ ０ １ ｉａ
ｇ ！ ！堕 ！ ！曼 璺 ｉ ！ ！ ２ ！ ２
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板 料 冲 压 成 形 的 弹 塑 性 有 限元 仿 真 分 析 方 法
厉 呈 臣 潘 晓 辉 韩 秀 清 ， ，
（ ． 春 工业 大 学 机 电 工程 学 院 ，吉 林 长 春 １ ０ １ ；２ 长 春 工 业 大 学 基 础 科 学 学 院 ， 林 长 春 １ ０ １） １长 ３０２ ． 吉 ３ ０ ２
Ｏ 引 言
板 料 成 形 是 利 用 模 具 对 金 属 板 料 的 冲 压 加 工， 获得质 量轻 、 面光 滑 、 型美观 的冲压 件 ， 表 造 具
现 使这 些 问 题 有 了 巨大 的改 善 。板 料 成 形 Ｃ ＡＥ
分 析 软件 ， 以在 产 品原 型 设 计 阶 段进 行 工 件 坯 可 料 形状 预示 、 品可成 形性 分析 ， 产 以及工 艺方 案优 化 ， 而有 效地 缩短 模具 设 计周 期 ， 从 大大 减少 试模
冲压CAE分析的有限元基础 ppt课件
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冲压CAE分析的内容 产品工程设计阶段对工艺数模、铸造数模进行
可成型性分析。 分析产品的可成型性，是否有冲压缺陷如： 是否有冲压负角
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复杂的产品造型使冲压负角不易被 发现：如一些汽车的内板件
解决的办法？
用CATIA看断面图
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更简单的方法？
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数模修改前版本 数模修改后版本
注：对于左右件合并的情况，有两个基准点。
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2.冲压方向，制件转角以及转角顺序 各冲压工序都必须有冲压方向。拉延冲压方向选取时考虑：制件在任何地方没 有负角，制件在前后左右方向尽可能对称，尽可能减小在冲压方向上的高度 差，目的是为了使进料均匀。修边的冲压方向选取时主要考虑的是修边刃口 的角度，一般控制在±15度以内，超出这个范围要么改变冲压方向，要么使 用斜楔侧修边。
度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、 温度、压力等分布的动态显示图。我们称这一过程为CAE的后处理。针对不同的 应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和 运行状态。
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4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
CAE软件按研究对象分为：静态结构分析，动态分析；按研究 问题分为线性问题，非线性问题； 主要有：Hyperworks，主要做前处理（分单元加载荷加约 束）和后处理（看输出结果和仿真） I-DEAS，同时也做CAD Ansys，很经典的CAE，国内应用最广，客户成熟度最高， 尤其是在高校科研领域。 Abaqus，强大的非线性复杂动态问题求解器，专门汽车分 析模块， LS-DYNA，强大的动态问题求解器，专门汽车分析模块， Nastran，线性问题求解器 Pam crash，专门的碰撞研究软件 Moldflow，模流分析软件 AutoForm，钣金冲压，特别是拉深分析软件 Madymo，汽车安全系统，如气囊，安全带整车碰撞性能 分析软件
DP600高强钢零件冲压成形有限元仿真及试验-刁可山
图5 F ig 5
n= 0 13 时应变状态在 FL D 中的分布 St rain distributio n in F L D with n= 0 13
= 633M Pa, n = 0 17 和
要保证零件整体成形的安全裕度 , n 值应 控制 在n 0 15。 1 3 3 典型材料的仿真分析 选取宝钢大批次生产的实际性能的材料进一步 进行分析 , 根据大批次生产的 1mm 的 DP 600 电镀 纯锌钢板的力学性能的统计结果 , 按照设定的屈强 比 s / b < 0 68, n 0 15 的标准, 选取 5 种典型材 料进行分析 , 最大减薄率计算结果如表 2 所示。从 分析结果看 , 同样表现出随着屈强比的增大和 n 值 的降低 , 最大减薄率有升高的趋势。另外, 5 种材 料的应变状态分布均在 FL C 曲线下方, 表明零件没 有开裂。
表1 T ab 1 方向 0! 45! 90! 屈服强 度 / M Pa 351 367 373 宝钢 DP600 的材料性能 抗拉强 度/ M P a 633 641 648 M echanical propert y of D P600 steel sheet 延伸率 / % 28 29 28 n值 r值 图2 Fig 2 拉延筋设置
图4 零件变形状态和安全裕度分布
a) 零件变形安全状态 ; b ) 应变状态在 FLD 中的分布
F ig 4 F or mabilit y and safety analyses o f the par t
杂。在实际生产过程中, 供货的材料性能必然存在波 动, 对零件安全裕度造成影响, 借助于有限元仿真分 析, 可以方便地得出材料性能对零件成形的影响, 对 于合理控制材料性能具有重要的指导意义。 高强钢 由于成形性能 的下降, 容 易产生开 裂, 因此保障成形顺利需予以特别关注。以 DP 钢为代 表的高强度钢板 , 材料性能控 制参数为屈服强 度、 抗拉强度、材料 硬化指数 n 和延伸 率 。很明 显, 低的屈强比、高的延伸率和 n 值 , 均有利于成 形, 但相应增加了钢厂的生产成本和控制难度, 因此需 要对钢板性能的范围进行合理控制。 1 3 1 屈服强度的影响规律 保持材料性能 参数
有限元的基本理论
M3
. .
单元1
单元2
节点1
. .
.
节点3
节点2
θ
1
θ
2
θ 3=0
已知：M1、M2、θ3 未知： θ1 、θ2 、M3 。
第一章 有限元的基本理论
3. 应力与外力之间的平衡方程（力的平衡方程）
力的分类：体积力（内力）、表面力（surface force）（外力 • 体积力：重力、离心力、惯性力等 • 表面力：外载荷、流体静压力等 • （主应力：某个面切应力都为零。等效应力，范米赛斯屈 服准则：各向同性材料时，等效应力超过材料的屈服应力 时，屈服发生） 根据力的平衡条件： x yx zx Fx x y z px 0 xy y zy py 0 Fy x y z xz yz z Fz x y z p z 0
第一章 有限元的基本理论
3. 应力与外力之间的平衡方程（力的平衡方程）
根据合力矩为零的平衡条件：（作用在单元体上的力对x、y 、z轴取矩）
xy yx xz zx zy yz
第一章 有限元的基本理论
平面问题的定义
1、平面应力问题 条件：等厚度薄板（厚度< 截面尺寸/15）状弹性体； 受力方向沿薄板方向。 假设：力与板平行，沿厚 度方向均匀分布，沿厚度方 向应力分量为零，薄板不失 稳。
例子：水坝等
第一章 有限元的基本理论 第二节 连续梁问题有限元数学模型的建立方法
离散化 单元分析
支撑条件的引入
整体分析
非节点载荷的处理
解方程
第一章 有限元的基本理论 第二节 连续梁问题有限元数学模型的建立方法
影响板料冲压成形质量因素的有限元分析
影响板料冲压成形质量因素的有限元分析引言：冲压技术在汽车、家具、仪表等产业中占据着重要的地位，用于生产各种机械零部件。
由于冲压成形提供了优质的外观外貌和质量，它已成为制造商制造出高质量产品的重要工具。
有限元分析正是用于分析冲压成形质量影响因素的有效工具之一。
本文旨在探讨有限元分析在冲压板料成形质量方面影响因素。
一、基于有限元分析的冲压成形1.1有限元分析原理有限元分析（FEA）是一种基于计算机的计算方法。
它通过求解物体的物理量来确定建模物体的行为。
有限元分析可以模拟复杂的结构物，并计算它们的参数，而不需要构造大量的实验。
有限元分析的基本思想是将复杂的结构物拆分成一些简单的单元，分别将每个单元的力学特性定义为一系列方程，然后求解出整个结构物的特性和行为。
1.2限元技术在冲压成形中的应用有限元分析可以用来分析冲压成形过程中材料的变形以及最终产品的质量。
通过对材料的变形的分析，可以得出有关冲压模具设计、工艺参数等的关键信息。
有限元分析可以模拟板材材料的冲压成形过程，从而得出不同参数下相应的冲压成形尺寸和最终产品质量。
二、影响板料冲压成形质量的因素2.1料厚度板料厚度对冲压成形精度有直接影响，板料厚度越大，冲压失去越高，板材材料冲压成形精度越差。
冲压技术研究表明，板料厚度在1.5~3.5mm之间时，最适合冲压成型。
2.2压模具设计冲压成形的质量取决于模具设计的质量，模具设计的好坏决定了板料的变形和最终产品的质量。
一般来说，模具的设计应该从安全的角度出发，考虑冲压设备的受力、冲击角度等。
2.3压工艺参数冲压工艺参数包括压力、冲深、冲速、冷却条件等，这些参数直接影响木冲压成形质量，压力过大容易导致破坏，冲速过快也会对冲压质量产生负面影响。
有限元分析可以根据板材材料的特性，确定合适的工艺参数，以获得最佳的冲压成形重量。
三、总结本文从有限元分析的原理和冲压成形的应用分析出有限元分析在冲压板料成形质量方面的作用，并提出了影响板料冲压成形质量的因素，即板料厚度、冲压模具设计和冲压工艺参数。
钛及钛合金板材冲压成形及有限元模拟
钛及钛合金板材冲压成形及有限元模拟王艺;毛小南;戚运莲;刘伟;孙花梅【摘要】综述了钛及钛合金薄板的塑性及冲压成形性,在此基础上研究了钛板冲压成形的影响因素,着重分析了压边力、模具尺寸对钛板冲压成形的影响.然后介绍了有限元模拟的基本原理及壳单元、本构方程的选择,并利用DYNAFORM软件模拟了TA2纯钛半球形工件的成形过程,并对压边力进行优化,得出最适压边力范围为27~37 kN.%In this paper , the plasticity and formability of titanium and titanium alloy sheets were reviewed , and the influence factors of sheet stamping were studied .The effects of blank holder force and die size on stamping process were analyzed.Finally, the basic principles of finite element simulation and selection of constitutive equation and shell element were introduced .Using DYNAFORM software to simulate the forming process of TA 2 titanium hemispherical workpiece , and to optimize the blank holder force , it is found that the optimum blank holder force range is 27~37 kN.【期刊名称】《钛工业进展》【年(卷),期】2017(034)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】钛及钛合金;冲压成形;压边力;有限元模拟【作者】王艺;毛小南;戚运莲;刘伟;孙花梅【作者单位】东北大学,辽宁沈阳 110819;西北有色金属研究院,陕西西安 710016;西北有色金属研究院,陕西西安 710016;西北有色金属研究院,陕西西安 710016;西北有色金属研究院,陕西西安 710016【正文语种】中文【中图分类】TG386钛及钛合金的冲压成形是利用大型冲压设备与相应的模具，对钛材施加一定的压力，使其发生塑性变形，获得一定形状的压力加工方法。
冲压成形的基本理论
硬度提升而塑性下降。 加工硬化对塑性变形旳影响: ❖ 不利旳一面——使所需旳变形力增长，而且限制了材料进一
步旳变形。 ❖ 有利旳一面——板料硬化能够减小过大旳局部变形，使变形
趋于均匀，从而增大成形极限，同步也提升了材料旳强度。
19
一临界值（与应力状态无关）时，材料就开始屈服。经过单向
拉伸试验可得出，此临界值等于材料旳屈服极限
。
s
等效应力：
2 2
(1 2 )2 2 3 2 3 12
则密塞斯塑性条件可体现为：
( 1
2 )2
2
3 2
3
1 2
2
2 s
9
1.1 塑性变形与应力应变 经过计算可知，两个条件之间差别很小。若把上式进行简化，
设 1 2， 则 3最大剪应力理论可表达为：
max (1 3 ) 2 s 2
或
1 3 s
这一理论形式简朴，与试验成果基本相符，用于分析板料成形问 题有足够旳精度。但其忽视了中间应力旳作用，所以不够完善。
8
1.1 塑性变形与应力应变
2. 密塞斯塑性条件
密塞斯提出：任意应力状态下，当某点旳等效应力 到达某
屈雷斯卡(H．Tresca) 塑性条件（最大剪应力理论） 密塞斯(von Mises) 塑性条件
7
1.1 塑性变形与应力应变
1. 屈雷斯卡塑性条件（最大剪应力理论） 屈雷斯卡提出：任意应力状态下，只要最大剪应力到达某临界值 （与应力状态无关）后，材料就开始屈服。经过单向拉伸试验可 得出，此临界值等于材料屈服极限旳二分之一。
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1.2 加工硬化与硬化曲线
② S 硬 化直线 用真实应力与真实应变建立坐标系，硬化曲线上缩颈点处旳切线 斜率为 Sb。
汽车厚板料件冲压成形的有限元模拟
汽车厚板料件冲压成形的有限元模拟摘要：本文对汽车厚板料件冲压成形进行了有限元模拟。
关键词：厚板料，冲压，有限元目前，我国汽车板料零件设计、制造水平不断提高，薄板料零件冲压成形CAE技术的应用已日趋成熟，但厚板料（厚度大于5mm)冲压成形、失效判定和回弹计算方面还没有一个明确的计算方法和分析思路，厚板料零件冲压成形CAE技术应用也远不如薄板成熟，本文对某汽车厚板料零件冲压成形进行了有限元模拟。
1三维模型的建立本文对某汽车厚板料U形件进行冲压成形分析，其三维模型见图1.1。
图1.1 三维模型2有限元分析2.1分析过程材料为钢板，弹性模量为207000MPa,泊松比为0.31，密度为7.85E-009，材料定义为塑性材料，凸模和凹模定义为刚体。
在成形过程中，施加的是位移，让板料变形。
有限元分析时采用的是壳单元，因为板料厚度小于9mm。
具体过程如下：图2.1 网格划分图2.2 接触的定义2.2应力应变分析图2.3 应力图2.4 应变由应力应变分析知，板料最大应力和最大应变部位都在U形件弯曲部位，这与实际相符。
3 结束语本文对某汽车厚板料U形件的冲压成形进行了有限元模拟，为汽车厚板件CAE提供一定的理论指导。
但本文研究深度不够，有待进一步完善。
参考文献：[1]张宝坤.冲压成型回弹模拟的影响因素[J].汽车工程师.2009(09)[2]富壮.汽车厚板料零件冲压成形分析及回弹计算.汽车工艺与材料.2011（11）[3]李奇涵,张亮等. 汽车后门外板件冲压成形CAE研究[J].长春工业大学学报(自然科学版). 2014(03)[4]徐思寿. 铸造模具中CAE技术的应用与研究[J]. 建材与装饰. 2017(22)[5]蒙敏.模具设计过程中CAE软件的应用[J]. 中国设备工程. 2017(18)赵生莲，攀枝花学院讲师邮编：617000通讯地址：四川省攀枝花学院交通与汽车工程学院联系电话：151****9861基金项目：2014年校级一般项目（2014YB20）。
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OSU标准考题（1988年）
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南京航空航天大学 机电学院
20
NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’93 （1993年）
2013-11-29
南京航空航天大学 机电学院
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NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’96 （1996年）
2013-11-29
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1978年，N.M. Wang和Budiansky基于非线性薄膜理
论，用弹塑性大变形TL格式分析了任意几何形 状模具的冲压成形问题，首次考虑了坯料在模 具表面的滑动和粘着效应的接触摩擦现象； 1980年，S.I. Oh和Kobayashi用刚塑性有限元法分 析了任意形状模具的拉深问题； 1983年，E. Onate和Zienkiewicz用粘塑性有限元法 分析了非对称模具的冲压成形问题； 1984年，N.M. Wang用刚塑性有限元法分析了速率 敏感型材料的冲压成形问题；
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南京航空航天大学 机电学院
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以D.Y. Yang和J.H. Kim为代表的韩国汉城大学研 究小组。他们采用刚塑性和弹塑性本构关系， 应用薄膜单元、壳单元和块单元，开发了静力 隐式、动力显式和隐式/显式耦合三种格式的有 限元软件。
以E. Onate等人为代表的位于巴塞罗那的国际工 程数值方法中心（International Center for Numerical Methods in Engineering）。他们除了开展工程中 的有限元理论和方法研究之外，还用“流动型” 有限元法对冲压成形问题进行分析。
第三章的主要内 容
第一节 板料冲压成形技术概述 第二节 冲压成形过程的计算机仿真技术及作用 第三节 冲压成形过程的力学模型与有限元求解方法 第四节 板壳理论及有限元法
第五节 模拟仿真软件的使用
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南京航空航天大学 机电学院
2
第一章 板料冲压成形技术概述
1.1 引言 1.2 板料冲压成形的分类
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22
NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’2002 （2002年）
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南京航空航天大学 机电学院
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NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’2002 （2002年）
Forming of Front Fender
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南京航空航天大学 机电学院 18
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NUMISHEET标准考题的发展
为了促进板料冲压成形仿真的研究和应用，国
际上发起了定期召开的板料成形三维数值仿真
国际会议NUMISHEET（International Conference on
Numerical Simulation of 3-D Sheet Forming Process）分别
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1985年，Toh和Kobayashi采用壳了方形盒的拉深过程，这标 志着冲压成形三维有限元仿真的开始； 1985年，Makinouchi（木野内）用弹塑性有限元法 分析了弯曲和修边过程； 1986年，Nakamachi（仲町英治）也用弹塑性有限 元法分析了冲压成形的一般问题； 1987年，Park等人用刚粘塑性有限元法分析了轴 对称冲压成形问题； 1988年，Nakamachi用弹塑性有限元法模拟了方形 盒的拉深过程。
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当前国际上几个有影响的研究组织
以S.C. Tang为代表的Ford公司的研究小组。
他们基于增量型弹塑性有限变形理论
（大变形理论），采用Newton－Raphson
迭代算法求解，建立了专门由于分析车
身覆盖件冲压成形分析的静力隐式
（static implicit）格式的有限元方法。
1973年，Oden等人建立了热粘弹塑性大变形有限
元方法；
1974年，McMeeking等人建立了更新的Lagrange格
式的大变形弹塑性有限元方法；
至此，用于大变形问题分析的弹塑性有限元理论
已经系统的建立起来了。
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板料成形有限元分析的发展 1973年，Kobayashi和Mehta把刚塑性有限元法用于 分析冲压成形问题，这是人们第一次用有限元法 来模拟冲压成形过程； 1974年，Iseki等人用弹塑性增量型有限元法模拟 了液压胀形过程； 1976年，Wifi基于轴对称理论，用弹塑性增量型有 限元法模拟了圆形坯料在半球形凸模下的胀形和 拉深过程； 1977年，在美国GM公司召开了一个关于板料冲压 成形力学分析的研讨会，有两篇论文分别采用薄 膜单元和库仑摩擦理论，这在当时已相当完善；
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冲压仿真在汽车业制造中重要性
数值仿真是产品和设计和制造的核心技术之
一。数值仿真是使板料冲压成形由“经验” 走向“科学”，由“定性”走向“定量”的 桥梁。
对于汽车制造业来说，21世纪的竞争核心将
是新产品的竞争，实现高质量、低成本、短 周期的新车型的开发正是赢得这场竞争的关 键。
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板料冲压成形技术的发展概况
有限元技术的发展 1960年，Clough教授在论文中首次提出“有限元” 这一名词，Courant、Argyris、Turner、Clough和 Zienkiewicz的论文促成了有限元法的诞生，奠定 了早期有限元法的基础； 1967年，Marcal教授和King提出了弹塑性有限元格 式； 1968年，Yamada（山田嘉昭）推导了小变形问题 弹塑性矩阵的显式表达，大大推进了小变形弹塑 性有限元法的发展；
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1970年，Hibbit、Marcal和Rice基于有限变形理论，
应用增量法建立了全Lagrange格式的大位移、大 应变弹塑性有限元法，Marcal又于同年推出了弹 塑性有限元程序MARC，即现在广泛应用的商品 化大型有限元软件MARC的前身；
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降低汽车车身重量对环境保护和缓解能源危
4
发展汽车工业（轿车）的需要
通信、自动控制等领域的发展起到了重要的促 进作用。
对轿车车身的要求很高，从而大大促进了新技
汽车工业的发展对机械、电子、材料、计算机、
术和新设备的发展，由此全面带动了其它各种 车型车身技术的开发。
日本轿车的发展对其汽车工业的促进起了举足
轻重的作用就是明显的例证。
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板料冲压成形技术的概念
利用金属塑性变形的特点，通过一定方
式对金属板料施加压力，使其产生所需 的塑性变形，从而获得满足所需的各种 形状的零件。
车身覆盖件和车身结构件
车身覆盖件系指覆盖车身内部结构的表
NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’2005 （2005年）
BENCHMARK 2 :
Springback Prediction of A Cross Member
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NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’2005 （2005年）
南京航空航天大学 机电学院
板料成形有限元仿真关键技术的发展 求解算法
动力显式算法（Dynamic explicit algorithm） 静力隐式算法（Static implicit algorithm） 一步逆成形算法（One-step Inverse algorithm）
单元技术 薄膜单元 块单元 壳单元 本构关系 各向同性材料的屈服准则 各向异性材料的屈服准则
1.3 板料冲压成形的物理现象 1.4 板料冲压成形的常见缺陷及产生原因
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1.1 引言 汽车车身的重要性
汽车工业是衡量一个国家工业水平的重要标
志，为国民经济的支柱产业 。 汽车车身占整车质量的百分比大： 客车、轿车和专用汽车 40－60％； 货车 16－30％ 车辆的更新换代速度加快。 机的重要性。
NUMISHEET标准考题的发展
NUMISHEET’2005 （2005年）
BENCHMARK 1 :
Springback Prediction of Decklid Inner Panel
Forming of Front Fender
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BENCHMARK 3 :
Channel Draw/Cylindrical Cup Benchmark
View of Specimen A before binder closure in Stage 2 2013-11-29
View of Specimen B before binder closure in Stage 2 27
是： OSU标准考题（1988年）、VDI（德国汽车
学会）标准考题（1991年）、NUMISHEET’93、
NUMISHEET’96、NUMISHEET’99、 NUMISHEET’02、
NUMISHEET’05。
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