制动毂挡尘盖拉深成形过程的应力应变分析
拉伸模具：拉深过程中变形应考虑，毛坯各部分的应力与应变状态
拉伸模具：拉深过程中变形应考虑，毛坯各部分的应力与应变
状态
一、/拉深过程中变形毛坯各部分的应力与应变状态
拉深过程中某一瞬时毛坯变形和应力情况如图：
1.平面凸缘部分——主要变形区
2.凹模圆角区——过渡区
3.筒壁部分——传力区
4.凸模圆角部分——过渡区
5.圆筒底部分——小变形区
二、/拉深变形过程的力学分析
1.凸缘变形区的应力分析
（1）拉深中某时刻变形区应力分布
根据微元体的受力平衡可得
因为
取
并略去高阶无穷小，得:
塑性变形时需满足的塑性方程为 :
由上述两式，并考虑边界条件(当
时，
)，经数学推导就可以求出径向拉应力，和切向压应力的大小为：
在变形区的内边缘（即
处）径向拉应力最大，其值为：
在变形区外边缘处压应力最大，其值为：。
机械挤压成形过程的应力与应变分析
机械挤压成形过程的应力与应变分析机械挤压成形（Mechanical Extrusion）作为一种重要的金属成形加工方法，广泛应用于制造行业。
在机械挤压成形过程中，金属坯料受到力的作用而发生塑性变形，最终被挤压成所需的形状。
应力与应变分析是理解和改进机械挤压成形过程的关键。
首先，我们来了解机械挤压成形过程中的应力分析。
在挤压过程中，金属坯料受到挤出机械的外力作用，力通过工具传递给坯料。
这个外力导致坯料发生变形，内部产生应力分布。
应力分布的大小和变化对最终产品的质量和性能有重要影响。
在机械挤压成形过程中，应力主要包括三个方向的分量：径向应力、周向应力和轴向应力。
径向应力指的是与挤出方向垂直的方向，周向应力指的是与挤出方向平行的方向，而轴向应力则指的是沿挤出方向的方向。
这三个方向的应力分布会根据挤压过程中的变化而变化，因而在制定挤压工艺时需要合理控制挤压速度和温度等参数，以获得良好的应力分布。
接下来，我们来了解机械挤压成形过程中的应变分析。
应变是描述物体变形程度的物理量，而在机械挤压成形过程中，应变主要包括塑性应变和弹性应变。
塑性应变是指金属坯料在挤压过程中受到外力作用而产生的不可逆变形，而弹性应变则是指金属坯料在挤压过程中由于外力作用产生的可逆变形。
在机械挤压成形过程中，合理控制应变分布，尤其是塑性应变，是确保产品尺寸精度和机械性能的关键。
为了更好地分析机械挤压成形过程中的应力和应变，可以采用数值模拟方法。
数值模拟基于有限元分析原理，通过构建数学模型来模拟挤压过程。
通过数值模拟，可以预测应力和应变的分布，为工艺参数的优化提供依据。
在实际的机械挤压成形过程中，还需要考虑材料的流动和变形规律。
材料流动规律直接影响到挤压成形的成功与否。
因此，需要通过实验和数值模拟相结合的方法，研究材料在挤压过程中的流动特性，为制定合理的挤压工艺提供参考。
总之，机械挤压成形过程的应力与应变分析对于改进和优化工艺具有重要意义。
制动器防尘罩冲压开裂CAE分析
图 ８ 二次计算“钢厂 １”（左）、“钢厂 ２”（右）成形模拟结果（边部起趋情况）
结果分析： 结果 显 示 减 薄 率 进 一 步 恶 化 为 １５１％，证 明
“钢厂 ２”板材在实际工况（冲压现场通常保持压机 实际压力不 变 ）中 开 裂 情 况 将 更 加 严 重，符 合 实 际 工况。同时也证明了各项性能对成形性的综合影响 较为复杂，且板料特性将反向影响压机状态，可能导 致成形愈加不顺。
ＣＡＥＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＳｔａｍｐｉｎｇＣｒａｃｋｉｎｇｏｆＤｕｓｔＣｏｖｅｒｏｆＢｒａｋｅ
ＷａｎｇＹａ－ｎａｎ，ＬｉｕＹａｎ，ＬｉｕＥｎ－ｚｅ，ＹａｎｇＷｅｉ－ｙｕ
（ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＢａｏｔｏｕＳｔｅｅｌＭｅｔａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂａｏｔｏｕ０１４０１０， ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＲｅｇｉｏｎ，Ｃｈｉｎａ）
板材冲压成形作为一种十分重要的制造技术， 在汽车、航 空、电 器 和 国 防 等 工 业 中 都 有 广 泛 的 应 用。板材冲压成形在汽车制造中尤为重要，生产一 辆汽车所需的原料大约有 ７０％是钢铁材料［１］，钢铁 材料中的薄板，特别是深冲板，是汽车原料用的最为 广泛和最重要的材料。
板材成形是一种复杂的力学过程，它包含几何 非线性、材料非线性、接触非线性的强非线性问题。 用传统的解析方法很难求解，即使能够求解，误差也 较大。随着计算机技术的不断进步以及有限元技术
第 ４７卷第 ２期 ２０２１年 ４月
包 钢 科 技 ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＢａｏｔｏｕＳｔｅｅｌ
Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．２ Ａｐｒｉｌ，２０２１
制动器防尘罩冲压开裂 ＣＡＥ分析
王亚男，刘 妍，刘恩泽，杨维宇
汽车覆盖件拉深成形拉深筋作用仿真研究
汽车覆盖件拉深成形拉深筋作用仿真研究韩建保 云志刚 韩双庆( 北京理工大学机械与车辆工程学院 ,北京 100081)张小兵( 华北工学院 ,太原 030051)[ 摘要 ] 以韩国现代某型轿车前挡泥板拉深成形为例 ,利用有限元软件 L S - D YNA 的动态显式算法 ,仿真研究了汽车覆盖件拉深成形过程中 ,拉深筋对薄板成形质量的影响 ,其中应用线单元等效拉深筋的功能 。
研究结果 表明 ,在模具上设置拉深筋能够明显改善薄板的塑性流动质量 ,抑制发生起皱缺陷 。
叙词 :薄板成形 ,拉深筋 ,动态显式算法A Si m ulatio n St udy o n t he Functio n of Drawbead i nDrawi n g Fo r mi ng of Auto 2bo dy PanelsH an Jian b ao Yun Zhigang & H an ShuangqingS c hool of M echa n ical a n d A ut om o t i ve En g i neeri n g , Bei j i n g I nst i t ute of Tech n ology , Bei j i n g 100081Z hang XiaobingN ort h Chi n a U ni versi t y of S c ience a n d Tech n ology , T a i y u a n 030051AbstractTaking t h e f ro n t fender of a Hyundai ’s car as an exa m ple , a simulati o n st u dy o n t h e effect ofdraw b eads o n t h e fo r m ing qualit y of auto 2bo d y panel is carried o u t using t h e dynamic e xplicit algo r it h m in F E A co d e L S - D YNA . The result s show t h at t h e draw b eads o n blank 2holder o r die can mar kedly im p rove t h e plastic fl ow of sheet metal and to p r event t h e occurring of w r inkling defect .K ey w ords :Sheet m etal f or ming , Dra wbea d , Dyna mic exp l i c i t algorithm薄板冲压成形过程的计算机数字模拟 ,可以大大缩短调试模具所需时间 ,提高模具的设计效率 。
拉深件的应力应变状态分析
拉深件的应力应变状态分析拉深件的应力应变状态十分复杂，由于拉深件的壁厚很不均匀，致使拉深件凸缘区在切向压应力作用下极易起皱，筒壁上的危险断面也很容易被拉裂。
如何解决起皱和拉裂问题，是拉深成形能否顺利完成的关键。
起皱主要是由于凸缘的切向压应力超过了材料临界切向压应力所引起的，在拉深过程中，凸缘变形区在不断缩小，其厚度在不断增加，这两个因素对起皱都会产生影响；常见的防皱措施是采用便于调节压边力的压边圈，把凸缘紧压在凹模表面上。
防止拉裂的根本措施是减小拉深力和提高筒壁材料的强度，在设计拉深模时，首先应控制材料的变形程度，然后再采取其它各种措施防止危险断面的拉裂。
标签：拉深成形；应力应变；起皱；拉裂拉深也叫拉延，是利用拉深模具将平板毛坯塑性成形为各种开口的空心零件的一种冲压加工方法。
在生产实际中，用拉深方法可以制成筒形、矩形、锥形、阶梯形、球面形和其它不规则形状的薄壁零件。
如果与其它冲压工艺配合，还可制造形状更为复杂的零件。
在拉深变形过程中，随着凸模的不断下行，留在凹模端面上的毛坯外径不断缩小，圆形毛坯逐渐被拉进凸、凹模之间的间隙中形成直壁，当板料全部进入凸、凹模间的间隙时，拉深过程结束。
拉深件可加工的尺寸范围很大，因此在工业领域和日用品加工中得到了广泛应用。
本文针对实际生产中的典型零件，基于塑性成形的基本理论，探讨拉深过程中应力应变变化的内在规律，为实际生产中壳罩类零件拉深工艺的设计提供参考和借鉴。
1 拉深成形拉深与冲裁的主要区别是：拉深模的凸模和凹模均有较大的圆角半径，凸、凹模之间的间隙也较大，其间隙值一般大于板厚t。
拉深是冲压工艺中很重要的一种成形工序，应用很广。
如汽车、拖拉机的一些罩件、壳件、覆盖件等，航空喷气发动机上的许多零件以及仪表、电器上的许多壳体件，还有很多日用品等都是采用拉深制成的。
拉深件的种类很多，大体可以划分为旋转体（轴对称）类零件、矩形（盒形）类零件、复杂形状零件等三类。
2 拉深变形过程拉深过程如图1所示。
材料成形原理应力分析与应变分析课件
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应变率与应变速率
在材料成形过程中，应变率和应变速率是描述材料变形速度的重要参数。了解应变率和应 变速率的变化规律有助于优化材料的加工工艺和产品质量。
应变硬化与软化
在材料成形过程中，随着变形的增加，材料的应力-应变行为会发生改变。应变硬化是指 随着变形的增加，材料的应力逐渐增大；而软化则是指随着变形的增加，材料的应力逐渐 减小。了解应变硬化和软化的规律有助于控制材料的成形过程和产品质量。
边界元法
只需求解边界上的积分方程，适用于求解具有复杂边界形状的问题。
应变分析的实例
圆筒形压力容器的应变分析
通过应变分析计算圆筒形压力容器在压力作用下的应变和应力分布，为容器的设 计和安全评估提供依据。
桥梁结构的应变分析
通过应变分析计算桥梁结构在车辆载荷作用下的应变和应力分布，为桥梁的维护 和安全评估提供依据。
先进工艺的应力与应变分析
先进成形工艺
随着制造业的发展，各种先进的成形 工艺不断涌现，如增材制造、精密铸 造、超塑性成形等。对这些工艺的应 力与应变进行分析，有助于提高工艺 的稳定性和产品质量。
工艺参数优化
通过分析不同工艺参数下的应力与应 变分布，可以优化工艺参数，降低成 形过程中的缺陷风险，提高产品的力 学性能和可靠性。
重要性
材料成形原理是材料加工工程领域的基础学科之一，对于深入理解材料加工过 程、优化工艺参数、提高产品质量和降低生产成本等方面具有重要意义。
材料成形原理的基本概念
应力和应变
在材料成形过程中，由于外力的作用， 材料内部会产生应力，导致材料的形 状和尺寸发生变化，这种变化称为应 变。
屈服准则
流动法则
流动法则描述了材料在塑性变形过程 中应力和应变之间的关系，即应力和 应变的变化规律。
应用应变分析方法对冷轧钢板拉深成形的研究
严重，是整个杯件在拉深过程中最容易发生破裂的
部位，拉深成形极限就是由该区域的承载能力来决
图３拉深杯件五个变形区域
定的。保证拉深顺利成形的前提是该区域的承载能 力大于最大拉深成形力，否则将产生破裂。
４．１．３杯壁区域
从图４可见＋在拉深杯件的壁部，应变分布呈带
状分布，从凸模圆角到凹模圆角，径向应变ｓ＆不断
·２４６·
图８杯体完垒成形时的三向应变分布
４．３材料性能对拉深杯件应变分布的影响 】号、２号和４号三种不同性能的材料拉深
第３８卷第６期
理化检验一物理分册
２１１０２年６月ＰＴＣＡ（ＰＡＲＴ Ａ：ＰＨＹＳＲＴＡＩ．ＴＥＳ～７‘ＩＮＧ）
Ｖ”Ｌ１ ３８ Ｎ。６
Ｊｍ ２００２
应用应变分析方法对冷轧钢板 拉深成形的研究
卢国清．邱晓刚 （攀枝花钢铁研究院，攀枝花６１７０００）
但勇 （成都电冶厂科研所，戚都６１００６１）
姚顺忠 （西南林业大学，昆明６５０２２４）
１引言
拉深成形也称拉延成形＋是金属薄板立体成形 中最主要的塑性加工方法，采用拉深工艺可以加工 出筒形、锥形、盒形等各种形状的薄壁零件．如与胀 形工艺相结合可以加工非常复杂的零件，如汽车覆 盖件［１】、油底壳”ｊ、摩托车油箱等。在拉延成形的各 种形状的零件中，圆筒形零件是最简单且最具代表 性的零件。拉深试验正是模拟冲压圆筒形零件的成
圆角区域、杯壁区域、凹模圆角区域和突缘区域，见 图３。图４为测量得到的杯件从圆心到边缘截面上 的三向应变分布图。
在图４中，由凸模直径５０ｍｍ，凸模圆角半径 ５ｍｍ，可知到圆心的距离在０～２０ｍｍ为杯底区域， ２０～２８ｍｍ为凸模圆角区域。因为杯壁的高度是 随着冲压行程的增加而不断变化的，所以要确定杯
汽车覆盖件成形的应变测量技术的研究 毕业答辩PPT-PPT课件
现有不足： •检测尺寸小，大部分1m以内 难以 •实验对象简单，多为拉伸试件 满足 •单状态检测
汽车覆盖件的快速 全场应变检测分析
检测尺寸大，多为2m以上 覆盖件曲面复杂，多为拉深胀形成形 冲压加工工序复杂，需要多状态检测
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材料科学与工程学院
2. 关键问题与技术路线
4.提出汽车覆盖件 的应变测量技术方案
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材料科学与工程学院
2.关键问题与技术路线
技术路线
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3.主要研究内容
材料科学与工程学院
1.大尺寸覆盖件的三维拼接技术研究
三维拼接是在测量对象不同单元的重合区域内布置静止公 共点，在各单元内分别得到公共点空间坐标，将各单元的三维 数据通过公共点配准融台．转化成统一坐标系的完整数据。
R1
xA1
材料科学与工程学院
平均反投影误差
m ni QIJqij
m
nj
i1 j1
i1
22
3.主要研究内容
材料科学与工程学院
3. 多状态下网格点匹配重建的研究
将不同状态下的相同测量单元的行列信息对应起来, 随后 在各测量单元中选择相同的种子点, 作为单元网格重建的初始 位置, 并且保证网格按照相同的拓扑关系进行三维重建。
光束平差优化前
光束平差优化后
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3.主要研究内容
2.基于大量网格点的光束平差优化
光束平差优化前
1 N
N i1
i
2
σm=0.328
光束平差优化后
σm=0.014
表3-1 光束平差优化优化前后截线网格点应变结果
截线编
光束平差优化前
光束平差优化后
号
应变平均值（%） 应变均方差 应变平均值（%） 应变均方差
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第32卷第4期Vol 132 No 14锻 压 技 术 FORGING &S TAMPING TECHNOLOGY2007年8月Aug.2007板料成形制动毂挡尘盖拉深成形过程的应力应变分析夏琴香3,朱小科,尚 越,王甲子(华南理工大学机械工程学院,广东广州 510640)摘要:在大型CAD 软件Pro/E 中建立了汽车车轴制动毂挡尘盖拉深成形的凸凹模模型,运用大型商用有限元软件MSC.Marc ,对其拉深成形过程进行了数值模拟。
分析金属材料在拉深时的流动情况及挡尘盖在拉深后的应力应变分布规律,重点研究了压边力和凸凹模间隙对板材成形性能的影响,分析了起皱和破裂产生的原因、特点、影响因素以及预防措施等。
模拟及试验结果表明,工件在拉深时,凸缘部分材料易产生失稳起皱现象;凸、凹模之间的间隙是影响盒形部分产生破裂的主要原因。
当刚性压边圈与凹模之间的间隙减小到112倍的料厚时,能获得表面质量光滑的合格件;当凸凹模及浮动凸凹模之间的间隙大于料厚时,能确保拉深过程顺利进行。
关键词:挡尘盖;拉深;数值模拟;Marc中图分类号:TG 306 文献标识码:A 文章编号:100023940(2007)0420012204Analysis of stress and strain on deep dra wing process of breaking 2hub dust 2coverXIA Q in 2xiang ,ZHU Xiao 2ke ,SHANG Yue ,WANG Jia 2zi(College of Mechanical Engineering ,South China University of Technology ,Guangzhou 510640,China )Abstract :The models of the punch and die for the deep drawing process of the dust cover used in automotive axle breaking hub was established by CAD software ,Pro/E ,and then the deep drawing process was carried out by the FEA software ,MSC.Marc.The metal flowing during drawing and the distributions of the stress and strain after drawing were studied ,the effect of the blank holdering force and the clearance between the punch and die on the forming prop 2erty were mainly investigated.The reasons ,characteristics ,influence factors and prevention measures of the f racture and wrinkle were analyzed.Both the simulation and experiment results show that ,wrinkle occurs easily in the flange region ,and the clearance between the punch and die is the main factor to influence the fracture.When the clearance be 2tween the rigid blank holder and die is less than 112times of blank thickness ,the workpiece with smooth surface quali 2ty can be obtained ;when the clearance between the punch 2die and the floating punch 2die is greater than the blank thick 2ness ,the deep drawing process would be proceeded successf ully.K eyw ords :dust 2cover ;deep drawing ;numerical simulation ;Marc3女,43岁,博士,教授收稿日期:2006209218;修订日期:20062122201 引言模具CAD/CA E/CAM 既是改造传统模具生产方式的关键技术,又是一项高科技、高效益的系统工程。
它以计算机软件的形式,为企业生产提供了一种有效的辅助工具,使工程技术人员借助计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。
模具CAD/CA E/CAM 技术对缩短模具设计与制造周期,降低生产成本和提高产品质量所起的显著作用己成为模具界的共识[1]。
本文运用大型商用有限元软件MSC 1Marc 对汽车车轴制动毂挡尘盖拉深变形过程进行了数值模拟,分析了金属材料拉深时的流动情况及挡尘盖在拉深后的应力应变分布规律,重点研究了凸凹模圆角半径、压边力和凸凹模间隙对板材成形性能的影响,对实际生产中所采取的工艺参数进行预先的验证分析,用分析的结果指导生产实践。
2 模型的建立211 三维立体模型的建立汽车车轴制动毂挡尘盖形状复杂(图1),用于拉深的凸凹模形状也较复杂,不易在Marc 中直接建模。
本文首先在大型CAD 软件Pro/E 中建立了挡尘盖拉深成形的凸凹模模型(图2),然后通过CAD 和CA E 之间的接口格式文件,将模型数据输入到CA E 软件Marc 中进行模拟拉深分析。
212 有限元模型的建立图3所示为导入Marc 中的有限元模型。
采用四边形单元进行毛坯的有限元离散[2],单元数为图1 汽车车轴制动毂挡尘盖二维产品图Fig 11 Two 2dimensional diagram of t he dust 2cover used inautomotive axle breaking 2hub图2 汽车车轴制动毂挡尘盖零件三维模型图Fig 12 Three 2dimension model of t he dust 2cover used inautomotive axle breaking 2hub图3 汽车车轴制动毂挡尘盖有限元模型Fig 13 FEA model of t he dust 2cover used in automotiveaxle breaking 2hub5446。
模拟及试验时所采用的拉深速度为6mm ・s -1,材料选用08Al 钢,应力-应变关系式为σ=553147×ε01234+180,其力学性能参数如表1所示[3]。
拉深成形时所采取的凸模圆角半径r p =218mm 、浮动凸模圆角半径r f =10mm 、凹模圆角半径r d =515mm 、凸凹模间隙Z 1=0188mm 、浮动凸凹模间隙Z 2=0188mm 、拉深筋高度h =8mm 、拉深筋范围α=180°、拉深筋与中心点距离l =260mm 。
表1 材料参数T able 1 Material p arameters弹性模量E /MPa 屈服强度σs /MPa塑性应变比r 加工硬化系数n1186×10518011801234本文采用库仑摩擦模型,摩擦系数取011。
模型采用Marc 软件的自动接触功能,在毛坯与凸凹模和压边圈之间建立了刚体-变形体接触对,将凸凹模和压边圈视为刚体,毛坯视为变形体。
3 拉深过程的应力应变分析图1所示的汽车车轴制动毂挡尘盖的局部盒形结构转角部位的圆角半径为20mm ,宽度为82mm ,二者比值为0124;而一次拉深可成形的盒形结构的高度为圆角半径的4～6倍,即80～120mm ,大于所要求的6318mm 的高度,所以局部盒形部分可以一次拉深成形[4]。
拉深工艺流程如下:先拉深盒型部分,再拉深加强筋部分。
如图3所示,在拉深制动毂挡尘盖时,凸模固定,凹模、压边圈向下运动,浮动凸模和浮动凹模向下随动,毛坯夹在凹模与压边圈、浮动凹模和浮动凸模之间向下拉深成形[5]。
图4所示为制动毂挡尘盖拉深成形时应力应变分布云图。
由图可见,盒型件顶端的网格在整个拉深过程中都没有太大的变化,说明盒型件顶端的材料在拉深过程中没有太大的流动。
变形最大的部位在盒型件的圆角和直壁处,矩形网格变形成平行四边形甚至是梯形等不规则四边形网格。
台阶处的大部分区域变形程度也较小,只有在6条加强筋和圆角部分才存在一定的变形,矩形网格变形为不规则的四边形。
盒型部位的径向、切向、厚向应变最大,特别是直壁部位。
由于制动毂挡尘盖不是承力件,对厚度应变要求没有那么敏感,所以方案是符合工程实际要求的。
由应力场云图可知,盒型部位是整个零件中承受应力最大的区域,特别是盒型部分的顶端圆角和直壁的交接处,应力最大,是危险截面所在区域。
台阶处的加强筋圆角部位也存在较大的应力,但是与盒型部位相比就安全多了,不是危险截面所在区域。
31第4期夏琴香等:制动毂挡尘盖拉深成形过程的应力应变分析 图4 应力应变场云图(a )径向应变场云图 (b )切向应变场云图(c )厚向应变场云图 (d )等效应力场云图Fig 14 Contour bands of stress and strain(a )Contour band of radial strain field (b )Contour band of tangential st rain field (c )Contour band of axial strain field(d )Contour band of equivalent stress field4 试验研究411 起皱现象及其防止措施工件在拉深时,其凸缘部分在切向压应力作用下,使凸缘材料失稳起皱。
一般来说,切向压应力在凸缘的外边缘为最大,故起皱也易首先在最外边缘出现。
同时,材料的相对厚度t/d o 越小(即材料越薄),越容易发生起皱,盒型件的端部即相当于筒型件拉深的凸缘,在拉深时易产生起皱现象。
图5、图6分别为在模拟及试验时,当压边圈与凹模之间的间隙为115倍的料厚(112mm )时,盒形件端面产生的起皱现象。
图5 盒型件端部起皱模拟图Fig 15 Simulation result s of t he flange regionwrinkle图6 盒型件端部起皱实物图Fig 16 Wrinkle in t he flange region of t he experiment result一般来说,起皱并不是拉深工作中的主要问题,因为它总是可以通过使用压边圈、拉深筋等方法来消除[6]。