1、 題 目：基于Dynaform的圓筒軸線圓 孔翻邊成形數值模擬 院 （部）： 機電工程學院 專 業： 機械工程及自動化 班 級： 機械101 姓 名： 尚克紅 學 號： 2010071115 指導教師： 王忠雷 完成日期： 2013年11月8日摘要本文主要介紹了有限元分析法，通過使用有限元分析軟件dynaform對圓筒軸線圓孔翻邊成形進行數值模擬。通過對照模擬結果，用正交試驗法分析并總結出壓延筋、壓邊力和摩擦系數對成形的影響規律。分析試驗表明，壓邊力對于圓孔翻邊的成形影響最大，壓延筋其次，摩擦系數最弱。通過對圓筒軸線圓孔翻邊單因素影響分析，可以得出：當壓邊力、壓延筋和摩擦系數參數值分別為200

2、00N、設置壓延筋和0.1時，零件最終成形的效果最好。最后參考理論計算以及分析試驗的結果，為工業生產做圓筒中心圓孔翻邊成形理論基礎。關鍵詞：有限元分析法，圓筒中心圓孔翻邊成形，板料成形，數值模擬，工藝參數影響規律Abstract This research introduced FEM, and used FEM software dynaform to finish Numerical Simulation of the hole-flanging process. Controlling the result of Numerical simulation, I used Orthogon

3、al test to analysis them, and summary the law which Draw bead, BHF and Friction coefficient affect box filler stamping. In the end, I referenced result of research to design the mould for the hole-flanging process.Key words: FEM, the hole-flanging process., sheet metal forming, numerical simulation,

4、 process optimization正文1.1 板料成形的模擬技術1.1.1 有限元分析法有限元分析（finite element analysis-FEA）誕生于二十世紀六十年代的，它是一種預測結構的偏移與其它應力影響的過程，有限元建模（FEM）將這個結構分割成單元網格以形成實際結構的模型，每個單元具有簡單形態（如正方形或三角形），有限元程序將這些單個單元的剛度矩陣組合起來以形成整個模型的總剛度矩陣，并給予已知力和邊界條件來求解該剛度矩陣以得出未知位移，從節點上位移的變化就可以計算出每個單元中的應力。在有限元的理論和算法不斷完善下以及計算機技術普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在機械

5、制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學研究等各個領域都被廣泛地使用，而且已使設計水平發生了質的飛躍，主要表現為這幾個方面：（1） 增加產品和工程的可靠性； （2） 在產品的設計階段發現潛在的問題（3） 經過分析計算，采用優化設計方案，降低原材料成本（4） 縮短產品投向市場的時間（5） 模擬試驗方案，減少試驗次數，從而減少試驗經費1.1.2 有限元分析法在不同條件下的分析情況有限元分析方法是目前金屬模擬成形方法中最為廣泛的分析方法。有限元分析法功能強大在于它可以用不同形狀、不同大小、不同類型的單元來描述任意形狀的物體。自有限元分析誕生以來，不斷

6、地被研究人員用于研究成形技術中，其中金屬成形數值模擬就是一個方面。就金屬成形而言，有限元法可以分為固體型塑性有限元（solid formulation）和流動型塑性有限元（flow formulation）兩類，其中固體型塑性有限元包含了彈塑性有限元和彈粘性有限元，而流動型塑性有限元包含了剛塑性有限元和剛粘性有限元。一般情況下，彈塑性有限元適用于分析板料成形如拉延、彎曲、縮口等工藝，剛塑性、剛粘塑性有限元適用于分析擠壓、鍛造、壓印、軋制等大變形的體積成形問題。關于不同的分析方法、不同的材料模型、模擬零件形狀等條件，研究人員做了不同的模擬研究：（1） 關于彈塑性有限元法1976年，Wifi用彈塑

7、性有限元法模擬了圓形板料在半球形凸模作用下的脹形和拉延過程，1978年，Wang基于非線性薄殼理論采用彈塑性全Lagrange格式對一般形狀的沖壓成形問題進行了分析。1985年，Makinouchi用彈塑性有限元法分析了彎曲和修邊過程。1988年，Nakamachi用彈塑性有限元法對方盒形拉延件進行分析，取得了和試驗相一致的結果。1989年，Nonecker用顯式分析方法模擬了加油盒的成形過程。在這之前，研究人員使用的計算方法還普遍是隱式分析，之后，顯式分析法被逐漸廣泛使用。（2） 關于剛塑性有限元法1973年，Kabayashi采用剛塑性有限元法模擬了板料沖壓成形過程。1980年，Oh.S.

8、I.和Kabayashi用剛塑性有限元法對成形中的拉彎過程進行分析。1984年，Wang用剛塑性有限元法對速率敏感材料的成形問題進行了分析。1985年，Toh和Kabayashi采用板殼單元，剛塑性有限元法分析了三維方盒形件的深拉延過程。（3） 關于軸對稱形狀的零件件軸對稱零件，形狀左右對稱，如圓筒形件、方盒形件等。1978年，Onate和Zienkiewicz基于非牛頓流體的流動理論，用粘塑性有限元法分析了軸對稱情形下的脹形和拉延過程。2002年，哈爾濱工業大學的張凱峰采用剛粘塑性本構關系，開發了粘塑性板殼成形有限元分析程序，并對方盒的超塑成形進行了分析；李順平采用剛塑性本構關系，對方盒形件

9、的拉延成形過程進行了數值模擬。（4） 關于非軸對稱形狀的零件非軸對稱零件的種類非常的多，汽車零件大部分都屬于非對稱零件。隨著汽車制造業地不斷發展，人們碰到的問題越來越多，雖然問題都逐漸被一一解決，但是，由于汽車零件種類繁多，有些相對來說不太重要的零件還存在著許多問題還沒有解決，研究領域還是存在部分的空白，比如像汽車加油盒。1.1.3 Dynaform在沖壓成形中的應用有限元分析軟件正普遍地被用于各學校、研究所以及企業之中，目前在金屬塑性材料成形分析領域中被廣泛應用的有限元分析軟件主要有：美國ETA公司的eta/Dynaform、MSC公司的MSC.Marc、美國ANSYS公司的ANSYS、德國

10、AUTOFORM工程有限公司的Auto form、法國ESI集團的PAM系列軟件等。而本次模擬研究試驗所使用的有限元模擬軟件是美國ETA公司和LSTC公司聯合開發的用于板料成形數值模擬的專用軟件dynaform來進行對加油盒零件模擬成形。dynaform是LS-DYNA求解器與ETA/FEMB前后處理器的完美結合，具有操作簡單，運算速度快，后處理模塊功能強大（如圖11所示。）等多個特點，是當今流行的板料成形與模具設計的CAE工具之一。圖01基于Dynaform后處理中網格筋殼片成形毛坯受應力情況Dynaform主要模塊：（1） 基本模塊：DYNAFORM中的基本模塊提供了良好的與CAD軟件的I

11、GES、VDA、DXF、UG和CATIA等的接口，以及與NASTRAN、IDEAS、 MOLDFLOW等CAE軟件的專用接口，以及方便的幾何模型修補功能。（2） BSE（板料尺寸計算）模塊：其模塊功能主要是采用一步法求解器，可以方便地將產品展開，從而得到合理的落料尺寸。（3） DFE（模面設計）模塊：DYNAFORM的DFE模塊可以從零件的幾何形狀進行模具設計，包括壓料面與工藝補充。DFE模塊中包含了一系列基于曲面的自動工具，如沖裁填補功能、沖壓方向調整功能以及壓料面與工藝補充生成功能等，可以幫助模具設計工程師進行模具設計。Dynaform主要應用范圍：（1） 沖裁、壓邊、拉延、彎曲、翻邊、回

12、彈、多工步成形等典型板金成形；（2） 液壓成形、輥彎成形；（3） 零件模具型面設計；（4） 壓機負載分析等。Dynaform能夠幫助工程技術人員減少沖壓產品開發周期，解決模具設計中所關心的可成形性、起皺、回彈、壓痕以及壓力機噸位預測等問題，是高效的板金成形仿真工具。與其他有限元分析軟件相比較，Dynaform具有模擬結果精確、環境單一、自動化、兼有顯示求解法與隱式求解法，能無縫轉換等優點。其前處理和后處理等模塊功能強大，操作簡單，受力和應力情況清晰易懂，而且可以直接導入絕大部分主流CAD、CAE數據格式，如IES、STL、U、CATIA、PRO/E、AUTOCAD等，鑒于以上優點，選擇dyna

13、form作為本次研究實驗所用的軟件。1.2 圓筒軸線圓孔翻邊成形研究現狀圓筒軸線圓孔是一種曲面軸對稱的高拉延件，屬于成形件，其成形高度尺寸大于寬度尺寸，毛坯周邊的變形分布極不均勻，材料的流動特點與直壁盒形件等對稱零件存在很大的差別。單邊拉深高度很大，因此在拉深過程中，變薄率對翻邊零件來說很重要，而且當變薄率過大時，容易造成零件破裂的情況。在工業生產中，圓筒軸線圓孔翻邊的生產與研發往往只是通過工人師傅的經驗來進行工藝參數的選定，而這樣會消耗大量的人力、物力和時間，使得生產研發事倍功半。近些年來，隨著CAD/CAE/CAM技術的不斷進步發展，沖壓模具及其工藝設計已經突破并逐漸取代了傳統的設計方法。

14、采用計算機模擬，對板料沖裁成型的工藝過程進行有限元分析，可以推測出金屬的流動趨勢、模具受力情況、應力應變分布等，還可以預測出板料成形過程中，發生的起皺、破裂及成形后的回彈。這大大的提高了生產效率，保證了工件的質量，減少了耗材，縮短了產品周期，對模具行業有非常重要的意義。1.21.2.1 圓筒軸線圓孔翻邊研究進展情況最近幾十年來，隨著國內有限元分析技術不斷地提高，國內研究人員知識水平地提高，逐漸在圓筒軸線圓孔翻邊件上開始了實驗研究。2007年，重慶大學機械工程學院的李紅對汽車加油盒成形進行了實驗研究。他采用有限元分析軟件Dynaform對該零件的成形過程進行計算機數值模擬，預測可能出現的問題或缺

15、陷，然后通過修改和優化工藝及模具參數，得到適用于生產的加工模型，并實用于工業生產中。 盡管如此，國內對汽車加油盒的研究還是比較的少，而且比較簡單，很多成形參數和工藝參數分別對成形的具體影響方面，還是需要我們去研究去探索。1.2.2 圓筒軸線圓孔翻邊在加工中存在的問題圓筒軸線圓孔翻邊在工業生產過程中，往往只是靠著工人師傅的經驗來完成對加油盒生產的參數設置，沒有具體的數值規律使得零件在生產和更新中浪費了時間，同時也浪費了財力和物力。而且，在有限元的使用逐漸普遍的情況下，對圓筒軸線圓孔翻邊零件的模擬分析比較少也不夠全面，希望能通過本次試驗研究，為加油盒模擬研究進一份微薄之力。在成形過程中，最主要的兩

16、個問題就是起皺和破裂。這兩種都屬于質量缺陷，一旦出現，就會使得零件無法使用。因此，必須通過試驗分析，找出各工藝參數對于成形的影響，找出最佳值，總結出規律，為圓筒圓孔零件在工業生產中增加效率。1.3 研究內容本課題名稱為圓筒圓孔翻邊成形數值模擬及模具設計，主要內容就是通過采用塑性有限元法（FEM），利用先進成熟的美國eta 公司的Dynaform 軟件對圓筒圓孔翻邊成形進行計算機數值模擬，在不發生質量缺陷的情況下，探究各拉深成形工藝參數對于圓筒圓孔翻邊成形結果的影響，找出并總結具體影響的規律，繪制出曲線圖，并同時參考理論計算以及試驗分析結果設計出該模具。具體內容如下：（1） 基于正交試驗的圓筒圓

17、孔翻邊成形工藝優化；（2） 圓筒圓孔成形質量影響因素分析；1.4 課題研究目的及意義此次研究試驗的結果將會對圓筒軸線圓孔翻邊的工業生產有很大的幫助，在圓筒軸線圓孔翻邊以及其他復雜零件的生產中，對這些零件的工藝設計仍然采用類比方法，依靠定性分析、物理模擬加實驗驗證，理論分析嚴重滯后。從生產中積累的經驗知識存在不直觀、不系統的缺陷，而成形數值模擬研究可得到直觀的動態成形效果顯示，其計算結果可指導實際生產，減少生產研發的周期，降低零件廢品率，提高模具使用壽命，節約了人力、物力和財力，因此對這類零件進行系統的有限元數值模擬研究具有理論和實踐上的雙重價值，同時還為非軸對稱高拉延件的有限元分析研究提供一些

18、理論的基礎。 2板料拉深成形數值模擬理論基礎22.1 拉深成形工藝參數的確定在板料拉深成形過程中要想得到變薄率較小符合工業生產要求，沒有缺陷的理想制品，必須確定出拉深成形主要工藝參數的合理取值范圍。拉深成形的主要工藝參數包括拉深次數、壓邊力以及摩擦系數等等。由于加油盒零件不屬于規則零件，一般的公式無法適用于它，因此，本節通過參考相關文獻以及工業生產中的實際情況給出各個參數恰當的加載范圍，也為后期優化這些工藝參數提供了合理的變量取值區間。各參數加載范圍如表21 各參數加載范圍所示。表01 各參數加載范圍參數摩擦系數壓邊力沖壓速度數值范圍0.1-0.1510kN-30kN2000m/s2.2 有限

19、元數值模擬22.12.22.2.1 幾何模型數值模擬中的圓筒圓孔翻邊 屬于曲面模型，通過對圓筒圓孔零件實體臨摹，并在三維軟件ug中進行建模，將模型導成所需曲面模型的IGES交換格式文件然后讀入到數值模擬軟件中。模具，模型如圖22 通過ug對圓筒圓孔板料進行建模所示。 圖02 通過ug對圓筒圓孔板料進行建模2.2.2 材料參數所選用的材料為DSQK36，其材料物理性能參數DQSK36材料，其質量密度是7.85e-009，楊氏模量是207GPa，泊松比是0.28，厚向異性指數R（R00：2.15；R45：2.25；R90：2.92），厚度是0.7mm網格劃分有限元網格劃分的質量對后續成形計算分析的

20、結果有很大的影響。劃分的有限元網格應該盡可能的保證反映出原曲面模型的形狀特征，單元的數目必須控制在一定的范圍內，因為單元數目過多會造成計算時間過長和效率降低?？傊群托始骖?。以最大單元尺寸10為單位和最小單元尺寸為5單元劃分網格，凹模網格劃分結果凸模網格劃分結果壓邊圈圖網格劃分結果圖23 是板坯模型曲面在dynaform 中有限元網格劃分的結果，模具因為是剛體不會產生變形為主動面，網格劃分疏密程度較粗，板坯為成形分析對象為從動面，因此網格疏密程度相對模具要高。具體的各個模型的節點和單元的統計列表如Error! Reference source not found.所示。板料網格劃分結果凹

21、模網格劃分結果凸模網格劃分結果壓邊圈圖網格劃分結果圖03 2.2.3 單元類型選擇用于板料成形分析的有限元類型有膜元、殼元、實體元等。薄膜單元忽略了彎曲對變形的影響，應力、應變被認為是沿厚度均勻分布的，單元構造簡單，在早期的沖壓成形模擬中被較多的使用，它只適應于脹形這類彎曲效應不明顯的成形計算，不能模擬彎曲效應引起的回彈和起皺現象。能模擬彎曲效應的只有殼元和實體元，但實體單元由于板厚小易引起剛度矩陣的奇異，往往要求單元劃分較密，導致計算量過大，所以目前廣泛采用殼單元。應用于板料成形的殼單元可分為二類：一類是基于Kirchhoff板殼理論的薄殼單元，另一類是基于Mindlin理論的殼單元。Kir

22、chhoff殼單元需要構造C1連續的插值函數，對于三維問題，單元構造困難，格式復雜，它忽略了橫向剪切變形的影響，對中厚殼的計算誤差較大?；贛indlin理論的殼單元，采用結點位移和轉動各自獨立插值的形式，它和實體元一樣是C0型單元，構造簡單，計算效率高，不僅適用于薄殼分析，也適用中厚殼的分析。目前最常用的是四節點四邊形薄殼單元，其算法有兩種，即 Huhes-Liu 算法和Belytschko-Tsay算法。在有限元計算過程中對殼單元選擇的基本要求是簡單、經濟、可靠?；贛indlin板殼理論的 Huhes-Liu 單元(HL 單元)和Belytschko-Tsay單元(BT 單元)，由于在單

23、元節點上存在獨立的轉動自由度，單元構造比較容易，而且可以很好地分析成形過程中的彎曲、起皺及回彈問題，所以是目前使用的最為普遍和成功的兩種殼單元。HL 單元是從三維實體單元退化而來，這種單元的特點是：可以適應任意復雜變形，具有較高的計算精度，但是單元公式比較復雜，計算量較大，在求解大型復雜成形問題時需要較長的計算時間。BT單元是對 HL 單元計算效率的一種修正，它由于采用了基于隨動坐標系的應力計算方法，有很高的計算效率。特點是：采用單點積分，使得計算過程相當簡單，不必計算費時的Jaumann應力，有很高的計算效率，目前成為顯式有限元分析的最有效的單元，但是計算過程中可能會有零能模式出現，稱為“砂

24、漏”。所以需在每個單元節點上施加砂漏控制力，在一般情況下能得到與 HL 單元較為一致的計算結果。因此，基于以上分析，本文所進行的拉深成形的有限元分析都是基于BT殼單元進行的。2.2.4 接觸條件和加載DYNAFORM 中有 9 種不同的接觸類型，要選擇合適的接觸類型來描述實際的物理系統，為了選擇合適的接觸類型，往往需要對接觸方式和算法有深入的理解。模具通常定義為目標面，而工件則定義為接觸面。在這些接觸類型中，模具無需網格貫通，因此減小了接觸定義的復雜性，但模具網格的方向必須一致，在接觸分析中，由于問題的復雜性，判斷接觸發生的方向有時是很困難的，因此分析中應盡量使用自動接觸。自動接觸與普通接觸的

25、區別在于對殼單元接觸力的處理方式不同，自動接觸考慮殼的厚度，接觸在殼單元的兩側都發生。若為普通接觸，接觸只在殼單元的法向方向發生。在殼單元中，接觸通過法向投影中面的 1/2 接觸厚度（Contact Thickness）來確定接觸面，接觸厚度可以在接觸的定義中明確指定。在主、從面被確定后需要考慮合適的接觸搜索方式，接觸搜索方式中按檢查節點對面的穿透方式分為單向接觸和雙向接觸，由于在單向接觸中，僅有從節點被檢查是否穿透主面，而不考慮主節點，雙向接觸既檢查從節點對主面的穿透，又檢查主節點對從面的穿透，代價是兩倍左右的計算時間。因此，單向接觸要比雙向接觸運行速度快得多，因此被廣泛應用。因此，模具與管

26、坯之間的接觸參數設置選用AUTO_ONE_WAY_S_TO_S（自動單向面到面）。2.2.5 定義求解時間和輸出文件步長定義合適的求解時間對內高壓成形模擬十分重要，求解時間越長（即越接近實際的成形時間）模擬結果就越接近實際結果。但是定義較長的求解時間，模擬時間也會很長（相同的條件下，模擬運算時間和定義的求解時間成正比）考慮以上因素及計算機配置，為了提高計算速度和精度，同時也要滿足動力顯式算法對時間步長的要求，模擬過程的時間要遠遠小于實際的時間，因此可以通過放大速率來實現，其中速率放大了1000倍。本文定義求解時間為0.011秒。輸出文件步數多少影響運算時間和后處理的操作，特別是模擬有較大變形的情況，步數多有利于后處理中的顯示和對各個時刻變形的研究分析。本文設置的輸出文件步數為11步。2.3圓筒圓孔翻邊成形正交試驗設計當采用壓延筋、壓邊力為20000N以及摩擦系數為0.1時，其成形極限圖和厚度變化圖如3-1和3-2所示。圖 01成形極限圖(紅色為破裂危險區)圖 02 厚度變化圖從成形極限圖可以看出，即使采用最優的參數組合，拉深時依然存