文/王坤，付天亮，王昭東·東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

ANSYS數(shù)值模擬技術(shù)在沖壓生產(chǎn)中的應(yīng)用

文/王坤，付天亮，王昭東·東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來(lái)，板料沖壓成形作為一種重要的塑性加工工藝,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、汽車(chē)、儀表等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。但板料在沖壓生產(chǎn)中可能遇到各種各樣的問(wèn)題，而ANSYS/LSDYNA數(shù)值模擬技術(shù)的日漸成熟，無(wú)疑為解決這類(lèi)問(wèn)題提供了一種全新的方式。

數(shù)值模擬技術(shù)的引進(jìn)與發(fā)展

板料成形數(shù)值模擬研究始于20世紀(jì)60年代。早期的研究采用的是有限差方法,主要是針對(duì)一些規(guī)則的形狀簡(jiǎn)單的沖壓件。1977年，在美國(guó)通用汽車(chē)公司召開(kāi)了一個(gè)關(guān)于板材沖壓成形力學(xué)分析的研討會(huì)，會(huì)上發(fā)表了兩篇關(guān)于沖壓成形有限元數(shù)值模擬分析的文章，從此板料沖壓成形數(shù)值模擬發(fā)展了起來(lái)。

近年來(lái)，數(shù)值模擬技術(shù)得到迅速發(fā)展。由于其強(qiáng)大的計(jì)算功能，從而使它的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前已經(jīng)能夠很輕松地分析復(fù)雜的三維板料成形過(guò)程包括：動(dòng)態(tài)分析、缺陷分析等等。這一關(guān)鍵性的技術(shù)既可以用于模具設(shè)計(jì)階段，也可應(yīng)用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，分析并解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的各種問(wèn)題。有限元數(shù)值模擬技術(shù)涉及數(shù)值分析方法、工程力學(xué)、材料力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及塑性加工技術(shù)等多種學(xué)科，是近年來(lái)的熱門(mén)學(xué)科之一，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。

ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介及應(yīng)用

板料成形數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了應(yīng)用階段，國(guó)外已經(jīng)形成了一些非常專(zhuān)業(yè)、非常成熟的有限元分析軟件。這主要包括：ETA/DYNAFORM、DYNA-3D、PAMSTAMPAUTOFORMLS-DYNA、ANSYS、MARC以及ABAQUAS等。世界上最大的通用有限元分析軟件ANSYS公司在收購(gòu)了其他一些模擬軟件后，打包并合并到ANSYS中，形成了功能強(qiáng)大、界面友好、分析完善的模擬軟件，幾乎在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)都能對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析。值得一提的是，自從ANSYS合并了LS-DYNA之后，在板料成形領(lǐng)域變得更加強(qiáng)大，不僅可以模擬預(yù)壓邊、拉延、翻邊、彎曲、多工步成形等過(guò)程，還能夠預(yù)測(cè)板料起皺、拉裂、回彈、壓痕、料厚變化、拉延筋布置及壓力機(jī)噸位等工藝參數(shù)。這主要是ANSYS借助LS-DYNA本身所具有的特色加上自身原有的強(qiáng)大的前處理器、后處理器以及功能強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分方法，使這些都能夠輕松的實(shí)現(xiàn)。

ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行板料沖壓數(shù)值模擬操作流程

單元選擇及物性參數(shù)確定

沖壓成形件往往伴隨著大變形、大應(yīng)變。模具表面和材料的接觸狀況也是相當(dāng)復(fù)雜，板料流動(dòng)往往是非穩(wěn)態(tài)的，成形過(guò)程中還往往伴隨有拉深和壓縮失穩(wěn)現(xiàn)象。因此對(duì)板料成形的特殊性，合理選擇變形有限單元類(lèi)型以及正確劃分網(wǎng)格單元?jiǎng)t顯得格外重要。通常板料成形采用殼體類(lèi)單元，單元節(jié)點(diǎn)為3或者4，節(jié)點(diǎn)自由度為5。對(duì)于板料成形其主要物性參數(shù)有：揚(yáng)氏模量、泊松比、屈服應(yīng)力、硬化指數(shù)、板厚、摩擦系數(shù)等等。這些參數(shù)的來(lái)源主要有2種方式，有的通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取；有的完全依靠廠家提供。無(wú)論哪種方式，獲取材料物性參數(shù)是模擬的前提。

模型建立

ANSYS本身就帶有建模功能，并且提供了一些三維建模軟件所具有的布爾運(yùn)算，用戶可在ANSYS上實(shí)現(xiàn)模型建立。對(duì)一些簡(jiǎn)單模型，利用ANSYS本身所具有的建模工具足以完成建模，但對(duì)于一些特別復(fù)雜的模型，特別是一些三維曲面，利用ANSYS建立模型則顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力。這時(shí)，一般采用專(zhuān)業(yè)的三維制圖軟件（如Pro/E，UG等）實(shí)現(xiàn)模型的建立，ANSYS提供了專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)接口，用戶可以方便地把模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行后續(xù)的分析處理。

網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是至關(guān)重要的一步，也是關(guān)乎運(yùn)算結(jié)果是否精確的一步。ANSYS提供了2種網(wǎng)格劃分的方式：自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分。一般先采用手動(dòng)劃分網(wǎng)格，然后根據(jù)需要再進(jìn)行手動(dòng)劃分。比如曲面模型比較復(fù)雜，部分區(qū)域需要細(xì)化。網(wǎng)格劃分應(yīng)該正確反映結(jié)構(gòu)體的受力和變形情況，網(wǎng)格的粗細(xì)稠密也要適當(dāng)。網(wǎng)格過(guò)密，計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，效率低下；網(wǎng)格過(guò)疏，誤差較大，有時(shí)候甚至不能反映真實(shí)的變化情況。通常的原則是在保證有足夠精確度的情況下，網(wǎng)格盡量劃的稀疏些，這樣不僅能得出讓人滿意的結(jié)果，還能節(jié)省時(shí)間。

創(chuàng)建PART定義接觸

PART是具有相同單元類(lèi)型、實(shí)常數(shù)、材料號(hào)組合的一個(gè)單元集體，是模型中一個(gè)特定部分，必須事先定義，關(guān)乎下面的分析步驟是否正確，根據(jù)具體情況定義接觸。

設(shè)置邊界條件施加載荷

根據(jù)具體所分析的內(nèi)容施加相應(yīng)的邊界條件和荷載。在板料成形分析中主要是約束和作用力等。

分析求解

在上述所有步驟定義完畢后，確認(rèn)無(wú)誤后，選擇“solve”命令進(jìn)行求解。

結(jié)果后處理

ANSYS提供了強(qiáng)大的后處理功能，主要包括通用后處理器和時(shí)間歷程后處理器。用戶可以得到相應(yīng)的信息，如：應(yīng)力、應(yīng)變、是否發(fā)生失穩(wěn)等等。

典型沖壓件成形過(guò)程數(shù)值模擬分析

下面以某廠生產(chǎn)的典型沖壓件為例，具體說(shuō)明數(shù)值模擬方法的應(yīng)用。其中板料厚度為6mm，密度為7850kg/m3，楊氏模量E為127GPa,摩擦系數(shù)為0.3，采用殼單元進(jìn)行分析。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，直接利用ANSYS建立了如圖2所示的模型。

圖1 ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行板料沖壓數(shù)值模擬操作流程

圖2 整體模型

圖3 分析模型

從圖上可知模型緊湊，無(wú)任何缺陷。利用ANSYS自帶的強(qiáng)大網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)圖3的模型劃分網(wǎng)格，劃分后的有限元模型，如圖4所示，從圖4上可以看出網(wǎng)格密集。

建立有限元模型，創(chuàng)建PART，定義接觸，在特定區(qū)域施加上載荷之后，設(shè)定輸出控制選項(xiàng)，讓ANSYS自動(dòng)求解。由于網(wǎng)格劃分相對(duì)密集，大約一個(gè)小時(shí)之后ANSYS完成運(yùn)算，得出如圖5所示的應(yīng)力分布云圖。

從圖5我們可以很清楚地看出應(yīng)力最大的區(qū)域在邊界處，應(yīng)力最小的區(qū)域在中間位置。邊界處變形較大，塑性流動(dòng)較多，因此所受應(yīng)力較大；中間位置幾乎不參與塑性變形，應(yīng)力自然很小，其他區(qū)域應(yīng)力介于最大和最小之間。通過(guò)已有的塑性加工知識(shí)我們知道，這和實(shí)際是相符合的。因此利用有限元分析方法模擬板料沖壓生產(chǎn)是可行的。

圖4 有限元單元網(wǎng)格模型

圖5 應(yīng)力分布云圖

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬分析技術(shù)在沖壓生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，代替?zhèn)鹘y(tǒng)經(jīng)驗(yàn)加試驗(yàn)的生產(chǎn)模式，使沖壓工藝有了預(yù)見(jiàn)性和科學(xué)性，同時(shí)也提高了模具設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而大幅縮短了模具設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)制造周期，提高了企業(yè)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)可以成功地預(yù)測(cè)零件在沖壓成形中的變形過(guò)程，不僅為生產(chǎn)實(shí)踐提供了理論指導(dǎo)，還為后續(xù)加工節(jié)約了成本，大大提高了生產(chǎn)效率。但是，利用數(shù)值分析來(lái)完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的成形方法，目前來(lái)看還不能做到，還有好多工作需要去做，對(duì)技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、計(jì)算機(jī)和外語(yǔ)水平都有很高的要求。毫無(wú)疑問(wèn)，利用數(shù)值模擬技術(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐是可行的，并且具有重大的意義，這將會(huì)是生產(chǎn)加工業(yè)的一場(chǎng)革命。