謝秉順，王興元，朱健軍，魯萬(wàn)彪，唐晶晶，何亞峰，盧文壯

（1.南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司工業(yè)化部，江蘇南京210031;2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

0 前言

板料成形是一種復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，它包含幾何非線性、材料非線性、接觸非線性等方面非線性問(wèn)題，用傳統(tǒng)的解析方法存在求解困難或解析值的誤差較大等問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)發(fā)展了有限元法對(duì)板料成形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和分析的新技術(shù)［1］。采用有限元法可以預(yù)測(cè)板料成形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律，模擬成形過(guò)程中的起皺、破裂及隨后的回彈，能夠比較準(zhǔn)確地分析各種工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程的影響［2］。沖壓工藝模擬仿真分析有利于工藝人員更好的進(jìn)行工藝審核，便于制定有效的工藝方案，杜絕不合格品的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)降低成本，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)沖壓成形工藝的數(shù)字化管理。CAD/CAM是軌道交通裝備研制和生產(chǎn)的必然趨勢(shì)，本文以城市軌道車輛用某型號(hào)小彎梁零件為對(duì)象，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)小彎梁成形進(jìn)行分析，得出小彎梁成形極限、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布、厚度分布等，為沖壓成形小彎梁類零件的設(shè)計(jì)及其沖壓成形工藝開(kāi)發(fā)提供參考。

1 幾何模型及有限元模型

研究對(duì)象為某型號(hào)城市軌道車輛車廂小彎梁零件，成形工藝采用模具沖壓成形。小彎梁成形板料為厚度2mm的Q355GNH高耐侯結(jié)構(gòu)鋼板材。其毛坯尺寸根據(jù)零件的實(shí)際幾何尺寸，通過(guò)有限元分析軟件計(jì)算獲得。小彎梁的成形分析幾何模型在Pro/E中建立，如圖1所示。圖中小彎梁成形分析幾何模型包括模具和小彎梁零件兩個(gè)部分。根據(jù)成形分析要求，幾何模型中模具模型定義為剛性板，小彎梁模型為實(shí)體模型。

圖1 小彎梁成形分析幾何模型

板料沖壓成形有限元仿真分析的單元類型有三類，基于薄膜理論的薄膜單元、基于板殼理論的殼單元和基于連續(xù)介質(zhì)理論的實(shí)體單元［3，4］。為了更加貼近實(shí)際，基于mindlin理論，本文在小彎梁沖壓成形有限元仿真分析中采用BelytSChko—Wong—Chiang薄殼單元。小彎梁是典型的大變形構(gòu)件，為了減少?zèng)_壓分析單元之間應(yīng)力的間斷性，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，小彎梁成形用毛坯板料采用精細(xì)的網(wǎng)格劃分，沖壓模具采用剛體材料模型，其網(wǎng)格劃分采用細(xì)密網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后的小彎梁成形分析有限元模型如圖2所示。

圖2 小彎梁成形分析的有限元模型

小彎梁成形分析中模具上模運(yùn)動(dòng)速度為0.5m/min，模具的下模固定。成形順序?yàn)?先上圓弧曲面成形，然后彎梁兩側(cè)邊拉伸成形，拉伸成形時(shí)對(duì)兩邊的下圓弧曲面約束。小彎梁材料Q355GNH高耐侯結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比ν=0.29，密度 7.8×103kg/m3，下屈服強(qiáng)度σs=355MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥600MPa，強(qiáng)化系數(shù)k=320，硬化指數(shù)n=0.21，應(yīng)變率參數(shù)c=40，p=5。

2 小彎梁成形分析結(jié)果

2.1 成形預(yù)測(cè)

成形極限圖（FLD）的基本原理是假設(shè)板料變形中一個(gè)主應(yīng)變方向與板面垂直，即法向應(yīng)變?chǔ)?為主應(yīng)變之一，另兩個(gè)主應(yīng)變?chǔ)?、ε2均在板面內(nèi)，在以試件破裂或失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變?chǔ)?、ε2（長(zhǎng)、短軸方向）為坐標(biāo)軸建立的坐標(biāo)系中，成形極限曲線將坐標(biāo)系半平面（ε1＞0）劃分為安全區(qū)、臨界區(qū)和破裂區(qū)三部分，F(xiàn)LD是板料成形數(shù)值模擬破裂判斷的主要依據(jù)［5］。圖3是小彎梁板材成形的FLD，從圖中可以看出小彎梁板材成形面內(nèi)應(yīng)變值基本都落在安全區(qū)，對(duì)應(yīng)位置板材不會(huì)產(chǎn)生破壞，零件成形面有極少部分應(yīng)變值落在臨界區(qū)，臨界區(qū)的材料有可能破裂，也有可能不破裂。FLD中各區(qū)域分布和特性為小彎梁板材成形工藝措施改善提供依據(jù)。

圖3 小彎梁成形極限圖

成形狀態(tài)區(qū)域分布圖能夠反映出成形條件下零件沖壓成形的破裂區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、安全區(qū)、折皺傾向區(qū)和折皺區(qū)等區(qū)域分布。圖4為小彎梁成形狀態(tài)區(qū)域分布圖，從圖中可以看出，總體上小彎梁成形基本處于安全區(qū)內(nèi)，在成形條件下小彎梁基本能夠順利成形。但同時(shí)圖中也反映出小彎梁的成形區(qū)域分布不均勻，小彎梁的彎曲面部分區(qū)域有折皺趨勢(shì)，在有折皺趨勢(shì)的部位需要采取有效的約束或工藝措施來(lái)消除折皺。

圖4 小彎梁成形狀態(tài)區(qū)域分布圖

2.2 MISE應(yīng)力及應(yīng)變

小彎梁成形過(guò)程中模具以一定的速度和方向沖壓板料，使金屬板材發(fā)生彈性和塑性變形。由于非線性因素的相互作用，小彎梁成形過(guò)程中的塑性變形非常復(fù)雜，成形中應(yīng)力分布也非常復(fù)雜。圖5是小彎梁成形MISE等效應(yīng)力分布，從圖中可以看出MISE分布不均勻，MISE等效應(yīng)力值在233.976～434.527MPa之間，在彎梁兩側(cè)邊的下部（沖壓過(guò)程中最后被拉伸的部位）的拉應(yīng)力最大，一旦該處拉應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限，將造成材料拉裂。而在側(cè)邊下部側(cè)面與底面交界位置很容易形成應(yīng)力集中，應(yīng)力集中極易造成材料拉裂。由于在成形工藝中采用了工藝過(guò)渡圓弧，有效地消除了在側(cè)邊下部側(cè)面與底面交界位置處的應(yīng)力集中，防止該位置材料被拉裂。

圖5 小彎梁成形MISE分布

小彎梁成形過(guò)程的應(yīng)變實(shí)際上反映的是小彎梁在沖壓成形中板材處于的壓縮或拉伸狀態(tài)。圖6為小彎梁應(yīng)變分布，從圖6可以看出板材應(yīng)變分布不均勻，圖6應(yīng)變的區(qū)域位置與圖4成形預(yù)測(cè)區(qū)域基本一致，壓縮應(yīng)變區(qū)域有折皺趨勢(shì)。板材的應(yīng)變從總體上會(huì)造成小彎梁成形后不同位置板材截面厚度發(fā)生變化。

圖6 小彎梁成形應(yīng)變分布

2.3 成形厚度

圖7是小彎梁成形厚度分布，從圖中可以看出成形后厚度分布不均勻，最大厚度為 2.165mm，最小厚度為1.414mm。圖7所示小彎梁成形后不同位置板材截面厚度與圖6成形過(guò)程應(yīng)變的區(qū)域及變化趨勢(shì)基本一致。小彎梁板材在成形過(guò)程中受到多重非線性相互耦合作用，使板厚在某些區(qū)域發(fā)生了明顯變化，這也為板材展開(kāi)圖精確計(jì)算帶來(lái)很大的困難。在實(shí)際生產(chǎn)中如果能夠掌握板料成形厚度變化規(guī)律，則可準(zhǔn)確獲得成形零件的板料毛坯結(jié)構(gòu)尺寸，快速設(shè)計(jì)出成形零件的展開(kāi)圖，同時(shí)也可減少試模次數(shù)，降低生產(chǎn)成本，在沖壓成形零件生產(chǎn)中有十分重要的應(yīng)用。

圖7 小彎梁成形厚度分布

3 結(jié)論

采用有限元法可以預(yù)測(cè)板料成形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律，模擬成形過(guò)程中的起皺、破裂，能夠比較準(zhǔn)確地分析工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程的影響。本文利用有限元對(duì)某型號(hào)城市軌道車輛對(duì)小彎梁成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了小彎梁成形極限圖、應(yīng)力及應(yīng)變分布、厚度分布。研究結(jié)果可為小彎梁零件設(shè)計(jì)及其沖壓成形工藝開(kāi)發(fā)提供參考。

［1］A.Alsamhan，P.Hartely，I.Pillinger.The computer simulation of cold-roll-forming using FE methods and applied real time remeshing techniques［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，142（10）:102-111.

［2］ A.Makinouchi，C.Teodosiu，T.Nakagawa.Advance in FEM Simulation and its Related Technologies in Sheet Metal Forming［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，1998，47，（2）:641-649.

［3］ S.Kobayashi，J.H.Kim.Deformation analysis of ax symmetric sheet metal forming Processes by rigid plastic finite element method［M］.Mechanics of Sheet Metal Forming，Newyork:PlenunnPress，1978:341-365.

［4］ M.Rabahallah，S.Bouvier，T.Balan，B.Bacroix.Numerical simulation of sheet metal forming using anisotropic strain-rate potentials［J］.Materials Science and Engineering:A，2009，517（1-2）:261-275.

［5］江煌煌.板料沖壓成形及回彈有限元數(shù)值模擬分析研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2007.