文／石然然，劉超·北京市計算中心

基于Dynaform的多工序拉深仿真研究

文／石然然，劉超·北京市計算中心

石然然，主要研究方向為CAE仿真；從事關(guān)于沖壓、結(jié)構(gòu)、跌落、疲勞等計算機(jī)仿真咨詢工作。

以非線性有限元軟件Dynaform為平臺，進(jìn)行手機(jī)電池外殼多工序拉深仿真研究，分析仿真結(jié)果與實際生產(chǎn)基本吻合。因此通過基于Dynaform的手機(jī)電池多工序仿真模擬，可以快速預(yù)測電池外殼生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，節(jié)省生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來可觀效益。

手機(jī)電池外殼屬于多工序拉深沖壓件，成形困難且工藝要求較高，電池的質(zhì)量直接影響到手機(jī)的壽命和使用性能。在電池制造的試模階段，需要工作人員反復(fù)試驗來尋找最優(yōu)的制造工藝參數(shù)。面對手機(jī)市場越來越激烈的競爭，如何在短時間內(nèi)生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品成為手機(jī)制造的關(guān)鍵。隨著計算機(jī)技術(shù)及有限元技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對板料成形過程進(jìn)行計算機(jī)模擬以替代實際試模，為沖壓件工藝設(shè)計及模具設(shè)計提供可靠的判據(jù)和合理的工藝參數(shù)，已成為當(dāng)前沖壓件工藝設(shè)計和模具設(shè)計中的一種重要手段。本文基于北京康迪普瑞有限公司的手機(jī)電池外殼的生產(chǎn)項目進(jìn)行研究，目的是通過基于Dynaform的數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，減少試模次數(shù)，節(jié)約生產(chǎn)成本。

模擬參數(shù)設(shè)置

本研究中電池外殼的生產(chǎn)過程需連續(xù)經(jīng)7次拉深后進(jìn)行切邊等后續(xù)工序。電池外殼的材料為Al，該材料彈性模量為6.9×104MPa，泊松比為0.33，密度為2.7g/cm3。毛坯初始模型如圖1所示。

圖1 毛坯初始模型

經(jīng)連續(xù)拉深7次后，成形后的電池外殼如圖2所示。

圖2 成形后的電池外殼圖

Dynaform多工序沖壓仿真有兩種方法：一是在前期處理中設(shè)置多工序沖壓過程模型，整體求解計算；二是單步求解計算，并把前一步有限元結(jié)果導(dǎo)入后一步作為初始條件。本文采用后者，其優(yōu)點是單步求解計算有利于仿真過程參數(shù)控制。將用UG軟件繪制的CAD三維模型導(dǎo)入到hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過細(xì)化圓角處網(wǎng)格大小來提高成形質(zhì)量，保證坯料和凸凹模網(wǎng)格尺寸類似，以利于模具與坯料之間接觸力的計算?？刂谱钚卧叽?，保證最小時間步長。網(wǎng)格劃分完成的模型如圖3所示。

將網(wǎng)格模型分別保存為.dat格式并導(dǎo)入到Dynaform中進(jìn)行有限元模型的設(shè)置。為減少計算時間，在顯示板料成形有限元分析時，采用虛擬沖壓速度。同時，考慮到人工動態(tài)效應(yīng)，虛擬沖壓速度值在2000～5000mm/s之間選取，本文取2000mm/s。完成上述設(shè)置后，導(dǎo)入凸凹模和坯料網(wǎng)格模型，板料厚度為0.7mm，通過autosetup設(shè)置沖壓成形過程。模具與坯料的摩擦系數(shù)為0.125，第一次拉深深度為28mm。設(shè)置完成后生成.dyn文件，然后采用北京市計算中心自主研發(fā)的高性能計算平臺HY-CLOUD進(jìn)行求解計算，界面如圖4所示。

把生成的.dyn、.mod、.blk、.idx格式的4個文件同時提交到HY-CLOUD上，計算完成后查看d3plot結(jié)果文件，對沖壓結(jié)果進(jìn)行分析。其中.dynain文件完整繼承了第1步?jīng)_壓完成后的厚度、單元應(yīng)力、應(yīng)變等信息。把此文件作為第2步的坯料繼續(xù)設(shè)置求解，直到完成7個工步所有計算。

圖3 網(wǎng)格模型

圖4 HY-CLOUD界面

圖5 各工步成形極限圖

圖6 各工步厚度分布圖

模擬結(jié)果分析

在Dynaform后處理程序中，可以通過d3plot結(jié)果文件觀察電池外殼多工序模擬結(jié)果的每一個工序。圖5、圖6分別為各工序板料的成形極限圖和厚度分布圖。

由圖5可見，在連續(xù)沖壓過程中板料未發(fā)生破裂，僅外緣部分有輕微的起皺現(xiàn)象，起皺部分由后續(xù)的切邊工序去除。7個工序的FLD圖顯示此沖壓過程是安全的。由圖6可見，零件在拉深時變薄，尤其圓角部位，但滿足手機(jī)電池外殼的使用要求。通過基于Dynaform的多工序電池外殼仿真模擬可以看出，此工藝參數(shù)和模具滿足電池外殼制造條件。并基于此把模具投入到實際 生產(chǎn)，生產(chǎn)制件各部位厚度與仿真結(jié)果基本符合。

結(jié)束語

⑴運(yùn)用Dynaform軟件進(jìn)行手機(jī)電池外殼多工序仿真模擬，模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)結(jié)果基本吻合，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的可參考性。

⑵對于多次拉深，前、后兩次拉深間可通過.dynain文件傳遞毛坯的厚度、應(yīng)力、應(yīng)變等信息，這對多次拉深效果非常關(guān)鍵。

⑶通過基于Dynaform的手機(jī)電池多工序仿真模擬，可以快速預(yù)測電池生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，調(diào)整工藝參數(shù)，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，節(jié)省生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來可觀效益。

注：本項目得到“北京市科學(xué)技術(shù)研究院創(chuàng)新團(tuán)隊項目（IG201203N）”資助。