吳仲華

(中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017)

船體彎梁沖壓成型模擬仿真分析

吳仲華

(中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017)

摘要:某船用彎梁在沖壓拉伸過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂紋，使彎梁結(jié)構(gòu)疲勞壽命受到較大的影響。為此，本文基于Hypermesh軟件建立某船用彎梁結(jié)構(gòu)沖壓有限元模型，根據(jù)彈塑性材料模型對(duì)彎梁結(jié)構(gòu)沖壓過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算過(guò)程收斂。研究表明:在拉伸過(guò)程中，梁兩端面處應(yīng)變幅值最大，拉伸過(guò)程中彎梁首先在該處產(chǎn)生初始裂紋。其次是各圓角處，應(yīng)變?cè)谡麄€(gè)梁長(zhǎng)度圓角上均有較多分布。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先考慮在不顯著削弱彎梁支撐剛度的前提下，減少?gòu)澚豪旄叨?，這對(duì)減小彎梁兩端面應(yīng)變幅值具有較大的改進(jìn)作用。其次，應(yīng)當(dāng)盡量增大彎梁圓角值，圓角越小，板料受到的摩擦力越大，材料滑動(dòng)特性越差，增大彎梁圓角，能夠使板料在拉伸過(guò)程中具有較好的滑動(dòng)特性，這對(duì)于改善材料受力均勻性具有較大的作用。

關(guān)鍵詞:彎梁;沖壓;有限元;疲勞

Hull bending stamping forming simulation analysis

WU Zhong-hua
(Drilling Technology Research Institute，Sinopec Oilfield Service Shengli Corporation，Dongying 257017，China)

Abstract:The curved beam often occur crack during the stamping process，this will greatly influence the fatigue life of the structure．Therefore，in this paper，we established the stamping finite element model of beam structure based on the Hypermesh software．According to the elastic-plastic material model，we calculated the stamping process of the curved beam structure，and the calculation converged finally．Studies show that: in the drawing process，both ends of the beam have the maximum strain amplitude and will reduce a initial crack there．Second is the fillet，the whole beam length have the strain distribution．Therefore，in the design of structure，we should reduce the bending height of the beam with the consideration of not significantly weaken the beam stiffness，and this will greatly improve the plane strain of the beam．Secondly，should try to reduce the bending beam radius，the smaller radius is，the greater friction will be，and the sliding characteristics will be worse．Increases the bending beam radius will make the sheet has good sliding properties during the stretching process，which can improve the material stress uniformity．

Key words:curved beam; stamping; finite element method;fatigue

0　引言

沖壓工藝作為一種高效的結(jié)構(gòu)加工方法，受到了廣泛的關(guān)注。很多學(xué)者致力于沖壓工藝涉及的各類問(wèn)題研究。包括結(jié)構(gòu)參數(shù)(板料厚度、結(jié)構(gòu)圓角、胚料大小，材料參數(shù))對(duì)沖壓回彈現(xiàn)象的影響、模具鋼性能、沖壓數(shù)值計(jì)算研究等。其中，沖壓數(shù)值計(jì)算是一個(gè)新興領(lǐng)域，由于材料沖壓加工不同于機(jī)械加工方法，加工出的零部件總會(huì)存在著一定的形狀誤差、尺寸誤差、方位誤差，或者是各類誤差的綜合。為了減少這類誤差對(duì)零件裝配或者使用的影響，往往是首先根據(jù)零件設(shè)計(jì)其模具結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行首件試沖。獲得零件樣品后，對(duì)該樣品進(jìn)行測(cè)量，獲得其相對(duì)誤差。然后根據(jù)該相對(duì)誤差對(duì)模具修改，并重復(fù)上述反復(fù)試驗(yàn)過(guò)程，直到加工出的零件結(jié)構(gòu)滿足誤差要求為止。

沖壓仿真的計(jì)算正是為了克服反復(fù)試模缺陷而產(chǎn)生的一種數(shù)值研究方法，該方法能夠在模具制造前，對(duì)其沖壓特性進(jìn)行計(jì)算研究，預(yù)測(cè)實(shí)際沖壓過(guò)程中會(huì)存在的各種缺陷或者其他不良運(yùn)動(dòng)因素。這種方法能夠大大地改善設(shè)計(jì)過(guò)程的并行性，顯著加快模具設(shè)計(jì)過(guò)程，減少試模次數(shù)的同時(shí)也能節(jié)約大量時(shí)間，這對(duì)于產(chǎn)品的快速響應(yīng)市場(chǎng)相當(dāng)重要［1］。

關(guān)于沖壓仿真計(jì)算，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的計(jì)算，謝暉等［2］將Hill失穩(wěn)理論以及Swift分散性理論應(yīng)用于板料的拉伸斷裂問(wèn)題，并建立板料拉伸斷裂數(shù)值模型，對(duì)拉伸裂紋分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前，該方法已經(jīng)很好地應(yīng)用于汽車翼子板沖壓領(lǐng)域。大量的計(jì)算表明，該方法能夠很好地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)裂紋位置，能夠大大減少模具試驗(yàn)次數(shù)，不僅節(jié)約模具制造成本，而且加工出來(lái)的零件性能較好，對(duì)沖壓拉伸裂紋的預(yù)測(cè)具有重要的作用。丁檔等［3］基于國(guó)產(chǎn)有限元分析軟件Kmas對(duì)車輛地板沖壓工藝性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并提出了一種工藝方案，用于快速優(yōu)化沖壓工藝參數(shù)。相關(guān)計(jì)算表明，該方法具有計(jì)算時(shí)間短，計(jì)算可靠等特點(diǎn)，能夠?yàn)闄C(jī)構(gòu)工程師快速確定工藝參數(shù)，對(duì)汽車快速開(kāi)發(fā)具有重要的作用。黃躍東等［4］基于Dynaform軟件，對(duì)某汽車部件進(jìn)行有限元計(jì)算，主要針對(duì)其中材料摩擦系數(shù)、上模與下模間隙、材料厚度、材料種類對(duì)零件沖壓成型特性的影響。研究表明:當(dāng)凹模與板料之間的間隙較大時(shí)，加工出來(lái)的零件形狀誤差較大，并且回彈量為主要因素。當(dāng)減少凸模與板料之間的摩擦系數(shù)時(shí)，板料變形的均勻性會(huì)有所改善，最終采用有限元法確定了最佳的工藝路線。郭玉琴等［5］以Dynaform沖壓仿真分析軟件對(duì)沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行研究，考察了沖壓分析軟件存在的缺陷，并指出目前各有限元軟件存在的問(wèn)題，如:板料與模具之間相互接觸采用的接粗摩擦本構(gòu)模型具有較大的完善空間;隨著新型材料的不斷出現(xiàn)，各種材料數(shù)學(xué)模型需要不斷更新;多步?jīng)_壓過(guò)程的仿真計(jì)算精度有待改善。這些問(wèn)題對(duì)于自動(dòng)有限元分析具有重要作用。金少波等［6］對(duì)熱沖壓過(guò)程進(jìn)行探索研究，以PAM－STAMP軟件為工具對(duì)某車輛地板梁熱沖壓特性進(jìn)行計(jì)算研究，并且考慮了不同壓邊力對(duì)工件沖壓成形質(zhì)量的影響。研究表明，增大壓邊力能夠在一定程度上改善工件成形質(zhì)量減少形狀誤差，但是隨著壓邊力的不斷增加，會(huì)使得材料在模具中的滑動(dòng)特性變差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均勻，最終使材料存在較大的形狀誤差。

上述分析表明:采用數(shù)值計(jì)算方法能夠有效地堆沖壓過(guò)程中各種力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算，使得模具設(shè)計(jì)人員能夠在模具設(shè)計(jì)初期便能對(duì)其沖壓性能有大致的了解，并且了解材料成形過(guò)程中潛在的缺陷。因此采用有限元法處理結(jié)構(gòu)沖壓工藝研究具有較大的可行性。船舶彎梁結(jié)構(gòu)由于拉伸高度大，并且形狀彎曲，板料在拉伸過(guò)程中十分容易出現(xiàn)拉伸斷裂問(wèn)題。為了對(duì)其進(jìn)行工藝改進(jìn)，減少梁拉伸斷裂現(xiàn)象，本文以Hypermesh軟件為基礎(chǔ)，建立彎梁沖壓有限元模型，對(duì)其拉伸斷裂問(wèn)題進(jìn)行研究。

1　有限元模型建立

幾何結(jié)構(gòu)是有限元分析的基礎(chǔ)，有限元模型建立步驟為如下:

1)首先采用三維CAD軟件Solidworks建立梁幾何模型。板料采用一矩形平面代替，上模與下模分別通過(guò)梁模型曲面偏置得到。偏置的距離為板料厚度的二分之一，如圖1所示。

圖1　模具幾何結(jié)構(gòu)Fig.1　Geometry of the die structure

圖2　沖壓有限元模型Fig.2　Finite element model

沖壓計(jì)算過(guò)程中，由于板料結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)，需要調(diào)用節(jié)點(diǎn)搜索子程序不斷地更新有限元模型，該過(guò)程會(huì)使計(jì)算時(shí)間大大加長(zhǎng)。為了縮短計(jì)算時(shí)間，本文建立沖壓結(jié)構(gòu)的半個(gè)部分有限元模型，這樣能夠使有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)大為減少，從而節(jié)約計(jì)算成本。對(duì)稱有限元模型邊界條件如圖3所示，主要為板料結(jié)構(gòu)的邊界處理。在對(duì)稱面上的板料節(jié)點(diǎn)在對(duì)稱面法向無(wú)節(jié)點(diǎn)位移，也沒(méi)有在對(duì)稱面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，則約束x方向自由度，和yz面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。分別采用編號(hào)1、5、6代替。

圖3　板料邊界條件處理Fig.3　Boundary conditions of sheet metal

2　計(jì)算結(jié)果及討論

對(duì)于線性材料而言，結(jié)構(gòu)在特定的外載荷下，將產(chǎn)生特定的位移，并將外載荷大小定義為結(jié)構(gòu)剛度或者彈性模量。線彈性材料在沖壓過(guò)程中發(fā)生較為明顯的非線性變形特征，即其應(yīng)力與應(yīng)變?cè)诰€彈性范圍內(nèi)時(shí)仍然為線彈性關(guān)系，當(dāng)超出該線彈性范圍時(shí)呈非線性關(guān)系。板料在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)的非線性行為如圖4所示，應(yīng)力與應(yīng)變?cè)诰€彈性范圍內(nèi)的關(guān)系遵守胡克定律，當(dāng)出現(xiàn)彈塑性行為時(shí)，根據(jù)后面試驗(yàn)曲線進(jìn)行插值計(jì)算。

將上述建立的有限元模型導(dǎo)出為RAD格式，并遞交RADIOSS求解器進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)19次迭代計(jì)算后，結(jié)果收斂，板料沖壓過(guò)程計(jì)算如圖5所示。在沖壓過(guò)程中，板料兩端首先與上模接觸(第2 步)，然后往下一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沖壓進(jìn)行到第5步時(shí)，板料與下模接觸，開(kāi)發(fā)發(fā)生整體變形。當(dāng)板料變形到與下模較為貼合時(shí)，壓板與下模將板料邊緣夾持(第6步)。上模繼續(xù)向下沖壓板料，板料開(kāi)始逐漸被拉伸(第7－第11步)，直至上模沖壓完成。彎梁沖壓過(guò)程位移云圖表明，本文有限元計(jì)算過(guò)程收斂，結(jié)果可信。

圖4　材料蠕變特性Fig.4　The creep properties of materials

圖5　沖壓過(guò)程計(jì)算Fig.5　Stamping process calculation

零件沖壓質(zhì)量在很大程度上取決于零件沖壓過(guò)后的殘余應(yīng)變上，圖6為零件沖壓完成后板料的應(yīng)變分布，其中淺色部分為應(yīng)變較大的部位，黑色部位為沒(méi)有發(fā)生應(yīng)變的部位，中間為過(guò)渡區(qū)域。彎梁沖壓完成后，在梁兩端面處應(yīng)變較大。主要是因?yàn)閺澚豪爝^(guò)程中，內(nèi)側(cè)面首先與凹模接觸，隨后邊緣材料開(kāi)始拉伸，由于彎梁弧度的存在，外側(cè)材料除了在高度方向被拉伸，也會(huì)在彎梁圓周方向被拉伸，最終導(dǎo)致兩端面應(yīng)力較大。若不加以控制，該彎梁結(jié)構(gòu)在拉伸過(guò)程中很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂現(xiàn)象，或者拉伸出來(lái)的零件自身殘余應(yīng)力過(guò)大，在使用過(guò)程中會(huì)顯著降低其疲勞壽命。

為了減小梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變值，一方面可以減小其拉伸高度，雖然這樣會(huì)使得結(jié)構(gòu)支撐剛度有所下降，但是相比結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，減少拉伸高度是非常有必要的。另一方面，增大彎梁圓角能夠使圓角處地應(yīng)變幅值明顯減小。圖6表明，彎梁在沖壓過(guò)程中圓角處應(yīng)變峰值較大，圓角越小，板料受到的摩擦力越大，材料滑動(dòng)特性越差，增大彎梁圓角，能夠使板料在拉伸過(guò)程中具有較好的滑動(dòng)特性，這對(duì)于改善材料受力均勻性具有較大的作用。

圖6　結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布Fig.6　Structure strain distribution

3　結(jié)語(yǔ)

1)基于Hypermesh軟件建立了某船用彎梁結(jié)構(gòu)沖壓有限元模型，根據(jù)彈塑性材料模型對(duì)彎梁結(jié)構(gòu)沖壓過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算過(guò)程收斂。

2)彎梁拉伸過(guò)程中的斷裂現(xiàn)象與其應(yīng)變分布具有很大關(guān)系。梁兩端面處應(yīng)變幅值最大，拉伸過(guò)程中彎梁首先在該處產(chǎn)生初始裂紋。其次是各圓角處，應(yīng)變?cè)谡麄€(gè)梁長(zhǎng)度圓角上均有較多分布。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先考慮在不顯著削弱彎梁支撐剛度的前提下，減少?gòu)澚豪旄叨取＿@對(duì)減小彎梁兩端面應(yīng)變幅值具有較大的改進(jìn)作用。其次，應(yīng)當(dāng)盡量減小彎梁圓角值，圓角越小，板料受到的摩擦力越大，材料滑動(dòng)特性越差，增大彎梁圓角，能夠使板料在拉伸過(guò)程中具有較好的滑動(dòng)特性，這對(duì)于改善材料受力均勻性具有較大的作用。

參考文獻(xiàn):

［1］金建海，周煒，李鋒，等．中國(guó)船舶科學(xué)研究中心在船舶CAE領(lǐng)域的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)實(shí)踐［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(3) :11－14.JIN Jian-hai，ZHOU Wei，LI Feng，et al．The application and development of china ship scientific research center in CAE ［J］．Ship Science and Technology，2009，31(3) :11－14．

［2］謝暉，羅紅專，鐘志華，等．板料沖壓成型CAE中拉裂的預(yù)測(cè)研究及應(yīng)用［J］．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，32(2) :17－20．XIE Hui，LUO Hong-zhuan，ZHONG Zhi-hua，et al．Prediction and application of fractures in CAE of sheet forming［J］．Journal of Hunan University (Natural Sciences)，2005，32(2) :17－20．

［3］丁檔，胡平，曹穎，等．KMAS沖壓分析CAE軟件在車身件設(shè)計(jì)及工藝預(yù)分析中的應(yīng)用［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2005，35(2) :148－152，162．DING Yi，HU Ping，CAO Ying，et al．Application of CAE software KMAS for sheet metal forming in auto-body component design and pre-analysis of its formability［J］．Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition)，2005，35(2) :148－152，162．

［4］黃躍東，邱曉剛．汽車頂蓋沖壓成型的CAE模擬研究［J］．汽車技術(shù)，2011(6) :54－58．HUANG Yue-dong，QIU Xiao-gang．Study on CAE simulation of auto roof panel stamping forming process［J］．Automobile Technology，2011(6) :54－58．

［5］郭玉琴，徐勇．基于CAE技術(shù)的復(fù)雜覆蓋件沖壓仿真結(jié)果的穩(wěn)定性研究與評(píng)價(jià)［J］．機(jī)床與液壓，2010，38(3) : 104－106，140．GUO Yu-qin，XU Yong．Research and evaluation of stamping simulation results' stability for complex cover panels based on CAE technique［J］．Machine Tool＆Hydraulics，2010，38(3) :104－106，140．

［6］金少波，毛昌吉．熱沖壓過(guò)程中壓邊力對(duì)工件成形質(zhì)量的影響行為CAE分析［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49(6) :58－59．JIN Shao-bo，MAO Chang-ji．The CAE analysis of effect of blank-holder force on workpiece quality during hot stamping process［J］．China Metalforming Equipment＆Manufacturing Technology，2014，49(6) :58－59．

作者簡(jiǎn)介:吳仲華(1972－)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槭豌@完井井下工具及裝備。

收稿日期:2014－12－21;修回日期: 2015－03－07

文章編號(hào):1672－7649(2015) 07－0184－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.043

中圖分類號(hào):U664．21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A