劉超+石然然

摘要： 針對多工步?jīng)_壓過程中材料的流動(dòng)和應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜，用解析方法描述難度較大的問題，采用DYNAFORM對電池盒的6步深拉深沖壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真.仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析驗(yàn)證有限元仿真模型的正確性，說明數(shù)值仿真技術(shù)與試驗(yàn)相結(jié)合方法可以有效解決該問題.

關(guān)鍵詞： 電池盒； 多步?jīng)_壓； 數(shù)值模擬； 有限元； DYNAFORM

中圖分類號： TG386文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： As to the issue that the analytical method is difficult to illustrate the law of material flow behavior and stressstrain distribution， DYNAFORM is used to simulate six steps of deep drawing stamping process by numerical simulation. The simulation results and the test results are compared and analyzed and the correctness of the finite element simulation model is verified. It shows that it is effective to solve the issue by the method of combining numerical simulation with test.

Key words： battery case； multistep stamping； numerical simulation； finite element； DYNAFORM

收稿日期： 2015[KG*9〗06[KG*9〗03修回日期： 2015[KG*9〗06[KG*9〗05

基金項(xiàng)目： 北京市科學(xué)技術(shù)研究院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（IG201203N）；北京市計(jì)算中心萌芽項(xiàng)目

作者簡介： 劉超（1985—），女，河北保定人，碩士，研究方向?yàn)镃AE結(jié)構(gòu)仿真，（Email）liuchao@bcc.ac.cn0引言

板材的沖壓成形技術(shù)在機(jī)械工業(yè)、能源化工和日常生活中都有非常廣泛的應(yīng)用.然而，板料在成形過程中常出現(xiàn)各種缺陷，如起皺、鼓包和拉裂等，導(dǎo)致成品合格率較低.

目前國內(nèi)外專家學(xué)者均對拉深問題進(jìn)行大量研究，在拉深工藝、設(shè)備和計(jì)算機(jī)仿真等方面都有很大進(jìn)展.但是，由于拉深問題的復(fù)雜性和工藝?yán)碚摰牟煌晟?，多工步拉深成形?guī)律和工藝參數(shù)確定及優(yōu)化的研究明顯落后于實(shí)際生產(chǎn)需要，所以對拉深有關(guān)問題的研究很有必要.

在板料拉深成形中，經(jīng)常遇到零件所要求的變形程度超過材料一次成形所允許的最大變形程度的情況，零件無法一次拉深成形，必須采用多道次拉深成形.[1]相對于形狀非常復(fù)雜的多工步?jīng)_壓零件，用傳統(tǒng)的解析計(jì)算方法很難準(zhǔn)確地進(jìn)行尺寸計(jì)算，所以只能用估算的方法進(jìn)行沖壓工序的初步確定，然后通過反復(fù)的試模和修模過程確定最終的沖壓工序.此方法的問題在于如果開始估算不夠準(zhǔn)確，很可能導(dǎo)致制造出的模具不合格；同時(shí)，反復(fù)的修整和試模會延長生產(chǎn)周期且大大增加生產(chǎn)成本.

目前，數(shù)值仿真技術(shù)常用于沖壓過程中參數(shù)的優(yōu)化，如汽車的車身覆蓋件等大部件，但是大部分應(yīng)用仍停留在一步?jīng)_壓成形的仿真分析階段.多工步?jīng)_壓成形過程涉及塑性、大變形、摩擦和接觸等多個(gè)非線性因素的耦合分析，相關(guān)的理論和實(shí)際加工比一次拉深成形要復(fù)雜很多，因此多工步拉深成形的研究已經(jīng)是此領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一.[2]

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對電池盒的前6步深拉深過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，確定有限元模型的正確性.這對于深入研究多工步拉深成形規(guī)律有很重要的意義，同時(shí)有利于企業(yè)縮短研發(fā)周期和降低開發(fā)成本，有助于進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新.

1模型的前處理

1.1CAD模型的建立和單元?jiǎng)澐?/p>

采用三維建模軟件UG繪制出6套（前6步）模具的CAD模型，然后將繪制完成的CAD模型導(dǎo)入到大型有限元前處理器HyperMesh 11.0中進(jìn)行特征簡化和單元剖分.因?yàn)槟＞叩牡菇菍Τ尚芜^程有較大影響，所以將所有倒角保留并且嚴(yán)格控制倒角位置的單元質(zhì)量.6套沖壓模具的結(jié)構(gòu)見圖1.

1.2材料本構(gòu)的選擇

電池盒沖壓生產(chǎn)中所用的板材坯料是通過軋制方法生產(chǎn)出來的，由于在軋制加工過程中形成織構(gòu)等原因，具有各向異性，所以采用各向異性屈服理論進(jìn)行分析.

目前，在板材的各向異性屈服條件中描述厚向異性的Hill屈服準(zhǔn)則和正交各項(xiàng)異性的Barlat屈服準(zhǔn)則應(yīng)用較多.[3]

Hill屈服準(zhǔn)則假設(shè)屈服函數(shù)在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上存在3個(gè)互相垂直的各向異性平面，其交線構(gòu)成3個(gè)各向異性主軸 1，2和3，相應(yīng)的屈服函數(shù)為

選取DYNAFORM的求解器LSDYNA中代表Barlat屈服準(zhǔn)則材料本構(gòu)模型的36號材料模型.

1.3單元重新劃分技術(shù)

在深拉深工藝過程的數(shù)值模擬仿真中，網(wǎng)格的生成與再劃分技術(shù)對計(jì)算能否順利進(jìn)行起到至關(guān)重要的作用.因?yàn)榘宀牡淖冃纬潭群艽?，極易導(dǎo)致由網(wǎng)格畸變引起的計(jì)算失效，所以必須采用網(wǎng)格重新劃分技術(shù)，并且要完成場變量向新生成網(wǎng)格的傳遞.計(jì)算過程中某一時(shí)刻重新劃分完成的單元見圖2.

1.4其他設(shè)置

在DYNAFORM中建立6步連續(xù)沖壓過程仿真模型，考慮沖壓過程中應(yīng)變的累積和厚度的變化.經(jīng)過多次計(jì)算驗(yàn)證，虛擬沖壓速度對于板材成形的影響很小，可以忽略不計(jì)，所以為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用2 000 m/s的虛擬沖壓速度.沖壓過程為潤滑狀態(tài)，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.125.板材的初始厚度為0.7 mm.接觸類型的關(guān)鍵字為*CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE.

計(jì)算時(shí)間步長對計(jì)算過程有較大影響，當(dāng)設(shè)置的計(jì)算時(shí)間步長較大時(shí)，一方面會引入較大的質(zhì)量增益導(dǎo)致計(jì)算的誤差較大，另一方面會引起計(jì)算的不穩(wěn)定，造成計(jì)算中止，所以在本分析項(xiàng)目中采用軟件計(jì)算出的時(shí)間步長進(jìn)行求解，保證計(jì)算的順利進(jìn)行.

2有限元模型的計(jì)算求解

由于此模型連續(xù)進(jìn)行6步?jīng)_壓過程仿真，模型規(guī)模較大，所以采用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)算.將設(shè)置完成的計(jì)算模型提交到北京市計(jì)算中心開發(fā)的HYCLOUD高性能計(jì)算平臺上進(jìn)行求解.

3仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析

采用PostProcessor進(jìn)行仿真計(jì)算結(jié)果的后處理，提取計(jì)算機(jī)仿真過程中每個(gè)沖壓工步結(jié)束后工件的FLD成形極限圖和厚度分布圖，并與沖壓試驗(yàn)每工步結(jié)果進(jìn)行比較見表1，各工步尺寸對比見表2.

由表1可以看出：材料在6步連續(xù)的拉深過程中并沒有產(chǎn)生開裂的情況，說明此連續(xù)沖壓過程合格；第1步拉深完成后工件基本沒有褶皺產(chǎn)生，第2步工件端口部位有輕微褶皺出現(xiàn)，第3步至第6步工件端口都有明顯的褶皺出現(xiàn)，此現(xiàn)象與對應(yīng)的實(shí)際沖壓過程中的工件相吻合；工件拉深完成之后，越靠近端部壁厚越厚，越靠近底部的壁厚越薄，尤其底部圓角部位最薄，這與沖壓工藝基本理論[56]一致.由此可知，數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在開裂情況判斷、褶皺產(chǎn)生和工件厚度分布等方面都基本吻合.由表2中各步拉深深度的對比可以看出，隨著沖壓步數(shù)的增多，存在誤差累積現(xiàn)象，沖壓成形深度的仿真誤差也越來越大.但是，從具體的數(shù)據(jù)看，此模型的誤差在允許的范圍之內(nèi)，證明此沖壓過程仿真模型中材料本構(gòu)、接觸設(shè)置和邊界條件等參數(shù)的準(zhǔn)確性.

4結(jié)論

1）采用專業(yè)的仿真軟件DYNAFORM能夠較好地處理大變形問題，完成多步?jīng)_壓工藝的仿真，數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，證明模型的準(zhǔn)確性.

2）經(jīng)過軋制加工制造出的金屬板材，在某種程度上已經(jīng)不再具有各項(xiàng)同性的性質(zhì)，在數(shù)值模擬過程中采用描述各向異性材料失效的Barlat屈服準(zhǔn)則，能合理地描述板材的屈服行為.

3）采用數(shù)值模擬技術(shù)與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，既能縮短模具的設(shè)計(jì)周期，又能大幅度降低試模成本，是制造行業(yè)發(fā)展的趨勢.

參考文獻(xiàn)：

[1]楊建華， 潘偉， 何丹農(nóng)， 等. 板料多道次拉深成形規(guī)律和性能的研究[J]. 鍛壓技術(shù)， 2002， 27（5）： 2223.

YANG Jianhua， PAN Wei， HE Dannong， et al. Research on forming laws and deformability in multistage sheet metal drawing[J]. Forging & Stamping Technol， 2002， 27（5）： 2223.

[2]苑澤冰. 多道次拉深試驗(yàn)與有限元模擬[D]. 沈陽： 沈陽航空航天大學(xué)， 2012.

[3]喻祖建. 板料多次拉深過程數(shù)值模擬分析[D]. 重慶： 重慶大學(xué)， 2005.

[4]BARLAT F， LIAN J. Plastic behavior and stretchability of sheet metals， Part I： A yield function for orthotropic sheet under plane stress conditions[J]. Int J Plasticity， 1989， 55（4）： 51.

[5]王良新. 方盒形件拉深成形工藝分析及變壓邊力預(yù)測[D]. 南京： 南京理工大學(xué)， 2007.

[6]成虹. 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)[M]. 成都： 電子科技大學(xué)出版社， 2002.（編輯武曉英）