日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司 崔恩海

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 宓寶江

一、概述

材料成形數(shù)值模擬是計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）技術(shù)在材料成形領(lǐng)域的具體應(yīng)用，其目的是借助仿真手段認(rèn)識(shí)與掌握材料特性、成形方案、工藝參數(shù)、產(chǎn)品形狀、模面結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、工裝夾具以及載荷輸入等內(nèi)在、外在因素對(duì)材料成形質(zhì)量和工模具壽命的影響；同時(shí)，為縮短成形制品與成形模具的開(kāi)發(fā)周期、減少物理試模次數(shù)、優(yōu)化成形工藝、選用成形設(shè)備、控制產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本提供定量或定性理論、數(shù)據(jù)支持。材料成形方式包括液態(tài)成形、固態(tài)（塑性）成形與粘流態(tài)成形以及連接成形等方式，本文就塑性成形中的彎曲工藝在Creo Simulate環(huán)境中的模擬過(guò)程進(jìn)行必要的技術(shù)探討。

彎曲（如圖1所示）是將板料、棒料、管料和型材等彎曲成一定形狀及角度的零件成形方法，其加工零件種類很多，如V形件、U形件以及其它形狀。生產(chǎn)中因彎曲成形所用的模具和設(shè)備不同，形成各種不同的彎曲方法，如在壓力機(jī)上用模具進(jìn)行的壓彎，在專用彎曲機(jī)上進(jìn)行的折彎和滾彎，以及在拉彎設(shè)備上進(jìn)行的拉彎等。

圖1

彎曲是沖壓成形的典型工藝之一，沖壓成形數(shù)值模擬是從板料變形的實(shí)際物理狀態(tài)及其規(guī)律出發(fā)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)真實(shí)反映模具與板料間的相互作用和實(shí)際變形的全過(guò)程，可以觀察實(shí)際變形中發(fā)生的任一特定現(xiàn)象，計(jì)算與板料實(shí)際變形過(guò)程相關(guān)的任一特定物理或幾何量，如預(yù)測(cè)起皺、破裂，計(jì)算毛坯尺寸、壓邊力和工件回彈，優(yōu)化界面潤(rùn)滑、估計(jì)模具磨損等。彎曲工藝模擬不僅可以在專業(yè)的成形模擬軟件中進(jìn)行，如DynaForm， AutoForm， PAM-STAMP，F(xiàn)astForm， FASTAMP（華中科技大學(xué)開(kāi)發(fā)）， KMAS（吉林大學(xué)開(kāi)發(fā)）等，也可以在通用CAE模擬軟件中進(jìn)行，如Abaqus，ANSYS，LS-Dyna，Patran，Creo Simulate等。下面詳細(xì)介紹在Creo Simulate中模擬壓彎和折彎工藝的設(shè)置方法，其它彎曲方式可以參考進(jìn)行。

二、Creo Simulate壓彎模擬

1.前處理

（1）壓彎模擬模型（如圖2所示）：薄板、凸模和凹模。

圖2

（2）模型理想化（如圖3所示）：采用2D平面應(yīng)變模型。

圖3

（3）約束與載荷（如圖4所示）：對(duì)于凹模，設(shè)置水平和豎直方向固定約束，對(duì)于凸模，設(shè)置水平方向固定約束，對(duì)于薄板，在底邊中點(diǎn)設(shè)置水平方向固定約束。載荷設(shè)置時(shí)沒(méi)有添加力載荷，而是設(shè)置了凸模豎直方向的強(qiáng)制位移。

圖4

（4）材料分配（如圖5所示）：由于壓彎模擬中關(guān)注的是薄板的變形，假定模具的變形忽略不計(jì)。設(shè)定模具材料為高硬度高強(qiáng)度鋼，設(shè)定薄板為彈塑性材料，定義其塑性屬性。

圖5

（5）網(wǎng)格化（如圖6、圖7所示）：網(wǎng)格控制考慮在凸模、凹模及薄板接觸邊界上設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù)量；劃分單元網(wǎng)格類型有三角形和四邊形兩種。

（6）接觸定義（如圖8所示）：在凸模邊界與薄板的左上邊界、在凸模邊界與薄板的右上邊界、在凹模邊界與薄板的左下邊界、在凹模邊界與薄板的右下邊界之間分別定義接觸接口。

圖6

圖7

圖8

2.分析步

（1）定義分析時(shí)（如圖9所示），只能選擇約束集，載荷沒(méi)有定義不能選取，使用強(qiáng)制位移作用。使用非線性選項(xiàng)，包含接觸和塑性材料，選擇過(guò)盈配合選項(xiàng)。

圖9

（2）輸出選項(xiàng)設(shè)置用戶定義輸出步數(shù)（如圖10所示）。

圖10

3.結(jié)果后處理

（1）從摘要文件查看接觸力情況和應(yīng)力位移等物理量，以及運(yùn)行時(shí)間等（如圖11所示）。

（2）從結(jié)果窗口查看彎曲變形動(dòng)畫或者關(guān)鍵幀過(guò)程（如圖12所示）。

（3）從結(jié)果窗口查看某一步的應(yīng)力分布情況（如圖13所示）。

圖11

圖12

圖13

（4）從結(jié)果窗口查看接觸壓力分布和某一接觸的壓力曲線（如圖14所示）。

圖14

（5）從結(jié)果窗口查看工藝過(guò)程的位移矢量圖（如圖15所示）。

圖15

三、Creo Simulate折彎模擬

1.前處理

（1）折彎模擬模型（如圖16所示）包括：折彎?rùn)C(jī)（包括底座、滑塊壓板）、薄板。

圖16

（2）材料設(shè)置（如圖17所示）：折彎?rùn)C(jī)使用線性材料，高硬度、高強(qiáng)度。薄板設(shè)置為彈塑性材料，定義線性硬化屬性。

圖17

（3）網(wǎng)格控制與離散化（如圖18、圖19所示）：理想化類型為3D實(shí)體，根據(jù)需要定義網(wǎng)格單元尺寸限制，設(shè)置薄板零件棱柱單元控制。

圖18

圖19

（4）剛性連接和彈簧定義（如圖20～圖22所示）：折彎?rùn)C(jī)工作時(shí)滑塊壓板繞著底座軌道轉(zhuǎn)動(dòng)，壓迫薄板彎曲。為了定義底座固定約束和滑塊壓板的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，需要定義兩個(gè)剛性連接：底座中心基準(zhǔn)點(diǎn)PNT4和旋轉(zhuǎn)孔圓柱面；底座一個(gè)端面中心基準(zhǔn)點(diǎn)PNT1和滑塊壓板外側(cè)平面之間。

基準(zhǔn)點(diǎn)PNT1和基準(zhǔn)點(diǎn)PNT4之間定義一個(gè)延伸剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都非常大的彈簧，以模擬底座支撐軸效果。

圖20

圖21

圖22

（5）約束與載荷，約束主要是薄板和折彎?rùn)C(jī)底座不能移動(dòng)，包括：薄板端面法向固定平移約束（如圖23所示）；底座端面和薄板側(cè)面法向固定平移約束（如圖24所示）；底座內(nèi)孔中心基準(zhǔn)點(diǎn)PNT4的平移、旋轉(zhuǎn)全部約束，再通過(guò)剛性約束傳遞到折彎?rùn)C(jī)底座內(nèi)側(cè)孔柱面（如圖25所示）；載荷沒(méi)有直接施加力的形式，采取強(qiáng)制角度位移方式，在折彎?rùn)C(jī)底座端面中心點(diǎn)PNT1處施加角度強(qiáng)制位移，平移全部約束。通過(guò)剛性連接驅(qū)動(dòng)滑塊壓板旋轉(zhuǎn)，壓迫薄板折彎（圖26）。

圖23

圖24

圖25

圖26

（6）接觸定義（如圖27所示）：定義四個(gè)接觸模擬薄板和底座接觸面、滑塊壓板接觸面的狀態(tài)。薄板下表面與折彎?rùn)C(jī)底座外圓柱面；薄板上表面分別與滑塊壓板的一個(gè)接觸面和兩個(gè)圓弧面。

圖27

2.分析步

（1）使用非線性選項(xiàng)（如圖28所示），包括幾何非線性（計(jì)算大變形選項(xiàng)）、材料非線性（塑性選項(xiàng)，薄板材料使用線性硬化材料模型），狀態(tài)非線性（接觸）。該分析綜合了上述三種典型的非線性方式，是一個(gè)非常典型的非線性實(shí)例，同時(shí)采取強(qiáng)制角度位移，傳遞折彎動(dòng)力。

圖28

（2）輸出步數(shù)使用用戶定義方法，設(shè)置步數(shù)81（如圖29所示）。

3.結(jié)果后處理

（1）從摘要文件查看應(yīng)力情況和接觸壓力、接觸面積、運(yùn)行時(shí)間等信息（如圖30所示）。

（2）從結(jié)果窗口查看折彎過(guò)程動(dòng)畫或者關(guān)鍵幀折彎過(guò)程（如圖31所示）。

圖29

圖30

圖31

（3）從結(jié)果窗口查看某一步時(shí)的應(yīng)力分布以及側(cè)邊上的應(yīng)力分布曲線（如圖32所示）。

圖32

四、Creo Simulate彎曲工藝模擬應(yīng)用說(shuō)明

針對(duì)特殊工藝開(kāi)發(fā)的專業(yè)模擬軟件內(nèi)置了特殊工藝的專業(yè)設(shè)置和流程，使用操作方便，同時(shí)在輸入、輸出方面進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的定制，而且內(nèi)部包含了眾多用戶的經(jīng)驗(yàn)積累和專業(yè)提升，是進(jìn)行具體工藝模擬的首選工具。如果客戶沒(méi)有購(gòu)買專業(yè)模擬軟件，又希望借助分析模擬手段提升優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，則可以利用已有的通用CAE軟件進(jìn)行。

使用通用CAE軟件進(jìn)行彎曲工藝模擬，不僅要熟悉彎曲成形工藝的原理、操作，明確在分析模擬定義中要進(jìn)行的輸入輸出項(xiàng)；更要理解彎曲成形工藝屬于大變形彈塑性有限元范疇，在選擇通用CAE的分析模擬功能模塊時(shí)應(yīng)有的放矢，理論和實(shí)際相結(jié)合。同時(shí)要熟練使用通用CAE軟件中處理彎曲變形模擬所需要的測(cè)量定義、區(qū)域分割等工具，能夠?qū)⒐に嚹M目標(biāo)完整地在軟件中再現(xiàn)。總之，使用Creo Simulate等通用CAE軟件模擬彎曲等特殊的成形工藝過(guò)程，不僅要進(jìn)行特殊工藝的特殊環(huán)境要素設(shè)置，同時(shí)要求對(duì)數(shù)學(xué)、工藝學(xué)以及有限元理論等相關(guān)學(xué)科有所理解，這雖然在增加了工藝模擬設(shè)置難度，但同時(shí)也給工藝模擬提供了更為廣闊的工況設(shè)置空間。