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1、冲压CAE,何军 十堰职业技术学院机电系,内容纲要(1),第部分 模具制造流程 传统模具开发 引入冲压CAE数值仿真的模具开发 覆盖件模具制造业的发展 CAE作用 第二部分 冲压件的不良缺陷 开裂 起皱 回弹 变形不足 表面缺陷,第三部分 冲压成形有限元法简介 有限元法简介 冲压CAE有限元法关键技术 冲压CAE有限元法的计算 冲压成形CAE软件介绍 第四部分 板料成形数值模拟有限元基础 成形分析基础 显式算法，隐式算法，一步算法 板料CAE数值仿真技术在工艺与模具设计中所能解决的问题 板料CAE数值仿真技术的实施和作用,第五部分 一步成形及其应用案例 第六部分 增量法计算及其案列 第七部分
2、模具工艺面的快速设计 第八部分 冲压系统CAE介绍 板料成形CAE 模具结构CAE 冲压线运动分析CAE 废料流动分析CAE,第一部分 模具开发流程,传统模具开发,Die Process Design,CAD Based,Hardware Tryout “SKIPPED”,引入CAE数值仿真的模具开发,模具行业发展,开发产品更新快 开发日程缩短,消费者对产品品质 需求日益提高,WTO 竞争更加激烈,模具复杂度及品质 要求相对提高,降低成本压力,模具行业,要求缩短日程 迈向国际化,模具 对产品上市时间 影响最大,开发时 模具成本最高,板料CAE数值模拟在模具开发中的作用,大量降低实际 试模时间、
3、次数,缩短产品设计到 生产的时间,允许多种设计 优化设计 提高产品创新,分析数据 验证产品设计品质,专业知识和经验 快速积累,数字模具开发 板料冲压CAE,困难成形问题解决 策略研究,研究材料对成形 影响及采用对策,资料数字化 方便经验积累 传递,第二部分 板料成形过程的常见缺陷及产生原因,开裂/减薄 起皱/折料 回弹扭曲 变形不足 表面缺陷 ,开裂/减薄,产生场合 深冲工艺 小半径区域，凸模圆角处（材料的抗拉弯强度） 侧壁中心（材料延展性，塑性失稳） 材料通过拉伸筋进入凹模，流动局部化。 分类按程度不同分 微观拉裂 工件中已产生肉眼难以看清的裂纹，一部分材料已失效 单纯的拉胀或单纯的弯曲引起
4、局部拉应变过大 宏观拉裂 工件已出现肉眼可见的裂纹或断裂 通常主要由薄板平面内的过度拉胀引起局部拉应变过大,开裂原因,在拉伸的过程中，应变超过其极限，而形成的失稳。,开裂/减薄应对措施,解决办法 改变法向接触力和切向摩擦力的分布，降低拉裂区的拉应变值 调整压边力 改善润滑条件 增加辅助工序（改变产品圆弧或斜度，增加整形） 调整拉延筋 变换材料或者调整板料尺寸 多步拉延,起皱和叠料,产生原因 由于局部压应力过大导致薄板失稳所致，正好与拉裂的产生原因相反 两种应力状态容易起皱 环向应力: 法向起皱与侧壁起皱失稳 当冲压件的周长不断减少, 此时只要板料中未受支撑 区域的长度与厚度之比较 大就会起皱.
5、 后果 影响零件的精度和美观性 影响下一道工序的正常进行,起皱和叠料一般解决方法,解决办法 增加起皱处的法向接触力（有导致其他部位被拉裂的危险） 准确预测材料的流动情况 产品形状和模具形状 增大压边力 增加拉延筋数量或者增加高度,5 kN,50 kN,10 kN,回弹及扭曲,产生原因 二维纯弯曲回弹计算公式 弹性回弹: 屈服应力,模具间隙,板料厚度 塑性回弹：塑性变形区释放残余应力的卸载过程 成形后，冲压材料由于弹性卸载，导致局部或整体发生变形。 后果 导致冲压件的尺寸和模具的工作表面尺寸不符,回弹应对措施,解决方法 调整产品设计(圆角等,产品均衡等) 调整模具圆角和尺寸 调整工艺方法(变压边
6、力) 模具结构方法 回弹补偿,材料变形不足,产生原因 材料没有足够拉伸，没有达到一定的变形量 后果 回弹 产品刚度不足(软),变形不足应对措施,解决办法 调整压边或者拉延筋等，使产品均匀变形 调整拉延模设计（工艺补充面）,表面缺陷,产生原因 滑移线：产品或者模具设计不合理，导致材料弯曲滑移，产生滑移线 材料本身：材料单拉应力应变曲线上有屈服点伸长 外部约束 回弹等原因造成产品扭曲，形成凸凹不平 后果(外观零件) 影响产品美观,表面缺陷应对措施,解决办法 调整冲压工艺方案，使成形过程中，表面区域的材料滑动和摩擦减小 主要不平度要求部位及相关特征造成的回弹影响,第三部分 冲压成形有限元法简介,有限
7、元法简介 板料成形FEM简介 冲压有限元法关键技术 冲压有限元法计算 冲压CAE软件介绍,有限元法起源,有限元法是随着计算机技术发展而出现的一种基于变分原理来求解骗微分方程的有效数值计算方法。 起源于20世纪40年代的结构力学的矩阵算法。 1960年 Clough提出”有限元法“术语。单元数目和节点数目均有限，称为有限元法FEM(Finite Element Method ),基本思路,把连续体视为离算单元的集合体 ”化整为零“，将连续体分解为有限个形态比较简单的”单元“。对这些单元分别进行分析。 ”积零为整“，将各个单元重新组合为原来的连续体的简化”模型“，根据变形谐调条件求解得到基本未知量
8、（位移）在若干离算点的数值解。 根据数值解再回到个单元中计算其他物理量（应力、应变、温度等）,连续的CAD曲面被分解为离算的有限元单元,板料成形FEM简介,板料成形过程，是指利用金属板料在常温固态下的塑性，通过模具的外力作用制成所需零件的一种加工方法。 从力学上来看，板料成形是一个几何、材料和边界接触条件等典型非线性过程，涉及板料在拉深和涨形的复杂应力状态下材料的塑性流动、塑性强化，及起皱、破裂的防止、回弹预测问题。,1973年，S.Kobayashi提出的刚塑性有限元法来模拟冲压成形过程。 1977年，GM公司研讨会上N.M.Wang提出了弹粘塑性有限元法模拟平底圆凸模和半球凸模的拉深过程。
9、 1978年，N.M.Wang和Budiansky基于非线性薄膜理论，应用弹塑性全Largrangian格式分析了任意几何形状模具的冲压问题。,20世纪80年代后期，为了促进板料成形模拟技术的研究和应用，国际上发起了定期召开国际板料成形三维数值模拟会议NUMISHEET。,成形CAE有限元的关键技术,单元技术 膜单元、壳单元、实体单元。基于板壳理论的壳单元既能处理弯曲和剪切效应，又不像实体单元需要很长计算时间。 求解格式 冲压成形是一个大变形的非线性力学过程，数值分析以增量法为主。分为静力和动力两大类，其中有显式和隐式之分。 本构关系 复合应力状态下材料如何屈服，以及屈服后如何流动。,成形CA
10、E有限元的关键技术,模具几何形状的数字描述 模具几何形状的数字描述有多种方式，目前较常采用 的是STL格式。 摩擦边界条件的施加 摩擦与金属的成分、毛坯与模具间的相对滑动速度、温度及润滑条件有关。 接触处理 主要包括计算坯料与模具接触的处理方法 网格划分和重划分技术 在有限元数值模拟中，网格质量对数值求解的稳定性、效率及精度至关重要。,成形的计算方法,显式算法 动态显式和静态显式算法 具有较好的稳定性 计算速度快，不存在收敛控制问题 需要的内存也少 隐式算法 计算快-大增量步长 精度高-回弹中较多应用 一步法 用线性应变路径的假定，并且忽略接触摩擦过程 速度快，准确性低,偏微分方程,简化的运动
11、方程示意图,这个偏微分方程的求解，采用代数的方法，避免对该方程积分，而是采用在相隔时间里转化为代数方程组，求解。,显式有限元计算,隐式有限元计算,板料成形的计算方法比较,板料成形CAE软件介绍,国外 PAMSTAMP-ESI 法国 AUTOFORM-ETH,瑞士联邦学院 DYANFORM(前后处理）+LS-DYNA(求解器）-ETA,美国 HYPERMESH(前后处理）+ LS-DYNA(求解器）ALTAIR,美国 国产软件 -KMAS 金网格 -FASTAMP 华中科大,第四部分 冲压CAE在成形分析的应用,内容,成形分析基础 成形分析的数字化模型 成形分析过程的参数设置 成形分析结果的判断
12、 整改方案,成形分析的目的,利用现代计算机技术，使用CAE系统对模具的可制造型进行分析，在模具设计阶段，优化工艺方案，解决潜在问题，确保冲压零件的质量。 通过对冲压模具成形的数字化模拟分析，发现冲压零件在实际生产过程中可能出现的问题，并在模具设计阶段加以解决，避免在模具调试过程中出现问题。,成形分析基础,材料因素-拉伸试验,拉伸试验 测定材料性能的基本手段,原始 样本,加载 样本,卸载后 样本,材料因素-应力/应变(工程),应力 应变 等效应变,se = F_ Ao,ee = l - lo lo,材料因素 - 真实应变,工程应变 真实应变 因为lo是通过无穷多个中间状态，才逐渐变成l。 真实应
13、变（中间无穷多个中间状态，数学积分）,eT = ln(l / lo)=ln( 1+ ee),材料因素-应变三个分量,应变分量(三个主方向) 主应变(主应变是材料的拉伸方向) emaj = ( l lo)/lo 次应变 emin = ( w - wo)/wo 厚度方向应变ethk = ( t - to)/to,材料因素 - 厚向异性系数r,宽度仿效的应变 和厚度方向应变 之比表示：,厚向异性系数（R） 轧制生产时，微观晶粒重组变形 轧制方向材料延伸，厚度方向材料压缩 R是宽度方向应变和厚度应变方向比值 R越大，抵抗失稳变薄的能力，深拉延性能越好 三个分量：R0，R45，R90 ， 表示平面内各向
14、异性,材料因素 - 厚向异性系数r,厚向异性系数（R） 轧制生产时，微观晶粒重组变形 轧制方向材料延伸，厚度方向材料压缩 R是宽度方向应变和厚度应变方向比值 R越大，抵抗失稳变薄的能力，深拉延性能越好 三个分量：R0，R45，R90 ， 表示平面内各向异性,材料因素 - 应变强化指数n,使用指数函数 来逼近实际应力曲线。,材料因素-应力/应变曲线,应力应变曲线 杨氏模量（E）E = s/ e（弹性阶段） 屈服应力：发生塑性变形时的应力 这一点不是精确的，传统测量点是： 0.2%应变 抗拉强度（UTS）：最大应力点，均匀塑性 变形停止，发生颈缩 （屈服和抗拉范围越大，塑性变形区大，有利于深拉伸）
15、 泊松比n ：弹性变形时纵向和 横向应变比 加工硬化指数或强化指数n 来源于应力和应变关系， n越大，失效前均匀变形越大，变形强化明显， 增大均匀变形区范围。抵抗颈缩能力越大，适合胀形。,试验测得的工程应力应变曲线,平滑处理,板料CAE常用材料模型,应力应变曲线模型:,理想弹塑性模型,理想刚塑性模型,弹塑性强化模型,刚塑性硬化模型,材料成形结果判定,材料成形结果判定,OA：二向拉伸（两个方向应变相等） maj = min , t = -2maj； maj = min 0, t = 0 OC：平面应变 maj = -t min = 0 ； maj min 0 , t = 0 OB：单向拉伸 ma
16、j = - 2 min = - 2 t maj 0 , min = 0 , t = 0 OD：纯剪切 maj = - min , t = 0；maj 0 , min 0 , t = 0 OE：双向压缩 t = maj = - 1/2 min maj 0 , min 0 ,and min maj , t = 0,典型冲压模结构,正冲 (双动) 反冲 (单动) 四工具 过拉伸,正冲 (双动),Upper Ring,Upper Die,post,反冲 (单动),Upper Die,Lower Ring,Punch,四工具,过拉伸模具结构,成形分析基础,物理世界的模具 凸模 凹模 压料面 拉延筋 其他
17、,成形分析基础,数码世界，进行分析时，只抽取模具的型面进行分析,成形分析基础（研合）,拉延筋,板料,如何得到准确的分析结果,关键在于输入正确、准确、合理的参数 正确性 -各个参数的意义明确 各个参数对分析结果的影响明确 准确性 各个参数的数值 数值来源及变化范围 合理性 各个参数的平衡考虑,板料,板料除了需要厚度、尺寸、形状外，还有 拉伸性参数（n值）-n 值越高，拉伸性越好 屈服应力屈服应力越高，成形性越差，回弹越严重 横向异性参数（r值）-r值越高，拉深性越好,分析结果通用判断标准,无开裂 无起皱 减薄率小于25%,第五部分 一步法计算及案例,排样,第六部分 增量法计算及其案例,制件名称：
18、左右铰链加强版 料厚：1.6 材料：DC06 毛坯尺寸：860X440 压料力：50T,第七部分 模具工艺面快速设计案例,八 冲压系统CAE介绍,板料成形CAE 模具结构CAE 冲压线运动分析CAE 废料流动分析CAE,冲压系统CAE,完全的板料冲压成形CAE 整个成形过程，一次完成 完备的板料冲压求解方案（拼焊板成形，热成形，超塑性成形，液压弯管等等 冲压模系统分析 模具结构疲劳强度分析 冲压线运动干涉分析 废料流动分析,模具结构疲劳分析,读取模具数据文件,划分面网格,划分体网格,边界条件,载荷条件,疲劳分析,模具结构疲劳分析,Total Processing Time 4 hours,Pu
19、nch Speed 6 M/Sec.,模具结构疲劳分析,模具结构强度分析,模具支撑系统强度,冲压线分析,Hood Inner & Outer - 运动曲线转换,Schuler Designed Motion Curve,X-Bar Center Motion Curve Profile,Motion Curve for Simulation,Y-Direction Velocity,Z-Direction Velocity,Hood Inner & Outer 吸盘运动分析,Animations of 6-Suction Cup Design,切边废料流动分析,需要的信息: 上模 (Red) 下模支持系统 (Blue) 废料槽 (Light Blue),Question and Discussion ?,Thank You All !,