油箱冲压的有限元模拟分析.pdf

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1、第 7 卷第 1 期 2 0 0 4年 6月 沙 洲 职 业 工 学 院 学 报 J o u r n a l o f S h a z h o u P o l y t c c h n i c a l I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y Vo 1 7，No 1 J u n ， 2 0 0 4 油箱冲压的有限元模拟分析 邵伟伍建国 ( 沙洲职业工学 院， 江苏 张家港 2 1 5 6 0 0 ) 摘要 ： 新产品的冲压成形一般要进行 多次的试模和修正才能成功， 这直接影响到模具的设计制造周期。本文利 用 D Y N A F O R M P C对一工作装

2、置油箱进行数值模拟分析， 得到了成功的冲压成形方案 ， 保证 了冲压加工一次性 获得成功。 关键词 ： 有限元 ； 数值模拟 ； 冲压工艺 中图分类号 ： T H 1 2 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 8 4 2 9 ( 2 0 0 4 ) 0 1 0 0 2 6 0 4 Th e F i n i t e El e me n t S i mu l a t i o n An a l y s i s O f oi l Co n t a i n e r S H A O We i WU J i a n g u o ( S h a z h o u P o y t e c h n

3、i c a l I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Z h a n g fi a g a n g ) Ab s t r a c t ：F o r t h e s u c c e s s o f t h e d e f o r mi n g o f a n e w s h e e t me t a l p r o d u c t ，i t i s n e c e s s a r y t h a t t h e w o r k o f d e f o rm i n g b e t a k e n f o r s e v e r al t i me

4、 s a n d t h e d i e for t h e p r o d u c t mu s t b e r e p a i r e d e v e r y t i me W i t h the s i mu l a t i o n an aly s i s o f o i l c o n t a i n e ；o f w o r k i n g d e v i c e b y DYNAF ORM P C s o f t wa r e ，the s u c c e s s f u l d e f o rm i n g p r o c e s s o f t h i s p r o d u

5、 c t s wa s o b t ain e d S o t h e s u c c e s s o f d e f o rm i n g o f the p r o d u c t a t fi r s t t i me i s s o u r e d Ke y wo r d s：f i n i t e e l e me n t ；n u me r i c al s i mu l a t i o n；s t a mp i n g t e c h n o l o g y 0 引言 传统的冲压工作， 需要花费大量 的时间进行 冲压工艺计算 ， 然后设计制造出相应 的冲压模具 ， 再试压 ， 修

6、正模具的工作参数。这样做 ， 往往会造 成冲压工作 的失败 ， 使 企业造成很大 的浪费 ， 同 时， 又使生产周期变长 ， 失去市场机遇。为了确保 冲压工作的成功， 最好的办法是利用有 限元方法 对冲压过程进行数值模拟。2 O 世纪 8 O年代以前， 受有限元分析方法和计算机速度的限制， 有限元 分析主要处理小规模的线性问题， 很少计算类似 冲压成形的高度非线性问题。9 O年代 以后， 随着 计算机性能的不断提高、 使得对 大型复杂非线性 系统实施更细、 更精、 更快的分析成为可能。有限 元软件功能的逐渐完善 ， 近年来发展起来 的数值 模拟技术从根本上解决 了冲压模拟这一塑性加工 领域的难

7、题 。国外一些世界一流的科学研究中心 采用有限元数值模拟技术对零件、 模具、 冲压工艺 和材料性能之间的适应性进行 了研究 ， 取得 了引 人瞩 目的研究成果 儿 。国内的上 海交通大 学、 北京航空航天大学、 华 中科技大学及一汽、 二 汽、 上海大众等单位在冲压仿真与汽车板料成形 性能方面进行了研究 儿 ， 保证了汽车覆盖件等 复杂曲面拉深件模具的一次成功。 本文研究的是对一工作装置油箱进行数值模 拟 ， 该油箱如图 1 所示。由于该油箱的尺寸大 ( 长 收稿 日期 ： 2 0 0 4 0 5 2 6 作者简介： 邵伟 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 沙洲职业工学院机电工程系 2

8、0 0 0级学生 ； 伍建国( 1 9 6 0一) ， 男 ， 沙洲职业工学院教授 ， 硕士。 2 6 维普资讯 http:/ 1 1 3 3 ra m， 宽 5 6 7 m m， 高 1 0 7 m m) ， 油 箱 厚 度 达 6 m m。油箱表面不能有拉伤、 皱折 ， 凸缘表面平面 度0 3 、 表面粗糙度 R a 1 6 ， 以保证与另一半油箱 焊接 良好。因此， 该零件 的拉深有一定 的难度。 本文利用 D Y N A F O R MP C软件对该零件进行数 值模拟 ， 通过模拟分析提出其合理的冲压工艺， 保 证了该零件冲压的成功实施。 图 1零 件 1 冲压数值模拟一般步骤 ( 1

9、 ) 利用 P r o E 、 U G等三维设计软件或直接 由 D Y N A F O R M建模。若用 P r o E 、 U G等建模 时 最好用曲面建模 ， 这样其一可以减少数据的传送 量， 其二能够减少在 D Y N A F O R M P C中网格生存 时的工作量。 ( 2 ) 通过转换器将模型数据导人 D Y N A F O R M P C。 ( 3 ) 利用 自动划分网格工具产生下模、 板等的 网格单元。 ( 4 ) 检查上述零件 的边界、 单元法线 的一致 性、 重叠节点和单元。 ( 5 ) 在模具冲压方向通过单元的复制产生上 模、 压边圈等。 ( 6 ) 设定各零件相对位置。

10、 ( 7 ) 定义上述零件的冲压参数 ( 如接触类型、 摩擦系数、 冲压虚拟速度和压边力曲线等) 。 ( 8 ) 进行 T O O L动画取保冲压运动正确。 ( 9 ) 运行 L S D Y N A 。 ( 1 0 ) 用 e t a P o s t G L或 e taG r a p h观察模拟 结果 。 2 拉深毛坯尺寸的确定 在计算油箱展开面积时， 用面积相等的原理。 直边部分按弯曲件展开面积计算， 圆角部分按筒 形件拉深展开面积计算 ， 毛坯的外缘应平滑过渡。 计算得到的近似毛坯形状和尺寸如图2 所示。由 于该零件类似于长盒 型件 ， 相对 圆角半径 r B= 9 4 4 9 7= 0

11、1 8 9 ， 相对厚度 t B= 6 4 9 7= 0 1 2 ， 相对高度 H B=1 0 7 4 9 7= 0 2 1 5 。根据模具设计 相关设计资料， 可一次成型。 1 1 7 3 图2 毛坯 图 3 有限元模型的建立 模具工作原理图如图 3所示。根据模具的工 作原理， 用 P r o E曲面造型功能建 出凹模 ， 压边 圈， 毛坯的曲面模型 ， 以 ，一c i g e s 格式保存。在 D Y N A F O R MP C中， 以 ，Ic i g e s 格式导人所保存的文 件， 然后划分网格 ， 利用单元复制功能生成 凸模单 元 ， 再设定各零件相对位置。从而得到毛坯、 模具 的

12、有限元模型如图4所示。 1 凸模固定座2 导板3 压边圈4 定位销5 凹模 图3 模具工作原理图 图4 毛坯、模具有限元模型 2 7 维普资讯 http:/ 4 冲压参数的设定 初次模拟采用 的压边力 为 5 2 0吨， 板料采用 弹塑性材料模型 ， 考虑到板料的厚向各向异性 ， 选 用材料库 中的 m a t e r i a l t y p e 3 6 ， 材质为 0 8 F钢 ， 其 弹性模量 E= 2 0 71 0 M P a ， 泊松 比为 = 0 2 8 ， 屈服应力 仃 。 = 6 4 8 M P a ， l_m a k f o r d系数 r 0 =1 8 7 ， r 4 5 =

13、 1 2 7 ， r 9 o = 2 1 7 ， 硬化指数 n = 0 2 2 。板厚 8 = 6 m m， 模具与板料之间的静摩擦系数 f s = 0 1 ， 动 摩擦系数 f d= 0 。由于 D Y N A F O R M P C计算程序 采用动力显式算法需要引入虚拟冲压速度或虚拟 质量， 此处定义凸模虚拟冲压速度 v = 2 0 0 0 m m s 。 计算结果显示 的零件厚度变化云图如图 5 ( a ) 所 示 ， 从厚度变化云图可见工件外缘局部位置 的壁 厚为 6 3 5 m m， 在长边圆角处的底部偏上位置 ， 工 件的最小壁厚为 4 2 2 m m， 壁厚的差异 比较大。从 成

14、型极限图可见( 图5 ( b ) 所示) ， 一些单元已处于 危险区。 I eN E O 3 5 1 0 61 ( a ) ( b ) 图5初次模拟工件厚度变化云图与成型极限图 为了保证生产出合格的产品， 必须对 冲压工 艺进行修改。本文分别对冲压工艺， 板料的外形 2 8 和尺寸、 压边圈的形状 、 压边方式 、 凸凹模的圆角 等工艺参数进行了修改， 并反复进行数值模拟， 直 到获得满意的冲压模拟结果。图 6为通过修改凹 模圆角和改变压边方式获得的数值模拟结果( 凹 模圆角由原来的 R 1 0增至 R 2 0 ) 。料变薄量变小， 易产生的裂纹的区域变小 ， 但表面有起皱现象。 ； 2 1

15、T l IIE ： 5 8 6 9 1 1 4 4 E - 0 2 T HI C K N E S S 图6工件厚度变化云图二 ST E P 2 1 T I l i E =6 1 6 4 07 3 6 E - 02 T HI cl N E S S 图7 工件厚度变化云图三 为此 ， 由原来 的压 边力 压边 改 为间隙压 边 ( 间隙为 1 1 8 )， 模拟结果如图 7所示 ， 其表面起 皱现象有所改善 ， 但略有起皱。最后 ， 同时采用间 隙压边( 间隙为 1 1 8 ) 和压边力( 3 0 0吨) 压边， 其 变形结果如图8 ( a ) 所示 ， 表面起皱基本消除 ， 工件 壁厚最厚处为6

16、 5 m m， 最薄处为 5 5 m m， 壁厚 比较 均匀。能满足设计要求。从图8 ( b ) 所示的成型 极限图看， 冲压工作没有超过冲压极限， 能够冲压 成型。 通过上述数值分析制定出如下冲压工艺： ( 1 ) 落料 ， 毛坯外型 ； ( 2 ) 采用间隙压边和压边力压边冲压 ， 其中凹 模肩圆角为 R 2 0 ； ( 3 ) 整型 ， 其中凹模肩圆角 R 1 0 ( 图样要求) ； ( 4 ) 修边。 实际时冲压采用模拟得到的工艺参数 ， 取得 了满意的效果。 毫案 蛰I l蠢 O 9 8 7 7 6 5 4 3 2 4 O 5 7 3 9 5 7 3 5 0 6 7 7 8 8 9

17、O 0 3 9 51 7 3 9 5 2 8 4 4 3 3 3 2 2 OO 6 4 2 O 8 6 4 2 O 8a 囊翻 f 趣誓囊鼍 簟一 2 9 7 5 2 O 8 5 31 2 4 6 8 O 3 5 7 0 9 6 7 6 0 5 3 2 O 8 7 6 4 3 2 0 9 6 4 2 O 8 6 4 2 O 5 4 3 Z 9 8 7 6 宣 维普资讯 http:/ N O N E S TE P 1 8 TI 蛭= 5 2 5 1 2 8 4 3 E_ 0 2 T HI C K NE S S ( a ) M a j o r E n gi n e e r i n g S t r

18、a i n( ， 1 ) M a j o r E n g i n e e r i n g S t r a i n( 1 ) ( b ) 图8 工件厚度变化云图四与成型极限图 5 结束语 通过对工作装置油箱数值模拟分析 ， 可得到如 下结论 ： 通过冲压模拟， 再根据冲压模拟结果设计、 生 产模具 ， 确保了冲压的成功 ， 减少了冲压试模 的成 本 ， 在最短的时间内得到了满意的冲压件。该方法 适合于冲压大型或复杂冲压件， 以提高模具制造的 参考文献： 成功率， 缩短模具生产时间， 降低试压成本。 运用 D Y N A F O R MP C软件数值模拟结果与 实际生产结果基本吻合， 说明数值模拟

19、计算结果的 可参考性。 对板料较厚的冲压件， 同时采用间隙压边和压 边力压边对成型有利， 可以较好的控制冲压件凸缘 表面的起皱现象。但是如何使得 同时采用间隙压 边和压边力压边参数最优化值得进一步探讨。 1 R o n d a J ， M e r c e r C D， B o t h m a A S ， e t a 1 S i m u l a ti o n o f s q u a r e c u p d e e p d r a w i n g wit l l v a r i o u s f r i c t i o n a n d m a t e ri a l m o d e l s J J o

20、 u rna l o f M a t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 1 9 9 5 ， ( 5 0 ) ： 9 2 1 0 4 2 Z h o u a D， Wa g o n e r a R H D e v e l o p m e n t and印p l i c a ti o n of s h e e t f o r m i n g s i m u l a ti o n J J o u r n a l of M a t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y

21、 ， 1 9 9 5 ， ( 5 0 ) ： I 一1 6 3 T a y l o r L ， C a o J ， K s A P ， e t a 1 N u m e ri c a l s i m u l a ti o n o f s h e e t m e t a l f o r m i n g J J o u r n a l of M a t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 1 9 9 5 ， ( 5 0 ) ： 1 6 81 7 2 4 徐伟力 车身覆盖件冲压仿真的现状和发展趋势 J 机械工程学报， 2 0 0 0 ， ( 7 ) ： 1 4 5 张晓静， 周贤宾 汽车覆盖件多工步成形数值模拟技术研究 J 塑性工程学报， 2 0 0 1 ， ( 1 ) ： 2 5 3 0 6 岳陆游， 陈炜 板料冲压成型有限元模拟分析 J 电j j - r 与模具， 2 0 0 3 ， ( 1 ) 2 9 维普资讯 http:/