劉超+石然然

摘要： 針對多工步?jīng)_壓過程中材料的流動和應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律相當復(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行數(shù)值模擬仿真.仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析驗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文獻標志碼： 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

基金項目： 北京市科學(xué)技術(shù)研究院創(chuàng)新團隊項目（IG201203N）；北京市計算中心萌芽項目

作者簡介： 劉超（1985—），女，河北保定人，碩士，研究方向為CAE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)者均對拉深問題進行大量研究，在拉深工藝、設(shè)備和計算機仿真等方面都有很大進展.但是，由于拉深問題的復(fù)雜性和工藝理論的不完善，多工步拉深成形規(guī)律和工藝參數(shù)確定及優(yōu)化的研究明顯落后于實際生產(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)的解析計算方法很難準確地進行尺寸計算，所以只能用估算的方法進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確，很可能導(dǎo)致制造出的模具不合格；同時，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、摩擦和接觸等多個非線性因素的耦合分析，相關(guān)的理論和實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)域的難點和熱點之一.[2]

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對電池盒的前6步深拉深過程進行計算機仿真分析，并與試驗結(jié)果進行對比分析，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模型的建立和單元劃分

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中進行特征簡化和單元剖分.因為模具的倒角對成形過程有較大影響，所以將所有倒角保留并且嚴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屈服準則和正交各項異性的Barlat屈服準則應(yīng)用較多.[3]

Hill屈服準則假設(shè)屈服函數(shù)在每個質(zhì)點上存在3個互相垂直的各向異性平面，其交線構(gòu)成3個各向異性主軸 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)對計算能否順利進行起到至關(guān)重要的作用.因為板材的變形程度很大，極易導(dǎo)致由網(wǎng)格畸變引起的計算失效，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.計算過程中某一時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)過多次計算驗證，虛擬沖壓速度對于板材成形的影響很小，可以忽略不計，所以為節(jié)省計算時間，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.

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

2有限元模型的計算求解

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

3仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析

采用PostProcessor進行仿真計算結(jié)果的后處理，提取計算機仿真過程中每個沖壓工步結(jié)束后工件的FLD成形極限圖和厚度分布圖，并與沖壓試驗每工步結(jié)果進行比較見表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)果與試驗結(jié)果基本吻合，證明模型的準確性.

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)與試驗相結(jié)合的方法，既能縮短模具的設(shè)計周期，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：

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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.

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