一步模拟法在覆盖件成形数字模拟中的应用
2010-04-11张玉平韦光珍周玉蓉
张玉平，韦光珍，周玉蓉
ZHANG Yu-ping, WEI Guang-zhen, ZHOU Yu-rong
（重庆工业职业技术学院，重庆 400050）
一步模拟法在覆盖件成形数字模拟中的应用
One-step simulation in the panel forming digital simulation
张玉平，韦光珍，周玉蓉
ZHANG Yu-ping, WEI Guang-zhen, ZHOU Yu-rong
（重庆工业职业技术学院，重庆 400050）
针对板料成形过程中的修边线问题，提出了一步成形模拟算法。采用板料三维成形分析软件DYNAFORM中的一步模拟算法，只考虑最终工件的形状，对某覆盖件产品模拟分析，获得了坯料轮廓曲线和修边线，指导了模具设计，节省了修模时间，生产出合格产品。克服了修边线尺寸和形状难以确定的难题。
一步模拟法；坯料轮廓曲线；修边线
0 引言
CAD和CAE技术的发展对冲压件的设计和分析提供了很大的帮助，但基于增量理论的模拟软件，在目前硬件平台上运行时间非常可观。所以，在初始设计阶段，我们希望有一个工具在已知工件的形状和平板毛坯的厚度的情况下，能快速估计工件的厚度变化和应变分布，并且能够分析成形过程中不同因素对产品质量的影响。直接简单地根据产品或工件的几何形状来预测板料的变形具有比较大的实用意义，但是目前这方面的研究工作还比较少。这里研究了有限元逆算法(亦称一步成形模拟方法)，以满足这种要求。
1 一步成形模拟法
1.1 一步成形模拟法作如下假设[1～3]
1）平面应力状态，只考虑板料变形过程中的薄膜应变效应，不考虑板料的弯曲效应。
2）弹塑性大变形，材料不可压缩。
3）变形过程是比例加载的，基于塑性形变理论即全量理论来分析变形。
4）材料等向强化或非等向强化准则；
5）冲头，拉伸筋，压边圈对板料的作用表现为非均匀的冲头法向压力，冲和压边圈，拉伸筋下的摩擦力。
6）采用对数应变来描述应变。
1.2 板料质点运动方程与几何关系[2,3]
假设板料变形满足Kirchhoff薄板理论。初使坯料状态为 ，最终冲压件状态为C，则在两构形间板内任意点 的运动方程为：
式中，x0和x是点P在C0和C状态的坐标向量；n0和n是点P在C0和C状态时的单位法向量；h0和h是点P在C0和C状态时的板厚；u是点P所在板中性面处的位移向量；z 是板法向坐标值。
x0和x满足如下变换关系
式中，F是变形梯度张量。
因此Cauchy-Green 张量B为
2 工业应用实例
为了验证本算法的有效性，本文选取以下实际生产的汽车覆盖件产品用dynaform分析软件的一步成形模拟方法进行分析。零件数模如图1所示，取凸模部分划分网格，划分成3408个节点，2621个四边形单元和624个三角形单元。材料参数均为：毛坯厚度H=0.8mm，各项异性指数γ=1，最大迭代步数为200，摩擦系数为0.125[3,4]。
图1 零件三维模型
图2 坯料初始轮廓曲线
图3 零件修边线
通过一步模拟法模拟出零件展开尺寸，如图中的曲线，接着将零件展开曲线向外偏置25～30mm，通过简化优化得到坯料初始轮廓曲线如图2所示；同样方法，展开零件修边线如图3白色线所示[4]。
最后得到了质量合格的产品，如图4所示。
图4 试模所得零件照片
3 结论
通过采用DYNAFORM分析软件对所选覆盖件产品进行一步法模拟分析，并经过实际生产可得如下结论：
1）获得坯料初始轮廓曲线，再将优化的坯料轮廓曲线导入零件数模中，节省了零件进一步成形模拟分析的时间，可以更好地指导模具设计。
2）获得准确的修边线，打破传统的覆盖件模具制造中为得到所需翻边高度要反复修正修边模轮廓的方式，节省了成本，提高了效率。
[1] 蒋有谅.非线性有限元法[M].北京工业学院出版社,1998.
[2] S Y Chung and HW Swift.A theory of tube sinking[J].J.Iron Steel Inst. 170,1952,29.
[3] 李景湧. 有限元法[M].北京邮电大学出版社,2000
[4] 崔令江.汽车覆盖件冲压成形技术[M].北京：机械工业出版社,2003.
TP274
A
1009-0134(2010)10(下)-0044-02
10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(下).14
2010-06-25
张玉平（1980 -），女，讲师，硕士研究生，研究方向为模具设计及模具CAD/CAE/CAM。
