基于Dynaform的多工序拉深仿真研究

文／石然然，刘超·北京市计算中心

基于Dynaform的多工序拉深仿真研究

文／石然然，刘超·北京市计算中心

石然然，主要研究方向为CAE仿真；从事关于冲压、结构、跌落、疲劳等计算机仿真咨询工作。

以非线性有限元软件Dynaform为平台，进行手机电池外壳多工序拉深仿真研究，分析仿真结果与实际生产基本吻合。因此通过基于Dynaform的手机电池多工序仿真模拟，可以快速预测电池外壳生产过程中出现的问题，调整生产工艺参数，缩短产品生产周期，节省生产成本，为企业带来可观效益。

手机电池外壳属于多工序拉深冲压件，成形困难且工艺要求较高，电池的质量直接影响到手机的寿命和使用性能。在电池制造的试模阶段，需要工作人员反复试验来寻找最优的制造工艺参数。面对手机市场越来越激烈的竞争，如何在短时间内生产高质量产品成为手机制造的关键。随着计算机技术及有限元技术的发展，应用数值模拟技术对板料成形过程进行计算机模拟以替代实际试模，为冲压件工艺设计及模具设计提供可靠的判据和合理的工艺参数，已成为当前冲压件工艺设计和模具设计中的一种重要手段。本文基于北京康迪普瑞有限公司的手机电池外壳的生产项目进行研究，目的是通过基于Dynaform的数值模拟技术预测生产过程中可能出现的问题，减少试模次数，节约生产成本。

模拟参数设置

本研究中电池外壳的生产过程需连续经7次拉深后进行切边等后续工序。电池外壳的材料为Al，该材料弹性模量为6.9×104MPa，泊松比为0.33，密度为2.7g/cm3。毛坯初始模型如图1所示。

图1 毛坯初始模型

经连续拉深7次后，成形后的电池外壳如图2所示。

图2 成形后的电池外壳图

Dynaform多工序冲压仿真有两种方法：一是在前期处理中设置多工序冲压过程模型，整体求解计算；二是单步求解计算，并把前一步有限元结果导入后一步作为初始条件。本文采用后者，其优点是单步求解计算有利于仿真过程参数控制。将用UG软件绘制的CAD三维模型导入到hypermesh中进行网格划分，通过细化圆角处网格大小来提高成形质量，保证坯料和凸凹模网格尺寸类似，以利于模具与坯料之间接触力的计算。控制最小单元尺寸，保证最小时间步长。网格划分完成的模型如图3所示。

将网格模型分别保存为.dat格式并导入到Dynaform中进行有限元模型的设置。为减少计算时间，在显示板料成形有限元分析时，采用虚拟冲压速度。同时，考虑到人工动态效应，虚拟冲压速度值在2000～5000mm/s之间选取，本文取2000mm/s。完成上述设置后，导入凸凹模和坯料网格模型，板料厚度为0.7mm，通过autosetup设置冲压成形过程。模具与坯料的摩擦系数为0.125，第一次拉深深度为28mm。设置完成后生成.dyn文件，然后采用北京市计算中心自主研发的高性能计算平台HY-CLOUD进行求解计算，界面如图4所示。

把生成的.dyn、.mod、.blk、.idx格式的4个文件同时提交到HY-CLOUD上，计算完成后查看d3plot结果文件，对冲压结果进行分析。其中.dynain文件完整继承了第1步冲压完成后的厚度、单元应力、应变等信息。把此文件作为第2步的坯料继续设置求解，直到完成7个工步所有计算。

图3 网格模型

图4 HY-CLOUD界面

图5 各工步成形极限图

图6 各工步厚度分布图

模拟结果分析

在Dynaform后处理程序中，可以通过d3plot结果文件观察电池外壳多工序模拟结果的每一个工序。图5、图6分别为各工序板料的成形极限图和厚度分布图。

由图5可见，在连续冲压过程中板料未发生破裂，仅外缘部分有轻微的起皱现象，起皱部分由后续的切边工序去除。7个工序的FLD图显示此冲压过程是安全的。由图6可见，零件在拉深时变薄，尤其圆角部位，但满足手机电池外壳的使用要求。通过基于Dynaform的多工序电池外壳仿真模拟可以看出，此工艺参数和模具满足电池外壳制造条件。并基于此把模具投入到实际 生产，生产制件各部位厚度与仿真结果基本符合。

结束语

⑴运用Dynaform软件进行手机电池外壳多工序仿真模拟，模拟结果与实际生产结果基本吻合，证明了数值模拟结果的可参考性。

⑵对于多次拉深，前、后两次拉深间可通过.dynain文件传递毛坯的厚度、应力、应变等信息，这对多次拉深效果非常关键。

⑶通过基于Dynaform的手机电池多工序仿真模拟，可以快速预测电池生产过程中出现的问题，调整工艺参数，缩短产品生产周期，节省生产成本，为企业带来可观效益。

注：本项目得到“北京市科学技术研究院创新团队项目（IG201203N）”资助。