板料成型过程的数值模拟综述.pdf

沈 阳大学学报 自然科学版 I JOURNALOF SHENYANG UNIVERSITY NaturalSeieneesEdition 1998年第 2期 板料成 型过程 的数值模拟综述 _L 夏鸿雁 阎 童 (沈阳大学材料系] (中国科学院现代制造 CAD／CAM 技术开放实验宜] 摘 要 本文提供 了关于板料成型过程计算机数值模拟的综述，着重叙述了成型数值模拟的发展及现 状，各种数值模拟方法及应用前景。 、 ， 一 关键词堡～ 墼 有 I、一，I ! ：净 、2 ．_．-—— --— -—_— __一 … ’ ～ … I 『 l 引言 1 板料成型是工业 中广泛应用的复杂工艺过程，与材料性能、工件形状尺寸、成型温度、成型 速度、载荷或流动压力、模腔表面情况(非摩擦)、工序和模具设计等一系列因素有关。在很长 的时间内，生产全凭经验、技艺。人们对板金成型生产过程的长期研究大致按实验测试和数值 分析两方面进行。实验测试对生产实践和理论验证 自然是最基础 的研究，人们在冲压生产过 程中积累的经验、技艺就是长时间、多次直接试验的结果。一些定型的实验测试，如拉伸试验、 胀形试验、扩孑L试验、网格试验、Yashida屈曲试验、表面应变 自动测量等，至今为我们提供判断 破裂、起皱等成型性能的经验数据，或用于验证理论分析、数值计算的结果。但 由于受到人力、 物力、时间等难于控制的条件所限制，准确的测试数据也很难获得，所以，代价昂贵的实验测试 一 直只能作为局部感性认识或验证手段 。 塑性成型理论的数值分析能揭示成型过程 中许多现象的本质，如给出工件成型各瞬间的 位移、应变、应力分布，确定成形力、压边力等成型参数，预测工件的回弹、起皱、破裂等。随着 计算机技术的发展及广泛应用，数值分析发展成数值模拟，成为模具 CAD／CAM 的重要组成 部分。另一方面，我们又不能不看到板料冲压成型数值模拟是冲压模具 CAD 中最困难的一 环。首先，由于数学模型的复杂性，成型过程中许多重要因素，如摩擦、冲头与凹模圆角半径、 压边、约束尚未充分考虑；其次，有关冲压模具设计的计算机软件包要考虑成形过程数值模拟、 成型 曲面造型、模具结构强度等诸多因素，这样 的软件包对计算机规模提出一定 的要求，而较 大规模 的计算机又为一般冲压工厂所不具备；另外，必要的CAE(计算机辅助工程)知识和金 属加工成形知识普遍缺乏，也对计算机成为冲压工程基本助手的进程变得缓慢。这样 ，尽管人 沈 阳大学学报 自然科学版 1998年 第2期 79 们做 了大量工作，实际冲压模具的设计和产品设计仍旧在反复实验、测试指导下进行。板料成 型的数值模拟是冲压模具计算机辅助设计技术集成的真正困难所在。 数值模拟板料成型过程 的基本 目标是在 已知模具、压边装置 几何形状 、材料特性 、润滑条 件 、边界条件等前提下 以数学方式预测成形结果。典型的数值模拟方法包括有 限元法 、有 限差 分法或其它方程解法。 2 轴对称拉延过程的数值模拟 轴对称拉延过程，是最简单 的板料成型过 程．板料成型的数值模拟从杯形件开始。 杯形拉延的分析是从五十年代开始的。考 虑了圆形 凸缘的径 向拉延，模具转角处的弯 曲 拉伸．冲头转角处的拉伸和弯曲，及冲头顶处的 径 向拉伸 (如图1)，用有限差分方法求解。 八十年代，以更精密的方式考虑弯曲影响， 把板料分成一系列同心圆，每个环又沿板厚分 五层。计算结果表明厚度变化更严重。