搜索基于eta/Dynaform發(fā)蓋外板拉深后切邊回彈的模擬研究
2017-03-07 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
起皺、破裂和回彈是薄板成形中的三種主要質(zhì)量缺陷,其中回彈是最難控制的,因?yàn)榛貜椀拇嬖跁?huì)影響沖壓件的形狀尺寸精度和表面質(zhì)量。沖壓件的最終形狀取決于成形后的回彈量,當(dāng)回彈量超過(guò)允許容差后,就會(huì)成為成形缺陷,進(jìn)而影響整車裝配。因此,回彈的控制及預(yù)測(cè)是一個(gè)重要的話題。
回彈不僅是工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題,也是困擾學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期以來(lái)的問(wèn)題之一。有限元數(shù)值模擬技術(shù)的引入,為推動(dòng)回彈問(wèn)題的解決提供了有利的工具。本文利用有限元技術(shù)對(duì)江淮汽車公司某車發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板(見(jiàn)圖1)成形后的回彈變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),研究控制回彈方法以及提高成形精度,對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板沖壓制造成本、保證整車裝配質(zhì)量和縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有重要的意義。
有限元法計(jì)算回彈的關(guān)鍵技術(shù)
回彈是板料成形過(guò)程中普遍存在的一種現(xiàn)象,對(duì)于諸如覆蓋件這類大型高強(qiáng)度薄板零件的沖壓成形而言,回彈問(wèn)題的研究尤為重要。回彈問(wèn)題在以下兩類沖壓制件中尤顯突出:以彎曲為主要變形方式的類U形彎曲件,如各種梁結(jié)構(gòu),由于這類沖壓件的外形尺寸通常很大,所以又稱為大彎曲件;以淺拉深為主要變形方式的小曲率件,如前后門外板、行李箱蓋外板和頂蓋等,以及與之相應(yīng)的內(nèi)覆蓋件等。
1.回彈機(jī)理
拉深過(guò)程中,板料外表面最先進(jìn)入塑性,外表面和貼模的內(nèi)表面之間依次由塑性區(qū)域過(guò)渡到彈性區(qū)域(見(jiàn)圖2)。塑性區(qū)深度與膜向拉力T有關(guān),增大膜向拉力T,塑性區(qū)域擴(kuò)大,沿板厚截面切向應(yīng)力差減小,內(nèi)部彎矩Mx降低。成形結(jié)束卸載之前,板厚截面的膜向拉力和彎矩與外部載荷平衡(成形載荷),卸載以后平衡遭到破壞,零件內(nèi)部處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了重新建立穩(wěn)定的平衡,內(nèi)部膜向力合彎矩以大小與之相等、方向與之相反的彈性膜向力合彈性彎矩發(fā)生彈性恢復(fù)。由于被拉深零件是一個(gè)整體,卸載前零件各處沿板厚的應(yīng)力分布并不完全一致(非均勻應(yīng)力場(chǎng)),因而各處的膜力合彎矩并不相同。卸載的彈性恢復(fù)是一個(gè)尋求內(nèi)部應(yīng)力自相平衡的過(guò)程,產(chǎn)生的彈性恢復(fù)應(yīng)變引起零件幾何形狀發(fā)生改變(見(jiàn)圖3,ΔH為回彈量),當(dāng)零件達(dá)到內(nèi)部應(yīng)力自相平衡時(shí),彈性恢復(fù)過(guò)程結(jié)束,這時(shí)的剩余內(nèi)應(yīng)力即為殘余應(yīng)力。從變形能角度來(lái)講,卸載前內(nèi)部應(yīng)變能有兩部分組成:彈性應(yīng)變能和塑性應(yīng)變能。卸載后內(nèi)部應(yīng)力尋求自相平衡的過(guò)程實(shí)際是彈性應(yīng)變能的釋放過(guò)程,加上被拉深零件的整體屬性,使得其內(nèi)部應(yīng)力相互制約,彈性應(yīng)變能往往只部分釋放。根據(jù)最小余能原理,卸載以后重建穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí),剩余彈性應(yīng)變能達(dá)到最小。
2.模型的建立
模型的建立包括沖壓成形的力學(xué)模型及有限元模型的建立,由于實(shí)際的沖壓過(guò)程非常復(fù)雜,因此在仿真時(shí)必須予以適當(dāng)?shù)囊?guī)范和簡(jiǎn)化。有限元分析模型中最為重要的一步是選擇單元類型并劃分有限元網(wǎng)格,通常選擇殼體類單元描述板料的變形。
3.板殼理論及板殼單元
常用的板殼理論有兩個(gè)重要的假設(shè):一是板殼厚度方向應(yīng)力為零;二是板料變形前垂直于板殼中性面的纖維在板料變形過(guò)程中保持直線狀體,但不一定垂直于變形后的板殼中性面。這兩個(gè)假設(shè)在大多數(shù)情況下基本反應(yīng)薄板的變形特性。在相同的板殼理論前提下可形成不同的殼體單元,目前在顯示算法中應(yīng)用最為廣泛的是三節(jié)點(diǎn)或四節(jié)點(diǎn)的雙線性單元。
4.計(jì)算回彈的數(shù)學(xué)方法
利用隱式算法分析回彈的模型有兩種:無(wú)模法和有模法。采用有模法時(shí),因?yàn)槿杂薪佑|計(jì)算,計(jì)算時(shí)間比無(wú)模法長(zhǎng),而且許多計(jì)算結(jié)果表明,無(wú)模法和有模法得到的回彈量大小幾乎完全一致。因此,多數(shù)板成形模擬軟件(如Dynaform)在分析制件回彈時(shí)采用的是無(wú)模法。無(wú)模法的計(jì)算思路為:在制件沖壓成形結(jié)束時(shí)去除模具,使所有和模具接觸的節(jié)點(diǎn)均轉(zhuǎn)變成為自由節(jié)點(diǎn);然后,根據(jù)彈塑性有限元法計(jì)算得到的最后一步加載結(jié)果,按照反向原則,將其結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為卸載過(guò)程節(jié)點(diǎn)力的初始值。由于板料零件此時(shí)處于無(wú)邊界約束狀態(tài)下,為防止出現(xiàn)剛體位移,需要施加位移以及轉(zhuǎn)動(dòng)約束邊界條件。這樣,回彈模擬結(jié)束后,各節(jié)點(diǎn)的位移量即為回彈量。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析
1.切邊前的回彈結(jié)果分析
圖1所示發(fā)動(dòng)機(jī)罩的開(kāi)口四周是全封閉結(jié)構(gòu),加之制件拉深深度較大(356mm),塑性變形充分,因此可以預(yù)見(jiàn),機(jī)罩拉深件切邊前的回彈量不會(huì)太大。下面通過(guò)回彈數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)加以檢驗(yàn)。
(1)回彈實(shí)驗(yàn)過(guò)程
在Dynaform中進(jìn)行機(jī)罩回彈分析時(shí)通常采用dynain方法。dynain方法一般分為兩步,首先利用有限元?jiǎng)恿︼@式算法求解制件的成形過(guò)程,并將最終計(jì)算結(jié)果中的制件厚度、應(yīng)力應(yīng)變分布等信息寫(xiě)入dynain文件;然后把該文件導(dǎo)入回dynaform,設(shè)置好回彈計(jì)算條件,再提交給dynaform的動(dòng)力隱式求解器進(jìn)行回彈計(jì)算。具體做法如下:打開(kāi)Dynaform前處理,導(dǎo)入成形計(jì)算得到的dynain模型(見(jiàn)圖4)。因?yàn)橹萍尚芜^(guò)程中存在多次自適應(yīng)網(wǎng)格劃分,所以模型中較大變形區(qū)域的網(wǎng)格較密。
回彈計(jì)算時(shí)要求排除被分析對(duì)象的所有剛性運(yùn)動(dòng),若不加以約束,則任何一個(gè)很小的載荷都將導(dǎo)致分析對(duì)象無(wú)限制地作剛性運(yùn)動(dòng)而不產(chǎn)生回彈應(yīng)力。無(wú)約束剛體運(yùn)動(dòng)包括3個(gè)平動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)采用轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)約束時(shí),在計(jì)算中會(huì)帶來(lái)截?cái)嗾`差問(wèn)題。所以用約束3個(gè)節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度來(lái)約束整個(gè)制件的剛性運(yùn)動(dòng),同時(shí)也間接地約束了制件的轉(zhuǎn)動(dòng)。這3個(gè)約束節(jié)點(diǎn)的選擇必須滿足一定要求,即:不能在一條直線上;不要靠近零件的邊緣;不要選取變形較大的區(qū)域;相互之間要隔開(kāi)一定的距離。在拉深件上選擇3個(gè)約束節(jié)點(diǎn)的位置(見(jiàn)圖5),其中節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3分別座落在機(jī)罩頂部座椅凹槽平面和兩側(cè)平面的中心處。
2. 切邊后的回彈結(jié)果分析
切邊工序分兩次完成,第一次是切除凸緣邊,同時(shí)沖制矩形口(見(jiàn)圖6);第二次是切除制件的工藝補(bǔ)充部分(見(jiàn)圖7)。切邊后制件可能會(huì)由于輪廓約束改變而導(dǎo)致回彈,特別是第二次切除工藝補(bǔ)充部分后,整個(gè)制件輪廓變成準(zhǔn)U型,這樣容易給結(jié)構(gòu)約束和內(nèi)應(yīng)力分布帶來(lái)極大變化,導(dǎo)致回彈趨勢(shì)增加。下面分別對(duì)機(jī)罩兩次切邊回彈前后情況進(jìn)行分析。
表1所示為第一次切邊(切除凸緣邊并開(kāi)矩形口)后,拉深制件上四個(gè)截面的測(cè)量尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的對(duì)比;表2所示為第二次切邊(切除制件主體上的工藝補(bǔ)充部分)后,拉深制件上四個(gè)截面的測(cè)量尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的對(duì)比。
將表1和表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn):兩次切邊后尺寸變化也非常小,只是切除制件本體上的工藝補(bǔ)充部分后,B-B和D-D截面的圓角尺寸增大較為明顯。這是因?yàn)锽-B截面無(wú)局部?jī)?nèi)凹變形,D-D截面的內(nèi)凹深度較C-C截面小,整個(gè)塑性變形不如A-A或C-C截面充分所致。
對(duì)機(jī)罩零件切邊前、后的回彈研究表明:由于機(jī)罩零件既不屬于類U形彎曲件,也不屬于淺拉深為主要變形方式的小曲率件,而是屬于空間形狀較復(fù)雜且拉深深度較大(356mm)的盒形件,加之零件的板料厚度較大(1.5mm),塑性變形充分,拉深件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布合理,各區(qū)的彈復(fù)變形存在相互制約現(xiàn)象,所以機(jī)罩切邊前后的回彈變形很小,其回彈量沒(méi)有超出技術(shù)要求范圍。
圖8所示為機(jī)罩拉深件切除所有工藝補(bǔ)充部分和開(kāi)口后(即沖壓生產(chǎn)結(jié)束)的實(shí)物照片。
結(jié)語(yǔ)
對(duì)機(jī)罩外板零件的回彈研究表明:盡管機(jī)罩外板零件屬于空間形狀較復(fù)雜、尺寸較大的盒形件,但由于其拉深深度較大且板料較厚,因此其塑性變形充分,拉深件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布合理,各區(qū)的彈性變形存在相互制約現(xiàn)象,所以機(jī)罩零件拉深切邊后的回彈變形很小,其回彈量沒(méi)有超出技術(shù)要求范圍,這與有限元模擬結(jié)果是一致的。
利用有限元模擬技術(shù)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板沖壓成形過(guò)程中回彈現(xiàn)象,這為研究沖壓成形工藝及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的手段。
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