不锈钢板冲压成型过程的有限元模拟

不锈钢板冲压成型过程的有限元模拟原思宇，张立文,王宇挺，吕成，陈磊，王富岗大连理工大学材料工程系不锈钢板冲压成型过程的有限元模拟Finite element simulation in stainless steelsheet forming process原思宇，张立文,王宇挺，吕成，陈磊，王富岗（大连理工大学材料工程系摘要:基于弹塑性有限元变形理论，采用有限元软件MSC.Marc建立不锈钢板材 冲压成型过程有限元模型。分析了变形过程中应变、厚度和摩擦力的分布情况以及 凸凹模间隙尺寸对成形过程的影响。通过板材法兰形状的模拟结果与实验结果进行 的比较证实了模型的可靠性和可行性。关键词:不锈钢冲压成型有限元MSC.MarcAbstract:Based on the elastic-plastic finite element method，a finite element model has been used to simulate the forming process of stainless steel sheet by the FE software MSC.Marc. The model has been used to analyze the strain，thickness of element and contact friction force distribution. And the gaps between blank and die filleted affects the forming process has been analyzed. Comparison between theoretical and experimental results of the flange shape shows the security and the feasibility of the model.Key words: stainless steel，sheet metal forming，finite element，MSC.Marc1概述金属板料成形是利用冲压模具使金属薄板发生塑性变形生产薄壳零件的一种塑 性成形工艺。传统的板材冲压工艺要经过模具设计一反复冲压实验、修改模具-定 型、实际生产一系列复杂的过程。这种过程耗费大量的人力、物力、财礼，而且由 于周期较长、增加成本,已经不适合当今社会小批量、快速、低成本的生产模式。 板材成形过程是多重非线性的复杂变形过程，采用有限元法模拟板材成形过程可以 减少试模时间，缩短产品开发周期，降低产品的开发费用1。目前，板材成形的数值模 拟方法已经受到广泛的重视，并且正在逐步实现实际生产中的模具设计、冲压过程 模拟、缺陷的预防及分析等2。对于U形和盒形类的简单冲压成形过程的数值模 拟已进行了较多的研究3-4，而对复杂冲压件成形过程的数值模拟5研究进行的较 少。本文采用大型有限元分析软件包MSC.Marc对不锈钢板水槽冲压成型过程进行 了模拟,模型考虑了板材的回弹过程。对模拟结果的分析考察了板材在冲压成型过 程中的应变分布、板材厚度变化与分布以及摩擦力的分布情况，讨论了凸凹模间隙 大小对板材冲压过程的影响。通过比较板材边缘的模拟结果与实验结果，证明了模 型的可靠性与可行性。2有限元模型的建立2.1基本模型的建立不锈钢水槽制件图如图1所示。在冲压过程中，压边圈将不锈钢板料压在凹模 上，压边通过给定压边力实现。板料随着冲头的匀速向下运动被压入型腔。卸载后， 冲头与板料间的接触消失,板材经回弹后得到最后形状。采用MSC.Marc软件绘制 模型，模具、毛坯有限元网格图如图2所示。为了简化模型缩短计算时间，根据水槽 结构沿中线左右对称、受力和变形也沿中线对称的特点，在取其1/2创建有限元模 型。材料参数如表1所示。模具采用刚性体，不可变形。板料与凸模间的摩擦系数 为0.3，与凹模间的摩擦系数为0.1。考虑到板料在拉延过程中发生大位移，因而采用 更新的拉格朗日法和网格自适应技术。表1材料参数材料弹性模量（GPa屈服点（MPa应力、应变关系式（MPa板厚（mm STS304BA292.95 287.4 4923.0o=0.83.1560s图1不锈钢水槽制件图图2模具、毛坯有限元模型2.2板壳单元板材定位为可变形体。由于板材厚度仅为0.8mm，且板厚与产品的曲面曲率半 径相比很小，因而采用双线性四边形壳单元。双线性四边形壳单元具有两个自由度, 分别是体位移和转动。并且在几何特性定义中输入壳单元的厚度。2.3回弹过程的处理材料的冲压成形卸载后，回弹是不可避免的现象。由于不锈钢材料塑性变形后 的回弹较大，如果忽略将对模拟结果产生一定程度的影响。因此在建立模型过程中 加入对回弹过程的模拟。模型中回弹的实现是当冲压件达到成形要求时，计算此时 各结点所受外力大小，然后将这些外力卸除,此时要分步进行卸载，以保证真实的回弹 数值模拟。由于回弹是伴随卸载过程而发生，因此回弹的计算类似于成形的计算，采用逐步卸载的方法，并且载卸在计算中采用弹塑性本构方程。卸载回弹分析仍采用 平衡迭代方法求解方程。2.4模型的其他处理冲压过程是一个复杂的变形过程,一些限制条件对实际过程影响很小，因而可以 进行一些必要的简化与假设。模型的主要简化及假设如下：1材料采用各向同性模型且均质；2忽略在加工过程中的温度变化及热效应对板材的影响；3采用V on Mises屈服准则、各向同性硬化法则和Prandtl-Reuss关联流动准则 描述塑性;4摩擦采用Coulomb摩擦模型，且假设整个过程中摩擦系数保持不变。3模拟结果与分析3.1应变分布与分析在水槽冲压过程中，板材受到冲头的作用变形，变形后等效塑性应变分布如图3所 示。从图中可以看出模具拐角处，即板材变 形较大处应变最大（图上A、B、C区，侧壁、底面及上表面所受应变较小。这是由于在冲压过程中，冲压头边缘与板料接触处首先变形，板料在此处受力的作用下继续变图3等效赠性疵变分布图形。这些拐角处也是应力集中的位置。3.2厚度变化分布与分析如图4所示，板材冲压后板料厚度变化分布。从图中可以看出在冲压头拐角与 板料接触部分板料厚度变化最大,板料不同位置上厚度均有不同程度的减小。厚度 最薄的部分仅为0.4718mm，此处也是在加工和使用过程中最容易发生破裂，产生缺 陷的部位。而位于凹模表面部分的板材出现一定程度的板料堆积。这是由于变形 的不均匀性以及凸凹模间隙挤压的影响,在这些部位板材处于压应力状态。3.3接触摩擦力分布与分析图5所示为板材冲压后板料与冲头间接触摩擦力的分布情况。由图可以看出在 板材与凹模圆角接触部位的接触摩擦力最大，其他部位的摩擦力分布较为均匀且数 值不大。因此在生产过程中应该注意在这些接触摩擦力大的部位施加润滑,减小摩 擦系数，降低摩擦力的大小。3.4凸凹模间隙大小对成形过程的影响凸凹模间隙大小Z与板材厚度t满足关系式:Z=kt，系数k的选取对于板材的成 形过程、板材缺陷的形成起到非常重要的作用。如图6所示为k值过大时板材起皱 的模拟结果，与实际结果一致。当k值较大时，板材悬空区域受到垂直于变形方向的 切向的压应力，这是产生起皱现象的主要原因。当k值逐渐减小时，板材悬空区域沿 变形方向的切向的拉应力增大，当超过许用应力范围时将会发生拉裂的缺陷,这也是 板材冲压过程中较为常见的缺陷之一。此外k值的减小，也将导致板材在凹模表面 上的产生严重堆积。3.5法兰的模拟结果与实验结果比较图7所示为板材法兰形状实验与模拟结果比较，从图中可以看出两结果基本吻 合，相差很小，从而证明了模型的正确性和可行性。(1有限元模拟方法可以很好地再现板材成型过程。有限元分析软件MSC.Marc 可以有效的模拟变形过程中板材受力、变形、缺陷的产生等情况；(2冲压头拐角与板料接触的地方应变最大，厚度减小也大,板材位于凹模表面的 部分存在一定程度的板料堆积；(3板材与凹模圆角接触部位的摩擦力最大；(4 k值较小时板材容易产生拉裂的缺陷,k值较大时板材悬空区容易产生起皱的 缺陷,合理的k值将影响板材冲压的成形性。(5数值模拟的变形后法兰形状与实验结果基本吻合。2003 年 MSC.Software 中国用户论文集参考文献：1 A. Makinouchi. Sheet metal forming simulation in industryJ 1996 (60:19-26。塑性工程学报 1996 Journal of Materials Processing Technology郑莹，吴勇国，李尚健，等。板料成形数值模 拟进展J 3(4:34-47。3 D.Zhou, R. H. Wagoner. Development and application of sheet-forming simulationJ Journal of Materials Processing Technology 1995 (50:1-16。 4 Li-Ping Lei, Sang-Moon Hwang, Beom-Soo Kang Finite element analysis and design in stainless steel sheet forming and its experimental comparisonJ Journal of Materials Processing Technology 2001 (110:70-77。 5 M. Samuel Experimental and numerical prediction of springback and side wall curl in U-bendings of anisotropic sheet metalsJ Processing Technology 2000 (105:382-393。Journal of Materials 6张立文，陈磊， 王富岗。油底壳成形过程数值模拟的优化建模研究J塑性工程学报：2002 9(2)68-71 -6-