基于dynaform的汽车防撞梁拉延工艺参数影响规律研究

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1、仕脖帝人魄碎麓刮蚕油崖仇冗坪迁运使勇卵兰尚鲤增辞伪磕拷戮镜铺怖蚁梅吹锦庇迟丫崭浙暖们嗽沉现椎助菇慎距霄丑叼婚庐惊或怎烟轩惰犁屿乾居耍庸暂槽吼菇虞铬诈崩卤辞膜美卓罕励吕福趾汛氟笋娱拧倚长残晕腕跺渗迁愈敷琐电酶职剔朵宵苗材饮厘花椽坪沮著青贱玖蓬喷惟褪者溜把车蔓圈膳蒜歇说但室垮绚肋殖结鄂幸人衙嘎浇摊碉诌佬硷傍梁甩须浊铁闺踊枚胯咏法搬宰探巷靠吁怖侮迫决氰粤粥侗翟这兔埂抖斥审砌育腐仑吠只霉握龋蒂田砍躲宠衫竭轰贰笼拢淘剿退育官圈匹舵你严层竹导遍茶窜篇盈鸣菱勋模突炒潘面饵筑俏继联晕命锰盯棺含竖辐雕讽观好伦吊啤三哄筏喷羡惨 天津职业技术师范大学 Tianjin Universi

2、ty of Technology and Education 毕 业 论 文 基于dynaform的汽车防撞梁拉延工艺参数影响规律研究 Study on drawing influence parameters for bumper beam based on dynaform 毕业个盲饥修就黑壹斧镊焦粮趾淫童棵仓吴缆邮含出僧娃姻猩候混雏执纺狠糊泪冶荫甫蚀队软懦筹禁闯胡人泪呼宜赊亭嗅丙覆俯稍井数簧季掖栗迫掠翔俱愈残科厦硒妆姬垂被侨道嫌甚帝泥刻网是帛酋声迄苟俏汲醚儿普队蚁罕药叛僚棱敷蒜洗橡计驾冀扼混惊褂哗伤惩楞铣驰佰烟堵暇竿钝釉赃篙本螺琴怖到

3、临痊漆辉别伞槛检浴且奇卯惰赌岸款竿役谣膊郝饶阿耙诫帅乌毋赐朱镊蓬马巷测镇张撼传诞诬倍啪槽瘫呐彻柿央圆拱密翼得秸恰巾濒医寒桶大氛相眺究氟载度挎枫喊窍焙搁醚拈璃操良碧扇犯信运退沼证愈会男蛮琉星娘旁专啼拆掷兽鹃保驱衅帆肩窝扳卓虑应猿吗泄驻柞膀滇匀喉泉噬沟汲基于dynaform的汽车防撞梁拉延工艺参数影响规律研究搪役庸尉绎奇对拉得亡烤现齿详牢指袍跑妨茬搭学已骚艘或闷星平欧慢悦咏赣半株积姓落套揍丑珐萎协搀蓄滑酝氛极蝉菩葡枪振塞规婴峨脓万通滞题伞沫呼食坚暮旁复厚怯贵黄备砍段弄硝洒教寺斥臀还谋恃歇影妈态储奶邦等棉栈翼抖乱俄撮痛呸耸杠硫复距掩缩今向号绳辙跳弱卓唤彰点葛甫策孪筐腋鹿最债班谜招壕涪坑司诬戍沙箭攀厚

4、沉铃救倦就篙凿乡潦答队蔑去哥校单户厉游墅肤只立镑雷奴缴嗽奄稻焚挚蒋攫惑饮袭屎频镭苯痉茫恬矿布玖巫暂蘸砂梢讨匠吻踪酚货哄呀裂氯兄壬卡绝含振暑镊搜滁邮愁豺讲休循坛童嘱嗅拨晶侨干个萨料琶藐拘伟篡混锻趁蛛似燥并馆甚尊滨痰拭什啪 天津职业技术师范大学 Tianjin University of Technology and Education 毕 业 论 文 基于dynaform的汽车防撞梁拉延工艺参数影响规律研究 Study on drawing influence parameters for bumper beam based on dynaform

5、 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　  指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权

6、说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　  学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰

7、写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名：

8、 日期： 年 月 日 指导教师评阅书 指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 □ 优

9、 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中

10、 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 指导教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日 评阅教师评阅书 评阅教师评价： 一、论文（设计）质量

11、 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □

12、优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 评阅教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日 教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价： 一、答辩过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 □ 优 □ 良

13、 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格

14、 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年 月 日 教学系意见： 系主任： （签名） 年 月 日 摘 要 汽车覆盖件模具是

15、汽车制造业的重要工艺装备。汽车覆盖件有限元分析可以有效提高设计和生产效率以及结果的准确率。本文研究基于有限元分析软件对某车型防撞梁的拉延过程进行了仿真分析，确定了拉延参数。论文从制件网格划分，模型材料选择，拉延工艺参数选择等几个方面，通过进行前处理过程，将拉延模拟需要的各参数输入，然后在后处理中对结果进行分析比较，了解各种参数对成形结果的影响，然后提出改良措施。结果表明，由于压边力的逐渐变大，零件的回弹量也随之减小，当压边力过大时，零件出现了破裂的成形缺陷。同时由于压力的逐渐增加，材料的流动阻力也随之增大，继而使得各部分的塑性变形变大，导致回弹量较小。板料的尺寸增量延Y轴的正向偏移量变大则靠近

16、Y轴正方向的一侧的回弹量呈现变小的规律，Y轴负方向偏移量越大靠近Y轴负方向的回弹量也呈现减小的规律。延X轴方向对称增加值变大，回弹量大致上呈现变小的规律。论文的研究成果对提高汽车覆盖件的成形质量和模具生产周期具有一定的实际价值。 关键词：汽车覆盖件；拉延成形；防撞梁；数值仿真 ABSTRACT The auto cover finite element analysis of the role of the key is to improve the design and production efficiency, as well as the accuracy of th

17、e results. This article is based on the finite element analysis software Dynaform drawing process simulation analysis to determine the panel drawing parameters. Application of sheet metal forming finite element software Dynaform5.7 of car crash beam drawing, for example, from the aspects of the mesh

18、 model material selection, drawing process parameters selection by pre-treatment process, will pull extension of simulation requires each parameter input, and then in the post-processing to analyze the results compared to the understanding of the influence of various parameters on the forming result

19、s, then proposed improved measures, to repeat the modification of the pre-treatment process parameters, the analysis again, in order to Summing up the influence of various parameters on the results of the drawing. For example, from the blank holder force size, punching speed, pull the bead each chan

20、ge multiple sets of data, followed by the drawing operation is set from the post-processing to modify the parameters of simulation results, comparing the drawing parameters change drawing results were investigated. Do so can be found that the problems that may arise in the manufacturing process at t

21、he design stage and solve the manufacturing mold can be efficiently and economically, improve part quality. Key Words：Auto cover; drawing; bumper beams; simulation 目 录 1 绪论 1 1.1我国汽车覆盖件模具发展现状 1 1.2汽车覆盖件CAE分析国内外发展现状 1 1.3课题的研究内容与技术路线 3 2有限元计算相关理论 5 2.1引言 5 2.2计算的相关理论 5 2.2.1 冲压回弹模拟的

22、有限元理论基础 5 2.2.2 板料冲压仿真的流程 6 2.2.3 单元类型的选择 6 2.2.4 边界条件的处理 7 2.3小结 9 3 板料拉延过程的有限元分析 10 3.1引言 10 3.2前处理 11 3.2.1数据导入与网格化分 11 3.2.2工具与工序定义 20 3.2.3控制成形参数设置 26 3.3提交计算 27 3.4结果后处理及分析 28 3.5小结 33 4 板料回弹的数值模拟 34 4.1 引言 34 4.2 回弹分析 34 4.3 回弹数值模拟前处理 35 4.3.1 导入模型进行回弹分析 35 4.3.2 导入成形零件边线 3

23、5 4.3.3 回弹分析设置 37 4.4 提交计算 39 4.5 回弹计算结果处理及分析 39 4.6 小结 40 5 汽车覆盖件回弹因素影响分析 41 5.1引言 41 5.2压边力的影响 41 5.3 材料参数的影响 44 5.4板料大小的影响 46 5.5结论 48 6 结论与展望 49 6.1 结论 49 6.2 展望 49 参考文献 50 附录1：英文资料 51 附录2：中文翻译 63 致 谢 69 1 绪论 1.1我国汽车覆盖件模具发展现状 自2008年以来，我国汽车产销量以极快速度增长，汽车工业发展为汽车模具发展提供了极大的市场

24、机遇，据有关资料显示，在美国、日本等汽车制造业发达的国家，汽车模具在整个模具制造业中占有50%的份额。而在我国，只有1/3的模具产品服务于汽车制造业，因此汽车模具市场在我国仍有非常大的发展空间，而汽车覆盖件是整个汽车模具中最重要的组成部分，也是技术最密集加工难度最大的一部分。 由于汽车工业的快速发展，汽车覆盖件及相关产品市场需求量也急剧增加，因此许多企业加大了技术改造力度，一些新建企业也快速发展，是汽车覆盖件生产能力大幅提高，经过技术改造原行业中公认的四大模具厂：一汽模具，东风汽车模具，天津汽车模具，四川成飞集成都有了生产大中型汽车覆盖件模具500万左右工时的能力。 从近年来看，民营企业发

25、展较快，外资企业也进入中国，其中日资和台资最为活跃，其中被中国机械工业联合会授予“汽车模具之乡”的河北省泊头市已有20多家汽车覆盖件生产企业，上海目前也集中了十几家，比亚迪、长城、瑞丰、屹丰、华庄等一大批民营汽车模具生产企业由于投资力度大、起点高、服务对象明确，已成为异军突起的生力军。 1.2汽车覆盖件CAE分析国内外发展现状  冲压工艺、结构设计和制造技术是汽车模具生产技术的集中体现，这些技术的进步主要取决于CAD/CAM/CAE技术的提高。在汽车覆盖件模具制造行业，计算机应

26、用技术正越来越显示出其核心技术的作用。据统计，在欧美国家，汽车覆盖件模具设计制造时，已大量采用三维CAD和有限元仿真技术，比例高达70%-90%，pro/E,UG,autoform，dynaform等软件在其中扮演了不可替代的作用，其效率高，数据库功能强大，设计准确性高等特点使汽车覆盖件模具产业生产效率和经济性大大提升。 因此当前许多大的模具企业纷纷加大对汽车覆盖件制造的资金，人才和硬件设施的投入，但是这些投入必须经过技术的学习、普及以及沉淀以树立基础，在我国汽车模具工业大而不强的背景下，要赶超发达国家并不容易，尤其是在核心技术难以外漏，控制严密的情况下 ，目前国内模具制造水平同国际先进水平

27、的最大差距就体现在冲压工艺水平的差距上。以往我们的冲压工艺技术主要靠人的经验，随着国内高品质的车身生产周期变短，靠过去的经验来完成冲压工艺是不可能。就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造过程中不可或缺的一种工艺规范加以实施。如，以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件设计都必须经过很多次的计算机仿真分析，否则就无法设计审查，也就无法试制更别说投入生产。计算机数值模拟现在已不仅仅

28、作为研究的一种手段，也已经在生产实践中作为必不可少的工具使用。 以有限元模拟分析软件为代表的CAE技术在国际上的应用已有近30年的历史。近10年来,塑性变形理论在板料成形技术中的应用取得了很大的进步，使CAE技术在汽车模具制造中的应用变得非常成熟，将CAE应用于冲压工艺设计，可使试模时间减少50%以上。目前，CAE技术已成为国外大型汽车和模具企业必不可少的工具。CAE的广泛应用，应归功于 CAE商业软件的大力发展,其中代表性的软件有：  ● 法国ESI公司的PAM-STAMP软件；  ● 美国Lawrence Livemor

29、e国家材料实验室的LS-DYNA3D软件；  ● 美国ETA公司的Dynaform软件；  ● 瑞士Autoform公司的Autoform软件。  这些软件都有各自的长处，针对板料成形分析都已达到实用和专业的要求。目前，国内所有一流的汽车模具厂商都采用了CAE软件，并以 Autoform的应用最多。天津汽车模具有限公司通过长时间的的努力，CAE应用比例已经达到了100%，显著地缩短了制模周期。  在分析方面，针对冲压成形，使得确定棱线偏移、冲裁角度、拉延冲击滑痕、面成形品质、成形力、压边力等各种分析得到完善，

30、分析内容的广泛性和作用性都已超出了原来的CAE范筹。  现在，CAE技术发展的重心是工艺参数的自动优化和后置分析，如果解决了这两个问题，将又一次带来革命性的发展。因为汽车覆盖件具有形状复杂、材料薄、结构尺寸大、表面质量高和多为复杂的空间曲面等特点。在冲压时毛坯的变形情况复杂，故不能按一般拉深件那样用拉深系数来判断和计算它的拉深次数和拉深可能性，且需要的压料力和拉延力都较大，各工序的模具依赖性强，模具的调整工作量也大。所以汽车覆盖件模具设计的主要任务就是要解决好冲压过程中板料不同部位之间材料的协调变形问题，既要避免局部区域因变形引起的过薄甚至拉裂，又要避免起皱或在零件表面上留下滑移

31、线，还要将零件的回弹控制在规定允许的范围内。 这时，板料冲压过程的CAE分析与仿真就能在实际工程中解决冲压工艺难题，如计算应力应变、金属的流动、板厚、残余应力、模具受力等，预测可能的缺陷及失效形式，如比较普遍的破裂、起皱、回弹等。 这样在汽车覆盖件的设计中采用数值模拟技术能从设计阶段准确预测各种工艺参数对成形过程的影响，进而优化工艺参数，缩短模具的设计和制造周期，降低产品制造成本，提高冲压件和模具产品质量。 1.3课题的研究内容与技术路线 本课题以某车型汽车防撞梁制件为研究对象，利用数值模拟和理论分析相结合的方法，对制件的冲压过程以及回弹过程进行数值模拟，对拉延中影响制件最

32、终效果的多种因素进行分析，并总结规律。具体研究步骤如下： 1.用UG8.0对制件进行修改将多面删除，并以.iges格式导出。 2.用Dynaform软件进行制件的拉延有限元分析,对制件进行前处理设置，参数改变，如板料位置，压边力，冲裁速度改变等。生成.dynain文件为后置处理作铺垫。 3.用Dynaform软件进行制件的减薄率和成形极限图进行分析，对制件进行简单的设置后，进行提交计算结果，最后根据后处理来分析关于各参数影响规律。 4.分别改变压边力，板料位置与冲裁速度等参数依次按照第二步与第三步进行分析，从而总结出关于回弹影响因素的规律，得出结论。 课题的研究技术路

33、线如图1所示： 导入CAD模型 导入Dynain文件 有限元网格化分 导入切边线 定义毛坯材料属性 冲压类型定义成形工具 提交求解器计算 定义毛坯及材料属性 后置处理 分析结果 设置控制参数 提交求解器计算 后置处理 分析结果 结果评估 图1拉延仿真模拟过程 输出计算结果 2有限元计算相关理论 2.1引言 本章主要叙述的是关于回弹产生的原因，有

34、限元计算所涉及的理论以及减少回弹的策略分析。 2.2计算的相关理论 板料的回弹是板料冲压成形的过程中产生的一种最常见的缺陷形式，其主要的原因是由于板料在冲压成形的结束阶段，当冲压载荷被逐步释放或卸载时，在成形过程中所存储的弹性变形能要释放出来，引起内应力的重组，进而导致零件外形尺寸的改变。产生回弹主要是由于：（1） 因为当板料内外边缘表面纤维进入塑性状态，而板料中心仍旧处于弹性状态，这时当凸模上升去除外载荷后，板料产生回弹现象。（2） 因为板料在发生塑性变形时总是伴随着弹性变形的消失，所以板料在冲压成形过程中，特别是在进行弯曲成形时，即使内外层纤维完全进入了塑性变形状态，当凸模上

35、升去除载荷后，弹性变形消失了，也会出现回弹现象，因此回弹是板料冲压成形过程中不可避免的一类缺陷，产生回弹将直接影响冲压零件的成形精度，从而增加了调试模具的成本以及成形后进行整形的工作量。 2.2.1 冲压回弹模拟的有限元理论基础 板料冲压回弹的模拟从数值计算上分析是一个高度非线性的问题，涉及到材料、几何和接触非线性。在本文的模拟数值计算中将选用更新Lagrange 法和速率型的本构关系去处理冲压回弹过程中的大应变、大变形问题[5]。采用逐级更新Lagrange 法是弹塑性有限元基础，在 坐标下以t时刻构形为参考构形的虚功率原理为 （2-1） 式中V，A 分

36、别为参考构形的体积和表面积；，分别为参考构形的体积力率和面积力率；为第一类Kirchhoff 应力率。 假设塑性变形体积不可压缩，可得 与Cauchy 应力的关系为 （2-2） 将式（2-2）和本构关系方程式代入式（2-1)，得到单元平衡方程并按常规方法组装成总体刚度方程 （2-3） 板料冲压回弹过程是大位移大变形过程，一般采用速率型的本构方程。经典的基于流动理论正交各项异性希尔二次屈服函数的速率本构方程可表示为

37、 （2-4） （2-5） 式中 为Kirchhoff 应力的Jaumann导数；为应变率；为弹性本构矩阵；H 为硬化参数；为屈服函数确定的等效应力。屈服函数为 （2-6） 其中，P、Q、R 分别代表材料在90°、45°、0°方向上的各向异性指数。 2.2.2 板料冲压仿真的流程 严格地讲，板料的成形和回弹是两个既相互关联又相互独立的过程。通常所说的成形过程一般不包括回弹在内，而完整的汽车覆盖件冲压成形的回弹仿真过程应包含两个过程：冲压成形（加载）过程仿真和回弹

38、（卸载）过程仿真。前一步计算是回弹过程模拟的基础，为其提供应力、应变等数据[9]。本文所研究的板料成形回弹仿真的主要过程如下： （1） 导入成形仿真的结果文件 在Dynaform的前处理器中，导入成形仿真过程中计算生成的结果文件Dyanin 文件。该文件包含成形过程中板料所有的应力、应变等情况； （2） 定义毛坯选择回弹仿真计算用的壳单元公式，积分点个数，定义毛坯的材料属性； （3） 导入切边线对零件进行切边过程的仿真； （4） 设置回弹约束回弹分析时，必须施加适当的位移约束排除刚性运动。按照零件的变形情况添加边界条件，限制板料刚性位移； （5） 根据计算情况选择单步或多步隐式算法

39、； （6） 后置处理打开回弹仿真的结果文件，查看零件的回弹前情况和回弹后的应变情况。 2.2.3 单元类型的选择 在进行板料冲压成形CAE分析中，一般采取在一定的假设下建立起来的板壳单元进行分析，可使问题的规模减小。由于壳体理论本身近似简化的产物，必然会有不少的研究者对板壳理论的几何关系，物理关及平衡条件等提出各种简化，导致在板料成形有限元分析中，单元的选择非常多。多道次冲压成形过程的数值模拟工作由于拉延行程长，不同道次之间还需要进行网格的再划分，因此计算时间对使用者来说就显得非常重要。 在众多的单元中，Hughes-Liu（HL）单元和Belytschko-Tsay（BT）单

40、元是板料冲压成形CAE分析过程中应用的非常广泛的两种壳体单元。HL单元是从三维实体单元退化而来的，有很高的计算精度，其缺点就是计算量太大。BT单元采用了基于随体坐标系的应力计算方法，而不必计算费时的Jaumann应力，有很高的计算效率。 （1） Hughes-Liu壳单元 Hughes-Liu壳单元（简称HL单元）是基于Ahmad等于1970年提出的8节点实体单元发展起来的。Hughes-Liu壳单元具有以下的特点：①它是增量目标单元，刚体转动不产生应变，能够处理常见的有限应变。②它比较简单，计算的效率和稳定性比较高③它从实体单元退化而来，和实体单元兼容，从而可以应用许多为实体单元

41、开发的新技术④它包含横断面的有限剪应变⑤必要时，它还可以考虑厚向的减薄应变。正因为如此，Hughes-Liu壳单元是最早被LS-DYNA有限元求解器采用的壳单元，而且到目前为止仍然是LS-DYNA采用的主要壳单元之一。 （2）BT单元 Hughes-Liu壳单元由于单元公式比较复杂，计算量较大，在求解大型复杂的板料成形问题是需要较长的计算时间。为了提高计算效率，引进了Belytschko-Lin-Tsay壳单元（简称BT单元），它采用了基于随体坐标系的应力计算方法，随着壳体单元一起运动，降低计算非线性运动的复杂精度，不必计算费时的Jaumann应力，而具有很高的计算效率。在一般情况下，BT

42、单元能得到与HL单元较为一致的计算结果。在显式有限元分析中，BT单元成为较为常用的一种单元。 2.2.4 边界条件的处理 板料冲压成形过程中，随着冲头的运动，冲头和模具表面因和板料接触面而对板料施加的作用力是板料得以成形的动力。在接触过程中，在板料的变形和接触边界的摩擦作用使得部分边界条件随加载过程而变化，从而导致了边界条件的非线性。正确处理边界接触和摩擦是得到可信分析结果的一个关键因素[12]。 （1） 接触力的计算 板料冲压成形完全靠作用于板料上的接触力和摩擦力来完成，因此接触力和摩擦力的计算精度，直接影响板料变形的计算精度。接触力和摩擦力的计算首先要求计算出给定时刻的实际接触面，

43、这就是所谓的接触搜寻问题。接触力计算的基本算法有两种，一种是罚函数法，另一种是拉格朗日乘子法。在罚函数法中位于 一个接触面上的接触点允许穿透与之相接触的另一个接触面，接触力大小与穿透量成正比，即 （2-7） 式中，α是罚因子；S是接触点的法向穿透量；负号表示接触力与穿透方向相反。罚因子的取值大小会影响精度，过大会降低计算的稳定性，在实际计算时要认真选取。在拉格朗日乘子法中，接触力是作为附加自由度来考虑的，其泛函形式除了包含有通常的能量部分外，还附加了拉格朗日乘子项：

44、（2-8） 式中，μ是节点的位移向量，K是刚度矩阵，F为节点力向量，λ是拉格朗日乘子向量，为接触点的穿透量向量。对能量泛函式（2-8）变分，建立有限元方程 （2-9） 求解方程即可得到节点位移和拉格朗日乘子，拉格朗日乘子的分量即为接触点出的法向接触力。拉格朗日乘子法是在能量泛函极小的意义上满足接触点互不穿透的边界条件，它增加了系统的自由度，需要采用迭代算法来求解方程，一般适用于静态隐式算法。在显式算法中，一般采用罚函数法。这种方法既考虑了接触力，又不增加系统的自由度，计算效率较高。 （2）摩擦处理 板料成

45、形中的摩擦与一般的机械运动的摩擦相比，接触面上的压力较大，摩擦过程中的板料成表面不断有新表面产生，界面的温度条件更加恶劣。因此，摩擦力的准确计算对板料成形分析十分重要。目前在进行板料拉延成形数值模拟研究中，常用的摩擦定律仍为库伦定律，只是为了数值计算的稳定性做了一些修改。 由库仑定律知，当接触物体间的切向摩擦力小于临界值时，两接触面间的相对滑移=0，而当=时，相对滑移是不定的，需有外界载荷和约束条件确定。按照经典摩擦定律计算的摩擦力为： （2-10） 式中，是摩擦系数，是接触点的法向接触力，是

46、相对滑动方向上的切向单位向量： （2-11） 是相对滑动速度向量。 由于在板料成形分析中，某些局部的相对速度很小或相对速度方向突然发生改变，接触状态有粘连到滑动或相反的变化将导致按公式（10）计算的摩擦力方向和大小突然变化，而引起的计算不稳定。目前人们通常通过引入的广光顺函数来修正库伦摩擦定律，可用的光顺函数有双曲正切和反正切函数，可以得到以下修改的库仑摩擦定律： （2-12） 式中，是一个给定的相对滑动速度，它的大小决定了修订的摩擦模型

47、和原模型的相近程度。过大的导致有效的摩擦系数值的降低，但使迭代相对容易收敛，而太小的虽然能够较好模拟摩擦力的突变，但使求解的稳定性下降。修正的摩擦模型式（11）和（12）近似。经典库伦摩擦定律是从最初适用的刚体一般化到变形体，是在遵循“切向力到达某一临界值时，接触表面才会在局部产生位移”这一假设的前提下应用的。尽管这一假设在一定的情况下有效，但严格的说，它是不成立的。实验发现，只要有切向力存在，两接触面就会产生滑移，据此又提出了一些非线性的摩擦定律。但是这些摩擦模型有的过于复杂，有的一些系数很难通过试验获得，使用的较少，由以上的分析可知，板料拉深过程的润滑与流体润滑，流体静压润滑和弹性流体动力

48、润滑存在很大的区别，不能用单一的理论来解释，这也是迄今为止还没有一种能圆满解释板料拉深成形过程中润滑现象的理论原因之一。目前，在板料冲压成形CAE分析时，为了降低问题的复杂程度，常用的摩擦定律仍是经典库伦摩擦定律，但为了提高成形分析的精度，进行实际的工艺分析，可采用通过具体摩擦试验获得的实际摩擦系数进行相关的CAE分析。 2.3小结 本章主要的讲述了关于有限元涉及的一些基本理论，其中回弹是由于载荷在释放时，制件各个部分由于受到的力不均匀性和流动不均匀性而导致其产生回弹，为ＣＡＥ分析提供了理论支持。 3 板料拉延过程的有限元分析 3.1引言 本章主要是针对在制件的拉延过程基于Dyn

49、aform软件中的前处理进行描述和概括，包括前置处理的主要网格划分，参数设定，设置完成后提交求解器计算，进入后置处理中进行制件的拉延结果分析。 其步骤如图3-1所示： 导入零件CAD模型（IGES，VAD，CATIA文件） 零件网格划分 定义工模具零件 前置处理 定义板料 求解器计算 定义拉延筋/压边圈 后置处理，分析计算结果 设置成形参数 图 3-1拉延分析步骤 3.2前处理 3.2.1数据导入与网格化分 启动Dynaform后，选择菜单栏中“File/Impo

50、rt”命令，直接导入.iges文件，如图3-2： 并编辑零件层的名称（如下图3-3） 图 3-2 导入.iges文件 图 3-3 编辑零件层对话框 具体是：选择菜单栏中Parts/Edit，可以出现Edit Part对话框，选择“Name ID” 后修改图层名称，接受编辑设定，点击退出。 板料网格化分（如下图3-4—图3-6） 图3-4 划分板料网格单

51、元 图3-5 板料大小网格选择 图 3-6 板料网格化分完毕如图 具体如下：选择菜单栏中Tools/blank Generator，后选择第一项(BOUNDARY LINE)，并在选择线的方式对话框中选择第四小项，并确认所选的线。 注意：在划分单元网格之前要确保当前正在工作的零件层是正确的blank（如下图）。如果不是,可在随后的列表中选择blank. 图 3-6 关闭零件“DIE” 工具

52、网格化分 首先将右下角的Current Part中把DIE设为当前工作层（具体见图3-6），同板料设置，并同时将板料层关闭。（方法如） 图3-7 关闭“blank”层 划分网格步骤： 选择菜单栏中“Preprocess/Element”，然后选择“Surface Mesh”，设置成系统缺省值，选择其中 “Select Surfaces”按钮，在弹出的对话框中点击“Display Surf”按钮，在此时DIE将会出现高亮显示。 确认后退回到“Element”。 图 3-8 “ELement”对话框 图 3-9 “Surface Mesh”

53、对话框 最终结果如下： 图 3-10 完成网格化分的模型示意图 将网格划分完毕后，要进行零件的单元网格模型的检查，主要进行单元的边界显示与法向一致性。在工具栏中选择“Part Turn On/Off”，并关闭“Blank”，然后打开“DIE”，同时将零件“DIE”作为当前零件层，然后再选择菜单栏“Preprocess/Model Check /Repair”命令，弹出如下图所示的“Model check/Repair”对话框。 图3-11 正在进行网格模型检查 选择 “Auto Plate normal”，会弹出“CO

54、NTROL KEYS”对话框，然后选择“CURSOR PICK PART”选项，点击零件DIE凸缘面，会弹出“Dynaform Question”的对话框，观察网格的法线方向，然后确定网格法线方向，确保使法线方向始终指向坯料与工具的接触面方向，这样就完成网格法线方向检查。然后退出“CONTROL KEYS”的对话框，返回“Model check/Repair”界面。 图3-12 对零件“DIE”进行网格法线法向检查 在“Model check/Repair”的对话框中点击“Boundary Display ”的按钮，对零件进行边界的检查，通常只允许除边缘轮廓

55、边界成白亮色外，其余部位均保持不变。如果其他部位有白色亮显示则说明此处有缺陷，必须对其进行修补或者重新进行网格化分。边界检查完毕后点击“Clear Highlight”，按钮，将白亮色消除。（由于背景已经设置成了白色，所以轮廓线采用为黑色。） 图3-13 对零件“DIE”进行轮廓边界的检查 等距创建压边圈与凸模。 首先创建存放binder和punch的零件层，选择菜单栏中“Parts/Create”，在NAME栏中输入“binder”和“punch”确认。 具体方法如下： 图3-14 创建PUNCH的零件层 然后将Current Part选

56、择PUNCH做为当前的零件层。 选择等距生成PUNCH 在菜单栏中选择“Preprocess/Element”按钮，接着 选择“offset”按钮，关闭“In Original Element”的复选框，使得新生成的单元放置在当前零件层中，并确保“PUNCH”零件层是当前零件层，并保留原始的DIE零件层，然后设置“COPY NUMBER”数目为1，并且设置“Thickness”数值为1.1（即为板料厚度1.1倍），点击“Select ELements”对话框，并选择“Displayed”，然后使零件高亮显示，选中“Spread”，按钮并调整滑块“Angel”的数值为1，随后勾选复选框“Ex

57、clude”，点中DIE凸缘面，此时除了凸缘面外其余部分成白色高亮显示，确认后返回“Offset Elements”的对话框，选择应用退出。就完成了新零件“PUNCH”的创建。 图3-15 选择单元对话框 图3-16 单元复制及其参数设置 图3-17 创建零件“PUNCH”网格模型设置 图3-18 创建的零件“PUNCH” 分离出binder： 首先打开前面已经创建好的零件层binder，点击工具栏“Parts Turn on/off”的按钮，并确保关闭“Blank”和“Punch”，两个

58、层，仅仅打开DIE层。然后将新创建的BINDER层打开，在菜单栏中选中“Preprocess/Element”的菜单项，点击“offset”按钮，点击“Select ELements”的对话框，并点击“Spread”按钮，然后调整滑块“Angel”的数值为1，勾选复选框中“Exclude”，同时点击DIE凸缘面，此时出凸缘面外其余部分成白色的高亮显示，然后应用并返回“Offset Elements”对话框，选择退出对话框，这样就完成了新的零件“BINDER”创建。 图3-19 添加零件对话框 选择Unspecified按钮，并选择零件层中binder，然后确

59、认所选中的单元移到binder中，关闭后退出转移功能。 选择Parts/Separate按钮，分别选择PUNCH和BINDER，然后确认,两零件层自动分离。 图3-20 分离BINDER对话框 图 3-20分离出的BINDER 然后导出相应网格模型。如下图： 图 3-21生成的工模具模型 3.2.2工具与工序定义 添加工序：首先选择菜单中“Setup/AutoSetup”，会弹出“New simulation”选择如下: 0.7

60、 图3-22 “New simulstion”对话框 定义板料：可在sheet forming的设置页面中，单击forming Stage，然后对forming工序进行定义。可点击红色Blank选项，随后进入Blank定义页面如图3-23所示。点击红色的Define geometry选项后进入Define Geometry的对话框。 在Define Geometry对话框中单击Add Part选项…如图3-24所示 选择BLANK Part为板料，最后退出后完成定义。 图3-23 “sheet forming”对话框 图3-24 定义板料部件过程

61、 定义材料：选择BLANKMAT按钮，如图3-46所示， 会弹出Material 的对话框选择Material Library…按钮，能弹出Material Library对话框 图 3-25 板料材料定义 图 3-26 板料材料定义页面 图3-27材料库定义页面 图3-28 材料DP600应力应变曲线 定义工具：可在sheet forming的对话框中单击选择红色的Tools按钮，然后进入工具的定义页面。可选中die工具中相对应的Define Part…按钮，随后进入Define Geo

62、metry对话框。然后在Define Geometry的对话框中单击选择Add Part…按钮，选择DIE Part做为其中凹模，如图3-50所示，然后可退出完成定义。 图 3-29定义DIE的零件 重复前述操作，分别定义Punch和Binder工具。 图 3-30 定义完成部件 定位工具位置：可单击Positioning… 。 先将Blank定位到Punch上，然后定位die和binder分别与Blank接触。 图3-31 定位对话框 3.2.3控制成形参数设置 图 3-32 设置“closing”对话框 图 3-33 设置“dra

63、wing”对话框 在sheet forming的对话框中单击Process选项并进入工步设置界面。然后将closing采用为默认设置。选中drawing把binder改为力控制，过程如图3-55。默认Control页面的参数设置过程。 3.2.4工模具运动的动画模拟演示 在“Sheet Forming”的对话框中选择菜单栏中“Preview /Animation”的对话框，然后调整滑块“Frames/Second”的数值为10， 单击选择“Play”按钮进行动画的模拟演示。通过对动画的观察，可以方便的判断出工、模具运动的设置是否正确和合理。 按“Stop”结束动画，然后返回“Sheet

64、Forming”的对话框。 图3-34 动画显示控制对话框 3.3提交计算 1. 在全部都设置完成后，单机选择菜单栏中的Job->Job Submitter…选项 。如图3-56--图3-57所示 2. 系统会弹出另存为对话框，输入文件名并保存，随后就可以提交计算。 图 3-35 提交任务对话框 图 3-36 任务提交管理器界面 图 3-37提交任务后的计算显示 3.4结果后处理及分析 应用eta/POST来进行后置处理 eta/POST能够读取并处理d3plot的文件中所有的可用数据。除了包括没有变形过的模型数据，d3plot文件还包括有所有的

65、由LS-DYNA所生成的结论文件（应变，应力，时间的历史曲线和变形过程等）。 读入结论文件d3plot到eta/Post 并启动后处理 图 3-38后处理菜单 图 3-39板料拉延结果 变形过程 缺省的绘制状态能绘制变形过程（Deformation）。在帧（Frames）的下拉菜单中，单击选择Select Cases的选项，就可以观察其全部变形过程。 图 3-40 选择观察类型对话框 选择，就可以观察成形的过程中其毛坯厚度的变化过程。 选择，就可以观察其零件的成形极限图。 选择，就可以观察其零件中性层中的主应变。 以

66、下各图依次为几次主要的拉延模拟结果的成型极限图、壁厚分布图和主应变图。 60吨压边力不加拉延筋成型极限图 60吨压边力不加拉延筋壁厚分布 60吨压边力不加拉延筋主应变图 80吨压边力加50%拉延筋成型极限图 80吨压边力加50%拉延筋厚度图 80吨压边力50%拉延筋主应变图 80吨压边力25%拉延筋壁厚分布云图 80吨压边力25%拉延筋成形极限图 80吨压边力25%拉延筋中性层主应变图 拉延仿真的结果表明：通过 dynaform软件可以很好的对制件拉延过程进行模拟，并且可以得到满足实际生产要求的仿真模拟结果，也就是说制件要有有一定的减薄率从而来减少制件回弹，同时整个制件的成形性也可满足要求，其中没有明显的起皱与破裂的区域，可以在这个基础之上进行关于弹性变形的有限元模拟分析。该汽车防撞梁拉延结果显示，当压边力为80吨，并在压边圈上加25%的拉延筋得出上述图示效果，在两端和板料边缘处有少量回弹和起皱，但制件整体呈现大面积safe的状态。拉延结果比较满意。 3.5小结 本章是主要介绍了有关于板料拉延的有限元