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,因為回彈的存在會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,當回彈量超過允許容差后,就會成為成形缺陷,進而影響整車裝配。因此,回彈的控制及預測是一個重要的話題。

回彈不僅是工業(yè)生產(chǎn)中的一個實際問題,也是困擾學術(shù)界長期以來的問題之一。有限元數(shù)值模擬技術(shù)的引入,為推動回彈問題的解決提供了有利的工具。本文利用有限元技術(shù)對江淮汽車公司某車發(fā)動機罩外板(見圖1)成形后的回彈變形進行準確預測,研究控制回彈方法以及提高成形精度,對于降低發(fā)動機罩外板沖壓制造成本、保證整車裝配質(zhì)量和縮短新產(chǎn)品開發(fā)具有重要的意義。

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有限元法計算回彈的關(guān)鍵技術(shù)

回彈是板料成形過程中普遍存在的一種現(xiàn)象,對于諸如覆蓋件這類大型高強度薄板零件的沖壓成形而言,回彈問題的研究尤為重要?；貜梿栴}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.回彈機理

拉深過程中,板料外表面最先進入塑性,外表面和貼模的內(nèi)表面之間依次由塑性區(qū)域過渡到彈性區(qū)域(見圖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。由于被拉深零件是一個整體,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),因而各處的膜力合彎矩并不相同。卸載的彈性恢復是一個尋求內(nèi)部應(yīng)力自相平衡的過程,產(chǎn)生的彈性恢復應(yīng)變引起零件幾何形狀發(fā)生改變(見圖3,ΔH為回彈量),當零件達到內(nèi)部應(yīng)力自相平衡時,彈性恢復過程結(jié)束,這時的剩余內(nèi)應(yīng)力即為殘余應(yīng)力。從變形能角度來講,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程實際是彈性應(yīng)變能的釋放過程,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,剩余彈性應(yīng)變能達到最小。

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2.模型的建立

模型的建立包括沖壓成形的力學模型及有限元模型的建立,由于實際的沖壓過程非常復雜,因此在仿真時必須予以適當?shù)囊?guī)范和簡化。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)點或四節(jié)點的雙線性單元。

4.計算回彈的數(shù)學方法

利用隱式算法分析回彈的模型有兩種:無模法和有模法。采用有模法時,因為仍有接觸計算,計算時間比無模法長,而且許多計算結(jié)果表明,無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)在分析制件回彈時采用的是無模法。無模法的計算思路為:在制件沖壓成形結(jié)束時去除模具,使所有和模具接觸的節(jié)點均轉(zhuǎn)變成為自由節(jié)點;然后,根據(jù)彈塑性有限元法計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)化為卸載過程節(jié)點力的初始值。由于板料零件此時處于無邊界約束狀態(tài)下,為防止出現(xiàn)剛體位移,需要施加位移以及轉(zhuǎn)動約束邊界條件。這樣,回彈模擬結(jié)束后,各節(jié)點的位移量即為回彈量。

實驗過程及分析

1.切邊前的回彈結(jié)果分析

圖1所示發(fā)動機罩的開口四周是全封閉結(jié)構(gòu),加之制件拉深深度較大(356mm),塑性變形充分,因此可以預見,機罩拉深件切邊前的回彈量不會太大。下面通過回彈數(shù)值模擬實驗加以檢驗。

(1)回彈實驗過程

在Dynaform中進行機罩回彈分析時通常采用dynain方法。dynain方法一般分為兩步,首先利用有限元動力顯式算法求解制件的成形過程,并將最終計算結(jié)果中的制件厚度、應(yīng)力應(yīng)變分布等信息寫入dynain文件;然后把該文件導入回dynaform,設(shè)置好回彈計算條件,再提交給dynaform的動力隱式求解器進行回彈計算。具體做法如下:打開Dynaform前處理,導入成形計算得到的dynain模型(見圖4)。因為制件成形過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。

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回彈計算時要求排除被分析對象的所有剛性運動,若不加以約束,則任何一個很小的載荷都將導致分析對象無限制地作剛性運動而不產(chǎn)生回彈應(yīng)力。無約束剛體運動包括3個平動和3個轉(zhuǎn)動,當采用轉(zhuǎn)動自由度來約束時,在計算中會帶來截斷誤差問題。所以用約束3個節(jié)點的平動自由度來約束整個制件的剛性運動,同時也間接地約束了制件的轉(zhuǎn)動。這3個約束節(jié)點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;相互之間要隔開一定的距離。在拉深件上選擇3個約束節(jié)點的位置(見圖5),其中節(jié)點1、節(jié)點2和節(jié)點3分別座落在機罩頂部座椅凹槽平面和兩側(cè)平面的中心處。

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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,同時沖制矩形口(見圖6);第二次是切除制件的工藝補充部分(見圖7)。切邊后制件可能會由于輪廓約束改變而導致回彈,特別是第二次切除工藝補充部分后,整個制件輪廓變成準U型,這樣容易給結(jié)構(gòu)約束和內(nèi)應(yīng)力分布帶來極大變化,導致回彈趨勢增加。下面分別對機罩兩次切邊回彈前后情況進行分析。

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表1所示為第一次切邊(切除凸緣邊并開矩形口)后,拉深制件上四個截面的測量尺寸與設(shè)計尺寸的對比;表2所示為第二次切邊(切除制件主體上的工藝補充部分)后,拉深制件上四個截面的測量尺寸與設(shè)計尺寸的對比。

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將表1和表2的數(shù)據(jù)進行對比發(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。這是因為B-B截面無局部內(nèi)凹變形,D-D截面的內(nèi)凹深度較C-C截面小,整個塑性變形不如A-A或C-C截面充分所致。

對機罩零件切邊前、后的回彈研究表明:由于機罩零件既不屬于類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)的彈復變形存在相互制約現(xiàn)象,所以機罩切邊前后的回彈變形很小,其回彈量沒有超出技術(shù)要求范圍。

圖8所示為機罩拉深件切除所有工藝補充部分和開口后(即沖壓生產(chǎn)結(jié)束)的實物照片。

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結(jié)語

對機罩外板零件的回彈研究表明:盡管機罩外板零件屬于空間形狀較復雜、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,所以機罩零件拉深切邊后的回彈變形很小,其回彈量沒有超出技術(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)準確地預測了發(fā)動機罩外板沖壓成形過程中回彈現(xiàn)象,這為研究沖壓成形工藝及優(yōu)化設(shè)計提供了有力的手段。

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