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基于有限元分析的板料形状对Ｓ梁拉深的影响 余年生 （广东机电职业技术学院，广东省广州５１０５１５） 摘要：基于ＤＹＮＡＦＯＲＭ动力显式有限元分析软件，将数值模拟技术应用于ｓ梁的坯料优化过程，研究了不同的毛 坯形状、尺寸对Ｓ梁拉深的成形极限图、厚度分布、减薄率的影响。通过对比分析不同的坯料成形模拟结果，确定较 为合理的毛坯形状尺寸。研究结果表明：方式１是不可取的，而方式２能很好地成形出合格零件，最大减薄率为 １６．６％，最大增厚率为１．８４％。在法兰处可以适当添加拉延筋以缓解起皱趋势。 关键词：数值模拟；毛坯形状；拉深；拉裂 中图分类号：ＴＧ３８．１；文献表示码：Ａ Ｎｕｍｅｕ＇ｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆＢｌａｎｋ Ｓｈａｐｅ ｏｎ Ｓ－Ｂｅａｍ Ｄｅｅｐ Ｄｒａｗｉｎｇ Ｙｕ ＮｉａｎＳｈｅｎｇ （Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０５１５） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉＳ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｈ—ｂｅｎｄ ｗａｖｅ—ｇｕｉｄｅ ｂｌａｎｋ， ｕｓｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｘｐｌｉｃｉｔ ＦＥＡ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＤＹＮＡＦＯＲＭ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ＦＬＤ，ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ｔｈｅ ｔｈｉｎｎｉｎｇ ｒａｔｅ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｗｈｉｃｈ ｉＳ ｗｏｒｋｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｄｒａｗｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｂｌａｎｋｓ ｉＳ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｄｒａｗｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｌａｎｋｓ ａｒｅ ｃｏｎｔｒａｓｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｂｌａｎｋ ｉｓ ｇｏｔｔｅｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔＳ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｂｌａｎｋ ｉＳ ｂａｄ，ｗｈｉ１ｅ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｂｌａｎｋ ｃａｎ ｗｏｋ ｗｅｌ １．ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘ ｔｈｉｎｎｉｎｇ ｒａｔｅ ｉ Ｓ １６．６％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ｂｌａｎｋ ｓｈａｐｅ：ｄｅｅｐ ｄｒａｗｉｎｇ：ｃｒａｃｋｉｎｇ 毛坯形状和尺寸的确定是板料深拉深成形的 ＤＹＮＡＦＯＲＭ软件研究了冲压成形工艺过程数值模拟 一个重要前提。合理的毛坯外形可以提高拉深工 的实现。采用不同的板料形状拉深，对比分析其成 件的最小厚度，改善成形性能，随着拉深高度的增 形模拟结果，确定较为合理的毛坯形状尺寸，并对 加，这种改善效果更加明显ｎ］。此外，采用合理的毛 模具及工艺设计提供参考意见，对成形工艺合理 坯形状，往往能够使某些需要二次拉深才能成形 设计有着十分重要的指导意义。 的制件，用一次拉深便可达到制件要求的高度乜］。 由于板料冲压成形技术的复杂性，单纯采用试验 １零件毛坯形状、尺寸的初步确定 或理论解析方法难以准确、高效地解决生产实际 Ｓ梁所用的材料是热轧钢ＤＱＳＫ，型号为３６ 问题，而随着计算机和有限元技术的发展，成形过 号，料厚是ｉｍｍ，在ｕＧ中对零件的最终形状进行建 程数值模拟精度有了很大提高，已成为研究板料 模，零件的形状如图ｉ所示。再输出＊ｉｇｓ格式文 冲压成形工艺的强有力的工具。 件，然后在板料成形分析软件中输入几何模型 。 本文以ｓ梁的冲压成形工艺过程为例，基于 为了能够对比分析不同的坯料形状、尺寸对 Ｉ■ 三堡 塑 舢５ｌ ｍ 维普资讯 http://www.cqvip.com
ｉ 曩 ：： ： 图１零件形状 图２毛坯形状１和２ 成形结果的影响，从而通过对不同坯料形状的Ｓ 梁拉深过程分析，寻求一种可行的坯料形状，并对 拉深缺陷产生的位置及程度预测 提出模具、工艺 的设计意见。本文初步确定两种毛坯，毛坯ｌ的长 度为毛坯２的两倍，两者宽度一样，如图２所示。 曩 ０９ｔ６０２９ ２计算模型 板材为ＤＱＳＫ钢，３６号类型，呈各向异性，平面 一 － 应力状态，密度Ｐ＝７．８５Ｔ／ｍ。，弹性模量Ｅ＝ ２．０７００００Ｅ＋ｌ１Ｎ／ｍ＇，泊松比ｕ＝０．２８；单元类型为 Ｂｅｌｙｔｓｃｈｋｏ—Ｔｓａｙ壳单元。模拟中模具划分为刚性 单元，材料模型符合Ｂａｒｌａｔ屈服准则，摩擦系数 设为０．１，符合库仑摩擦定律。 几何模型如图３所示：均由凸模、凹模、压边 曩 圈、板料组成。 簟 图３坯料１和２的几何模型 ３计算结果 裹 ３。１板料形状１的计算结果 图４是拉深过程中的板料厚度变化图。可以 看出：成形开始时，在ｓ梁两端部直壁处材料开始 变薄，而在内角处及其周围法兰处材料增厚，如图 ； 囊 ４ａ所示。随着凸模的下行，变薄及增厚的程度及 区域增加，拉深结束时，最厚处为１．１４ｍｍ，最薄处 为０．５５７ｍｍ。 图５ａ为板料减薄率图，可以看出：最大减薄 率为４４．３％，最大增厚率为ｌ３．９％。 图４板料１拉深过程中的板料厚度变化 ⑧ ｔｔ金ｐ．＇ｗｗ属ｗｊ．ｓ世ｓｊｚｚ。 呈 ｚ堡 塑＿ 维普资讯 http://www.cqvip.com
幕 ㈣怒：警 ∞７● 一 ＿ 誊 ＳＴＥＥＴＣ｝Ｉ 旗 篇 露 －、ｖ 图５板料１的减薄率及成形极限图 图５ｂ是成形极限图：可以看出：这种情况下， 在Ｓ梁两端直壁处会出现拉裂，这是由于传力区 材料受力过大，超出其抗拉强度，应将坯料长度再 适当减小；法兰处及凸模底部出现起皱趋势，这是 由法兰区的变形状况所致，而外法兰区的金属流 入凹模相对较缓，凸缘的切向压应力超过了板材 的临界压应力，产生塑性失稳而起皱［ｅ－。 ●■曩爨 ｝ 露 拳． Ｕ ＵＵ Ｕ Ｕ１ Ｕ Ｕｚ Ｕ Ｕ Ｕ Ｕ４ Ｕ Ｕ５ Ｕ Ｕ６ Ｕ Ｕ， Ｔｉｍｅ／ｓ 图６板料１凸模、压边圈所受的力 图６中ｌ、２分别是凸模、压边圈所受的力：可 以看出：凸模在拉深时受力最大为４００ＫＮ，压边圈 最大约为８５ＫＮ。这对模具、工艺设计有指导意义。 Ｉ■ 三堡箜兰塑 孱 ｍ 攀—一． 图７板料２拉深过程中的板料厚度变化 １ ●１ Ｊ，维普资讯 http://www.cqvip.com
３．２板料形状２的计算结果 几何模型同板料形状１的相同，只是坯料形 状、尺寸有所改变。 图７是拉深过程中的板料厚度图。可以看出： 成形开始时，在Ｓ梁外角处材料变薄，而在内角处 及其周围法兰处材料增厚，如图７ａ所示。随着凸 模的下行，变薄及增厚的程度及区域增加，拉深结 束时，最厚处为１．Ｏ１８ｍｍ，最薄处为０．８３４ｍｍ。 Ｌ 图８板料２的减薄率及成形极限图 图８ａ为减薄率图，可以看出：最大减薄率为 ｌ６．６％，最大增厚率为１．８４％。 图８ｂ是成形极限图：可以看出：这种情况下， 大部分区域都安全，不会出现拉裂，法兰处出现起 皱趋势。 图９中ｌ、２分别是凸模、压边圈所受的力。可 以看出：凸模在拉深时受力最大为１１０ＫＮ，压边圈 最大约为２５０ＫＮ，随后一直平衡于２００ＫＮ。这对模 具、工艺设计有指导意义。 ４结论 由上述计算可以看出：方式１采用的板料形 Ｚ ｄ） ２ ｏ ｋ１． ０ ０００ ０ ００ ２ ０ ００４ ０ ００６ ０ ００８ ０ ０１ ０ Ｔｉｍ ｅ１１ Ｏ。。Ｓ 图９板料２凸模、压边圈所受的力 状为依据一料两件的形状下料的，方式２为矩形 料。方式１是不可取的，因为出现拉裂，且起皱严 重，故不能采用该形式生产。而方式２能很好地成 形出合格零件，最大减薄率为ｌ６．６％，最大增厚率 为１．８４％。在法兰处可以适当添加拉延筋以缓解起 皱趋势。通过数值模拟分析，可以在开模前确定只 能采用一料一件的方式生产，而成形过程中变薄 严重及有起皱趋势处的直观表现，也为实际生产 时工艺控制提供了指导意义。 参考文献 ［１］崔令江．汽车覆盖件冲压成形技术．［Ｍ］机械工业出版社． ２００３：６８ ［２］兰箭，董湘怀，陈志明等．板料成形毛坯展开方法研究．［Ｊ］锻 压技术．２０００．４：２１－２５ ［３］Ｋｒｉｓｔｏｆｆｅｒ Ｔ．Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｂｅ ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ—ｂｅｎｄｉｎｇ，ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ 咖．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，１２７： ４Ｏｌ一４Ｏ８． ［４］汪锐，罗亚军，郑晓丹等．复杂零件多道次拉深成形的计算 机仿真［Ｊ］．塑性工程学报，２００１．８（２）：１７—１９． ［５］陈文亮．板料成形ＣＡＥ分析教程［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２００５． ［６］周玉辉，吴卫，黄清民．板材成形的数值模拟及其在ｕ形法兰 件中的应用．［Ｊ］模具技术，２００５．４－５１ 我刊２００６年第４期刊登的论文《烧结台车铸造工艺的改 Ｔ进》，由于编辑的失误，将第二作者秦英的工作单位写为“唐钢科 Ｉ技职业技术学院，河北，唐山，０６３００１”，实际应为“唐山科技职业 ｛技术学院，河北，唐山，０６３００１”，向作者致歉。 属ｈｔ ｔｐ：ｗ￣ｊｓ．妻ｓｊｚｚ悉． ＣＯｎｒ ２００７堡笪２年第期■Ⅱ 塑■一
