板料沖壓成形及碰撞性能的有限元數(shù)值模擬理論

1、板料沖壓成形及碰撞性能的有限元數(shù)值模擬理論喙一性成形是材料感形的區(qū)本如【方法藝徑利用材料的塾形(在不就壞完廉件的至礎(chǔ)上產(chǎn)生永久變倍的陡力)莖得一定的形狀和尺寸的加工堤徑.金刨矍形成形麻理包3望性變瞻申的金屬學(xué)與力學(xué)兩部丹苴申力學(xué)制廿對(duì)特定金風(fēng)材科的咸珈過(guò)輕看很覽噩的影響，蝕括屈般椎則、應(yīng)力血變尊部分f木構(gòu)關(guān)系能夠反映杭H應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系'其方用就晁乖構(gòu)方理.它和呵服準(zhǔn)則一樣重姿.是塑性成礎(chǔ)問(wèn)顋的韓礎(chǔ)(1)虎克定津虎克理律是在單向應(yīng)力狀脊下，彈性變捲時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變化間的關(guān)即2)2)trEc(2-13r=76Jr廣咒虎克定律懸指在各種應(yīng)力時(shí)丫薦向同性材料的慢力應(yīng)變的対應(yīng)黃累，即;J=右

2、76;-KCT.+<Tjj;r=罠(十打】裙1=21：斗flZtrJ匸-r<rr-Her#站=式中，去為彈性模量(MPa)，曲泊松比.礎(chǔ)切變模51(MP叭,三傘彈地常融忒廠(chǎng)石之間有如下光系將式cm中的論吐片相加jg理后衍(2®即將式2-35巾Q*打*擊井別械占鈕1M(2-6J簡(jiǎn)記為(2-7)(2-8)通過(guò)上式可以看出，只有應(yīng)力偏張fit可以改變物體的形狀由式(2-5)和式(2-7)廣義虎克定律可寫(xiě)成張斎形式(29)(29)(2-11)(2-12)(2-!3)(a)<2)列維米塞斯(Ixvy-Mises)理論列維米塞斯(LevyMisc$)理論是折應(yīng)力與應(yīng)變?cè)龃只驊?yīng)變

3、速率對(duì)應(yīng)的關(guān)系.該理論特指材料處于楓性成形過(guò)程中毎時(shí)刻的應(yīng)力決定的該吋刻的應(yīng)變?cè)鲋?。這其中的計(jì)棒過(guò)程與上一時(shí)刻無(wú)關(guān).所以不受加載歷史的影響.認(rèn)為應(yīng)變?cè)鏊芘c應(yīng)力侗掖成正比，即dta=&adk“(2-10>式中，£為瞬時(shí)非負(fù)比例系數(shù)。式(210)稱(chēng)為L(zhǎng)evy-Mises方程.由幾為"力筑所以式(2】0)與廣義虎克定律式相似.也可寫(xiě)成比例形式和差比形式：矗-水2_能能_水3_命_力或C2-ff2乃-中為確定加，將式(212)寫(xiě)成二個(gè)式子.然肓兩邊平方，得(叱-矗J=(b,-a,y加=(<rr-(iJ2/A2(矗廠(chǎng)叱)2=/(巧-bj%將式但閑式（b）兩邊相加.

4、整理涪得（屮庭吃$+（住廠(chǎng)尿$4（壯；_尿$+6（巧為+力務(wù)+力$）J標(biāo)為等效應(yīng)變?cè)鲋坊驊?yīng)變?cè)鲋窂?qiáng)度.（3）應(yīng)力應(yīng)變速率方程（SainZcnant規(guī)性流動(dòng)方程將式（2J0）兩邊同除以時(shí)間dt可御(2式中'令叫即為應(yīng)變速率張量，萬(wàn)'"孔1標(biāo)為等效應(yīng)變速率或稱(chēng)應(yīng)變速率強(qiáng)度。丁是有(2-16)式（2-16）稱(chēng)為應(yīng)力應(yīng)變速卒方程。12接越與撩在板料沖壓數(shù)他模擬試驗(yàn)過(guò)程中，接越與糠擦是+分關(guān)鍵的技術(shù)之一整個(gè)沖壓過(guò)程中伴蘭著模具形血與加工板料之問(wèn)的接觸和降擦、壓邊圈與板料之間的按鮭與岸擦，所以按桃和怦擦的選擇對(duì)成形結(jié)果準(zhǔn)確性有豐常大的牡響°在碰撞數(shù)他模擬試驗(yàn)中，板料與剛

5、性増充分接鮭從而發(fā)生形變，伴隨著大雖的接觸問(wèn)題.接觸的選擇對(duì)后續(xù)計(jì)算將度影叫很大.下曲將從算法上對(duì)接觸和摩擦進(jìn)行選擇.2J.1接融的選擇接艇的選擇也括J'接觸點(diǎn)的搜尋和接觸力的計(jì)算。搜尋接觸蟲(chóng)分為一體化算法'級(jí)城法和主從面算法三種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，一般1SDYNA采用-體化算法。沖壓成形過(guò)程中，板料隨看變形與橈貝的凹蟆、凸楓、圧邊團(tuán)發(fā)生摩擦，形成対収料流動(dòng)的但礙作用。如何盡盯能淮確的歩擬現(xiàn)實(shí)中的廉援-££是理論基礎(chǔ)不廝完善的目的。經(jīng)典庫(kù)侖摩擦宦律是雖常見(jiàn)應(yīng)用廣泛的定律.能解決婁種悄況下的我面粗糙度，比如成形仿真模擬過(guò)程等探究了覆蓋件岸擦冋，包括板料與模面的柏対

6、運(yùn)動(dòng)引起的摩擦和復(fù)朵方向的反轉(zhuǎn)引起的摩擦<該研究便得庫(kù)倫修擦定律更趨完希.目前鍛廣泛應(yīng)用的有如卜幾種摩擦模型：<1)庫(kù)侖摩擦模型528)式中，斤為切向原擦力：殲為法向接觸力：p為摩擦系數(shù).該模型由T沒(méi)有老慮其他因索的形響，計(jì)算獲御的摩擦力往往存在較大誤差。代M卩遲一毗n庫(kù)倫障擦模型可以變形為，C2-29)成中，V為板料節(jié)點(diǎn)和模型血的相對(duì)滑功速度：d為正數(shù).與經(jīng)典陣倫障擦模里相比.因?yàn)樾拚禂?shù)變得更加準(zhǔn)砸。<2>考股粗糙度的摩擦?？兆钚碌哪Σ琉傂涂蓟⒘藵?rùn)潸劑和衣面粗槌度的影響.即！<2-30)25.2戎中，功摩擦系數(shù)，V為粘度.(2-31)表面粗尼度和摩擦系數(shù)的關(guān)系

7、：“=0,24不-0246久十0.252式中，'為表度。通過(guò)試驗(yàn)敬擁，可御：7*19<2-32)<2-32)p=0.53x：10"(V56尸104升/肚目前有很多障擦模型.沒(méi)有任何個(gè)摩擦模型可以考慮所有因索對(duì)摩擦力的彫響，相佑樺擦換型會(huì)隨省理論基礎(chǔ)的完善能夠越來(lái)越準(zhǔn)確地計(jì)算出實(shí)際厚擦情況.23沖壓件材料性能與Bhl性能的關(guān)系板料在沖壓過(guò)程中材料力學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化，期金產(chǎn)生應(yīng)變槻化和應(yīng)變率妙應(yīng)，同時(shí)網(wǎng)格隨著材料沖圧成形時(shí)形狀的變化而變陽(yáng)復(fù)雜，厚度離得也會(huì)成為一個(gè)希宴考總的因素.殘余應(yīng)力、塑形應(yīng)變大小、材料的樂(lè)卑減薄、冋彈大小等因索使其屈服強(qiáng)度、吸收沖擊能鈦的能力大幅

8、度改變，克接影響著結(jié)構(gòu)件的沖擊性能.而現(xiàn)行的碰據(jù)模擬試驗(yàn)是采用理想網(wǎng)格的板料，果用板料生產(chǎn)商提供的材料力學(xué)參數(shù)，不考電沖壓成形歷史所帶來(lái)的力學(xué)性能的變化和幾何形狀的變化.致使按擬結(jié)果與實(shí)際相差很大.所以，在碰掃模扭試鯊中.考世板料沖壓成形歷史能夠使御模擬結(jié)果更加靠近實(shí)際惦況，能夠大幅度提髙碰撞性能的仿虞模擬荊度.在儲(chǔ)撞模擬實(shí)絵中考慮沖壓成形歷史十分有必要。2J.1沖壓件的材料力學(xué)性能(1) 應(yīng)交硬化金屬在坯性變形后.屈服應(yīng)力提侖，叫傲金屆的礎(chǔ)化，也叫應(yīng)變碾化。假設(shè)金屬僅冇塑性變形而無(wú)樓化，則沖壓件裁面相對(duì)會(huì)更不均勻甚至開(kāi)裂.一處的變形帶來(lái)硬化，下一步交形才能分布到別的地方.硬化成了改變金屬力學(xué)

9、性能的雨耍手段Z-.使得沖出成形后的材料性能預(yù)度島于原材料(2) 應(yīng)變率效應(yīng)在低速碰撞的情況下，理想的彈用性材料本構(gòu)關(guān)系適合運(yùn)用.們?cè)隗{速碰揄時(shí)存在大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大應(yīng)變等問(wèn)題，材料模哩更加復(fù)雜，冇必娶考電應(yīng)變率的影響。在碰撞的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生非找性動(dòng)念響應(yīng).研究農(nóng)明，數(shù)性流動(dòng)對(duì)應(yīng)變珮足敏感的，耳屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度極限甌應(yīng)變率的增加而地加.應(yīng)把材料應(yīng)變率考慮到碰It分析中來(lái)。232網(wǎng)格佰息映射方法在做結(jié)構(gòu)件的碰撞模擬試羞時(shí)，一般圧采用理想板料初始模型.認(rèn)為板料單元祁是等序的，板料力學(xué)性能也是分布均勻的.但是板料的沖壓成形歷史會(huì)帶來(lái)殿余應(yīng)力、塑形應(yīng)變大小、材料的呈厚減牌等因素，影列結(jié)構(gòu)件的屈服強(qiáng)度

10、和吸收沖擊能址的能力對(duì)砧撞樓擬試驗(yàn)的舟確性產(chǎn)生了很夫的唸響.LS-DYNA軟件在處理以上問(wèn)題匕提供了網(wǎng)格信息映射的辦法，能夠準(zhǔn)確的保留沖壓成形歷史折芾來(lái)的影響。首先.扳料的沖壓模擬試驗(yàn)中，其結(jié)果文件DYNA1N文件包含成形后睜件的一切信息，如厚度誠(chéng)薄程度、殘余應(yīng)力應(yīng)變竽力學(xué)性能.然后，對(duì)碰撞試驗(yàn)所采用的材料校唱進(jìn)行初始化，即結(jié)構(gòu)件采用理想網(wǎng)格、材料供應(yīng)商所提供的材料力學(xué)性能進(jìn)行碰撞試驗(yàn).最后，采用關(guān)鍵字INCLUDE_$TAMPED.PART把相關(guān)需耍的信息映射到初始化的橈空上來(lái).采用INCLUDE_STAMPED_PART關(guān)健字時(shí)，允許只験射一種信息成音映射名種信息，比如可以只考慮板料的厚度減薄程度對(duì)口確撞模擬試蛉的電響.也可以同時(shí)