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1、板成形回彈過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬板成形回彈過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬 板材回彈模擬的意義板材回彈模擬的意義板材成形過(guò)程中普遍存在有回彈問(wèn)題，特別在彎曲和淺拉深板材成形過(guò)程中普遍存在有回彈問(wèn)題，特別在彎曲和淺拉深過(guò)程中回彈現(xiàn)象更為嚴(yán)重，對(duì)零件的尺寸精度和生產(chǎn)效率造過(guò)程中回彈現(xiàn)象更為嚴(yán)重，對(duì)零件的尺寸精度和生產(chǎn)效率造成極大的影響，轎車覆蓋件就是典型的例子。零件的最后回成極大的影響，轎車覆蓋件就是典型的例子。零件的最后回彈形狀是其整個(gè)成形歷史的累積效應(yīng)，而板材成形過(guò)程與模彈形狀是其整個(gè)成形歷史的累積效應(yīng)，而板材成形過(guò)程與模具幾何形狀、材料特性、摩擦接觸等眾多因素密切相關(guān)，所具幾何形狀、材料特性、摩擦接觸等眾多因素密

2、切相關(guān)，所以板材成形的回彈問(wèn)題非常復(fù)雜。這類問(wèn)題必須借助數(shù)值模以板材成形的回彈問(wèn)題非常復(fù)雜。這類問(wèn)題必須借助數(shù)值模擬技術(shù)，用有限元方法擬技術(shù)，用有限元方法(FEM)來(lái)解決。來(lái)解決。 32)1 (1211EtMRRks式中式中k為曲率變化量，為曲率變化量，R為回彈前中面半徑，為回彈前中面半徑，RS回彈后中回彈后中面半徑，面半徑，E彈性模量，彈性模量，泊松比，泊松比，t回彈前板料厚度，回彈前板料厚度，M回彈回彈前板內(nèi)彎矩。前板內(nèi)彎矩。板材回彈的經(jīng)典計(jì)算公式為：板材回彈的經(jīng)典計(jì)算公式為： 從求解算法看，過(guò)去對(duì)回彈問(wèn)題多采用與成形問(wèn)題從求解算法看，過(guò)去對(duì)回彈問(wèn)題多采用與成形問(wèn)題相同的算法，即成形相同的

3、算法，即成形回彈全過(guò)程均采用同一算法，回彈全過(guò)程均采用同一算法，常用的有動(dòng)態(tài)顯式算法和靜態(tài)隱式算法。動(dòng)態(tài)顯式常用的有動(dòng)態(tài)顯式算法和靜態(tài)隱式算法。動(dòng)態(tài)顯式算法效率高、穩(wěn)定性好，適于計(jì)算各種復(fù)雜成形問(wèn)算法效率高、穩(wěn)定性好，適于計(jì)算各種復(fù)雜成形問(wèn)題，但用于回彈計(jì)算時(shí)效率極低。靜態(tài)隱式算法在題，但用于回彈計(jì)算時(shí)效率極低。靜態(tài)隱式算法在求解大型成形問(wèn)題時(shí)效率低、收斂性差，但求解回求解大型成形問(wèn)題時(shí)效率低、收斂性差，但求解回彈問(wèn)題時(shí)其效率極高，往往經(jīng)過(guò)一步或數(shù)步迭代即彈問(wèn)題時(shí)其效率極高，往往經(jīng)過(guò)一步或數(shù)步迭代即可獲得很好的結(jié)果?？色@得很好的結(jié)果。 板材回彈模擬的求解算法板材回彈模擬的求解算法從求解過(guò)程看，

4、回彈問(wèn)題一般采用兩種求解從求解過(guò)程看，回彈問(wèn)題一般采用兩種求解方法。第一種方法是工具（沖頭、模具）與方法。第一種方法是工具（沖頭、模具）與沖壓方向的逆向移動(dòng)，并且開(kāi)始計(jì)算直到?jīng)]沖壓方向的逆向移動(dòng)，并且開(kāi)始計(jì)算直到?jīng)]有節(jié)點(diǎn)接觸到工具為止。第二種方法是利用有節(jié)點(diǎn)接觸到工具為止。第二種方法是利用節(jié)點(diǎn)力節(jié)點(diǎn)力f f代替幾何接觸工具，代替幾何接觸工具，f f的值等于反作的值等于反作用力，首先針對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)，再加上邊界條用力，首先針對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)，再加上邊界條件：件：f f= =f f，最后開(kāi)始計(jì)算直到所有節(jié)點(diǎn)，最后開(kāi)始計(jì)算直到所有節(jié)點(diǎn)的力都消失。這兩種方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果幾的力都消失。這兩種方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)

5、果幾乎沒(méi)有差別，但它們的計(jì)算時(shí)間和步長(zhǎng)是不乎沒(méi)有差別，但它們的計(jì)算時(shí)間和步長(zhǎng)是不同的。由于第一種方法每一步都需要進(jìn)行接同的。由于第一種方法每一步都需要進(jìn)行接觸分析，故計(jì)算時(shí)間和步長(zhǎng)較多。觸分析，故計(jì)算時(shí)間和步長(zhǎng)較多。板材回彈模擬精度板材回彈模擬精度 回彈模擬精度與成形過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)模擬精度密切相關(guān)，回彈模擬精度與成形過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)模擬精度密切相關(guān)，尤其是流過(guò)模具圓角部位材料變形的模擬，一直是板尤其是流過(guò)模具圓角部位材料變形的模擬，一直是板材成形數(shù)值模擬的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。材成形數(shù)值模擬的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。 為了得到滿意的結(jié)果，必須精確控制成形過(guò)程為了得到滿意的結(jié)果，必須精確控制成形過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，以求

6、減少積累誤差，提高應(yīng)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，以求減少積累誤差，提高應(yīng)力場(chǎng)模擬精度；就回彈模擬過(guò)程本身而言，準(zhǔn)力場(chǎng)模擬精度；就回彈模擬過(guò)程本身而言，準(zhǔn)確性和收斂性已成為動(dòng)態(tài)顯式和靜態(tài)隱式兩種確性和收斂性已成為動(dòng)態(tài)顯式和靜態(tài)隱式兩種有限元模擬算法難以克服的瓶頸。另外，從有有限元模擬算法難以克服的瓶頸。另外，從有限元理論本質(zhì)上講，由于基于位移場(chǎng)的有限元限元理論本質(zhì)上講，由于基于位移場(chǎng)的有限元方法所得到的應(yīng)力場(chǎng)模擬精度總是比位移場(chǎng)要方法所得到的應(yīng)力場(chǎng)模擬精度總是比位移場(chǎng)要低，對(duì)于依賴應(yīng)力場(chǎng)模擬精度的回彈問(wèn)題而言，低，對(duì)于依賴應(yīng)力場(chǎng)模擬精度的回彈問(wèn)題而言，這是限制其模擬精度提高的一個(gè)重要因素這是限制其模擬精度提

7、高的一個(gè)重要因素 汽車縱梁成形及回彈過(guò)程的模擬汽車縱梁成形及回彈過(guò)程的模擬 汽車縱梁在整個(gè)汽車結(jié)構(gòu)中占有非常重要的作汽車縱梁在整個(gè)汽車結(jié)構(gòu)中占有非常重要的作用，就相當(dāng)于人的脊椎一樣重要，起著支撐整個(gè)用，就相當(dāng)于人的脊椎一樣重要，起著支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)的作用，一旦斷了，整個(gè)車身就會(huì)散架。并結(jié)構(gòu)的作用，一旦斷了，整個(gè)車身就會(huì)散架。并且一套汽車縱梁成形的模具價(jià)值不菲，約為且一套汽車縱梁成形的模具價(jià)值不菲，約為60607070萬(wàn)元，對(duì)模具的修改既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)金錢。萬(wàn)元，對(duì)模具的修改既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)金錢。因此，對(duì)汽車縱梁在成形之前進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬是因此，對(duì)汽車縱梁在成形之前進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬是非常必要的。非常必要

8、的。 一般載貨車的車架都是由左、右兩根縱梁與若一般載貨車的車架都是由左、右兩根縱梁與若干根橫粱經(jīng)鉚接或焊接成的框架結(jié)構(gòu)。干根橫粱經(jīng)鉚接或焊接成的框架結(jié)構(gòu)。 汽車縱梁的形狀汽車縱梁的形狀 (a) (b) 整體縱量結(jié)構(gòu)整體縱量結(jié)構(gòu)模擬部分模擬部分汽車縱梁長(zhǎng)汽車縱梁長(zhǎng)8.16m，形狀突變的區(qū)域集中在，形狀突變的區(qū)域集中在1.5m的范圍內(nèi)，厚度為的范圍內(nèi)，厚度為7mm，最窄處的寬度，最窄處的寬度為為142mm，最寬處的寬度為，最寬處的寬度為237mm，高，高75mm，圓角半徑為，圓角半徑為8mm。 由于汽車縱梁對(duì)整個(gè)車身起支撐和連接的作用，故要求汽車由于汽車縱梁對(duì)整個(gè)車身起支撐和連接的作用，故要求汽車

9、縱梁具有足夠高的強(qiáng)度。汽車縱梁成形使用的是高強(qiáng)度鋼板縱梁具有足夠高的強(qiáng)度。汽車縱梁成形使用的是高強(qiáng)度鋼板。高強(qiáng)度鋼板的。高強(qiáng)度鋼板的s和和b比低碳鋼板高得多，而比低碳鋼板高得多，而n值和值和r值卻比值卻比較低，因此高強(qiáng)度鋼板的成形性能比低碳鋼板差。高強(qiáng)度鋼較低，因此高強(qiáng)度鋼板的成形性能比低碳鋼板差。高強(qiáng)度鋼板成形時(shí)不僅同樣存在起皺和破裂問(wèn)題，同時(shí)由于板成形時(shí)不僅同樣存在起皺和破裂問(wèn)題，同時(shí)由于s和和b高高，n值和值和r值低，影響貼模性的面畸變及形狀凍結(jié)性問(wèn)題更加值低，影響貼模性的面畸變及形狀凍結(jié)性問(wèn)題更加突出，因此要保證高強(qiáng)度鋼板的沖壓件質(zhì)量，不僅要避免開(kāi)突出，因此要保證高強(qiáng)度鋼板的沖壓件質(zhì)量

10、，不僅要避免開(kāi)裂與起皺，更重要的是要保證零件的尺寸和形狀的精度，即裂與起皺，更重要的是要保證零件的尺寸和形狀的精度，即回彈問(wèn)題。針對(duì)貼模性問(wèn)題，采用如圖所示的模具布局圖，回彈問(wèn)題。針對(duì)貼模性問(wèn)題，采用如圖所示的模具布局圖，即在凸模的下方加一個(gè)支撐頭。即在凸模的下方加一個(gè)支撐頭。汽車縱梁沖壓成形模具分布圖汽車縱梁沖壓成形模具分布圖凸模和支撐頭一起向下運(yùn)動(dòng)。在模擬中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較凸模和支撐頭一起向下運(yùn)動(dòng)。在模擬中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，同時(shí)也增加了模擬的難度。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原困難，同時(shí)也增加了模擬的難度。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，將模具整個(gè)倒過(guò)來(lái)，如圖理，將模具整個(gè)倒過(guò)來(lái)，如圖(a)(a)所示，原來(lái)的凹模所示，

11、原來(lái)的凹模變?yōu)橥鼓＃鼓Ｗ優(yōu)榘寄?，支撐頭成為壓邊圈，類似變?yōu)橥鼓?，凸模變?yōu)榘寄?，支撐頭成為壓邊圈，類似于反向拉伸，這樣處理后就只有凸模運(yùn)動(dòng)，能夠減少于反向拉伸，這樣處理后就只有凸模運(yùn)動(dòng)，能夠減少計(jì)算量。有限元模型如圖計(jì)算量。有限元模型如圖(b)(b)所示。所示。(b) (b) 模擬模具、毛坯分布圖模擬模具、毛坯分布圖（b）有限元模型圖有限元模型圖模擬結(jié)果與分析模擬結(jié)果與分析1.1.確定支撐力確定支撐力由于汽車縱梁的板材較厚，強(qiáng)度較高，需增加支撐力，由于汽車縱梁的板材較厚，強(qiáng)度較高，需增加支撐力，如沒(méi)有支撐力或者支撐力太小，底部就會(huì)出現(xiàn)拱形，而如沒(méi)有支撐力或者支撐力太小，底部就會(huì)出現(xiàn)拱形，而不是

12、設(shè)計(jì)的平直狀，從而達(dá)不到成形的要求。當(dāng)模具確不是設(shè)計(jì)的平直狀，從而達(dá)不到成形的要求。當(dāng)模具確定后，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)初始的支撐力，然后利用計(jì)定后，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)初始的支撐力，然后利用計(jì)算機(jī)模擬的方法來(lái)確定支撐力的大小。算機(jī)模擬的方法來(lái)確定支撐力的大小。 可以看出，縱梁的底部出現(xiàn)了弧線狀，而不是設(shè)計(jì)可以看出，縱梁的底部出現(xiàn)了弧線狀，而不是設(shè)計(jì)中的平直狀，這是由于使用了高強(qiáng)度鋼板的緣故，中的平直狀，這是由于使用了高強(qiáng)度鋼板的緣故，造成了板材不貼模現(xiàn)象，故在生產(chǎn)中和模擬中要使造成了板材不貼?，F(xiàn)象，故在生產(chǎn)中和模擬中要使用支撐頭。用支撐頭。無(wú)支撐頭成形間形狀無(wú)支撐頭成形間形狀不同支撐力作用下縱梁的

13、形狀不同支撐力作用下縱梁的形狀200kN400kN800kN1200kN從從200kN200kN開(kāi)始，通過(guò)不斷增加支撐力來(lái)確定縱梁底部不出現(xiàn)弧形時(shí)的開(kāi)始，通過(guò)不斷增加支撐力來(lái)確定縱梁底部不出現(xiàn)弧形時(shí)的支撐力。從圖中可以看出，直到支撐力為支撐力。從圖中可以看出，直到支撐力為1200kN1200kN時(shí)，縱梁才離開(kāi)原來(lái)時(shí)，縱梁才離開(kāi)原來(lái)的水平位置，而成為平直的底部。故得出縱梁能夠比較好地成形的支的水平位置，而成為平直的底部。故得出縱梁能夠比較好地成形的支撐力為撐力為1200kN1200kN。毛坯形狀及成形情況毛坯形狀及成形情況毛坯形狀的確定也是沖壓成形工藝中需要解決的一個(gè)問(wèn)題。由于板毛坯形狀的確定也

14、是沖壓成形工藝中需要解決的一個(gè)問(wèn)題。由于板材沖壓成形過(guò)程中材料的流動(dòng)情況一般比較復(fù)雜，毛坯形狀的確定材沖壓成形過(guò)程中材料的流動(dòng)情況一般比較復(fù)雜，毛坯形狀的確定很困難。采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，能夠比較準(zhǔn)確地掌握一個(gè)給定零件很困難。采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，能夠比較準(zhǔn)確地掌握一個(gè)給定零件在沖壓過(guò)程中的材料流動(dòng)的情況，這就為零件毛坯形狀的確定提供在沖壓過(guò)程中的材料流動(dòng)的情況，這就為零件毛坯形狀的確定提供了有力的工具。了有力的工具。 （a) 模擬得到的毛坯圖模擬得到的毛坯圖（b b）成形后的縱梁）成形后的縱梁模擬縱梁成形過(guò)程圖模擬縱梁成形過(guò)程圖圖中可以發(fā)現(xiàn)從第三個(gè)圖開(kāi)始圖中可以發(fā)現(xiàn)從第三個(gè)圖開(kāi)始產(chǎn)生起皺，然后經(jīng)

15、歷了長(zhǎng)大、產(chǎn)生起皺，然后經(jīng)歷了長(zhǎng)大、減小到消失的過(guò)程。這個(gè)結(jié)果減小到消失的過(guò)程。這個(gè)結(jié)果是與實(shí)際情況非常接近是與實(shí)際情況非常接近 。(a) (a) 汽車縱梁成形后厚度分布圖汽車縱梁成形后厚度分布圖(b) 毛坯圖毛坯圖從圖（從圖（a)厚度分布中可以看出，汽車縱梁成形厚度分布中可以看出，汽車縱梁成形后厚度沒(méi)有發(fā)生大的差異，只在四個(gè)轉(zhuǎn)角處發(fā)后厚度沒(méi)有發(fā)生大的差異，只在四個(gè)轉(zhuǎn)角處發(fā)生了明顯的厚度變化。之所以在轉(zhuǎn)角處發(fā)生明生了明顯的厚度變化。之所以在轉(zhuǎn)角處發(fā)生明顯的厚度的變化，是由于毛坯的長(zhǎng)度大于壓彎顯的厚度的變化，是由于毛坯的長(zhǎng)度大于壓彎后翼面的長(zhǎng)度，在壓彎過(guò)程中，有多余的金屬后翼面的長(zhǎng)度，在壓彎過(guò)程

16、中，有多余的金屬存在。從毛坯形狀圖（存在。從毛坯形狀圖（b）中可以發(fā)現(xiàn)在四個(gè)）中可以發(fā)現(xiàn)在四個(gè)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角A、D、G、J處，多出一個(gè)三角形面積材處，多出一個(gè)三角形面積材料，這就使得翼面上有多余的金屬存在。這部料，這就使得翼面上有多余的金屬存在。這部分多余材料在成形中，一部分有向橫向斷面展分多余材料在成形中，一部分有向橫向斷面展開(kāi)的趨勢(shì)，一部分有增加板材厚度的趨勢(shì)，另開(kāi)的趨勢(shì)，一部分有增加板材厚度的趨勢(shì)，另外還有一部分沿著縱向展開(kāi)的趨勢(shì)。在四個(gè)三外還有一部分沿著縱向展開(kāi)的趨勢(shì)。在四個(gè)三角形的角形的A、D、G、J處頂點(diǎn)厚度變小，而該點(diǎn)處頂點(diǎn)厚度變小，而該點(diǎn)的對(duì)邊，即多余材料的邊則增厚。在成形終了的對(duì)邊，即多余材料的邊則增厚。在成形終了時(shí)，時(shí)，LM邊處的厚度最厚，為邊處的厚度最厚，為7.16mm，而，而A點(diǎn)點(diǎn)的厚度最薄，為的厚度最薄，為6.86mm。最厚的地方與最薄。最厚的地方與最薄的地方的厚度相差的地方的厚度相