隨著CAE技術(shù)的發(fā)展及其在沖壓工藝及模具設(shè)計中日益廣泛的應(yīng)用，使得沖壓模具的設(shè)計開發(fā)周期大大縮短，減少了試模、修模工作量，提高了模具設(shè)計制造的一次成功率，因而在沖壓工藝設(shè)計及沖壓模具開發(fā)中，采用CAE技術(shù)對沖壓方案及沖壓工藝過程進行仿真以驗證沖壓工藝及模具設(shè)計方案，并進行成形質(zhì)量的預(yù)測與評價，已成為必不可少的工藝環(huán)節(jié)之一。目前，可用于覆蓋件沖壓過程仿真的商品化CAE軟件主要有DYNAFORM、DEFORM、AUTO-FORM、STAMPTM、PAM-STAMP及國產(chǎn)軟件FAS-TAMP、CADEM、KMAS等，在具體使用過程中都不同程度的存在沖壓成形效果不穩(wěn)定的問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)沖壓成形效果對CAE分析人員技術(shù)水平的依賴性強；(2)工藝過程及工藝條件的建模及描述方式對沖壓仿真效果影響較大；(3)對沖壓仿真CAE軟件理論基礎(chǔ)的理解掌握及使用經(jīng)驗直接影響沖壓仿真結(jié)果。作者以NUMISHEET05給出的Benchmark為研究對象，以專用板料沖壓仿真軟件DYNAFORM2.1為平臺，分析研究了影響復(fù)雜覆蓋件沖壓仿真結(jié)果穩(wěn)定性的主要影響因素，并提出了相應(yīng)的解決辦法，在促進CAE技術(shù)在復(fù)雜覆蓋件沖壓成形仿真中應(yīng)用的同時，指出了CAE技術(shù)在未來發(fā)展中應(yīng)該解決的一些技術(shù)問題。

1 沖壓成形仿真穩(wěn)定性評價體制的建立

    根據(jù)沖壓成形仿真分析中所出現(xiàn)穩(wěn)定性問題的類型以及引起各類穩(wěn)定性問題的主要因素，建立CAE仿真計算的穩(wěn)定性評價體制如圖1所示。

圖1 沖壓成形仿真的穩(wěn)定性評價體制

    可以看出，對CAE仿真計算穩(wěn)定性的評價可以從計算效率、仿真結(jié)果及計算精度的穩(wěn)定性三方面來評定；在板料成形CAE仿真分析中，影響各種穩(wěn)定性的因素眾多，而有的因素則會同時引起多種不穩(wěn)定問題存在，因而造成了上述各類不同穩(wěn)定性問題之間既相互獨立又相互聯(lián)系的復(fù)雜關(guān)系；另外，在計算機的硬件配置及有限元計算方法確定以后，對CAE仿真計算穩(wěn)定性影響較大的因素基本都與所建立的仿真模型相關(guān)。因此，在對CAE技術(shù)進行理論研究的同時，探究CAE仿真計算穩(wěn)定性的主要影響因素及影響趨勢，并在多次仿真實踐的基礎(chǔ)上給出合理的經(jīng)驗值，對于提高CAE仿真分析的成功率和有效性、深入揭示CAE軟件中存在的技術(shù)難題都具有至關(guān)重要的意義。

2 仿真模型建立過程中影響沖壓仿真穩(wěn)定性主要因素的分析

2.1有限單元屬性對沖壓仿真穩(wěn)定性的影響

    在沖壓仿真模型的建立過程中，單元形狀、單元尺寸、單元厚度、單元連續(xù)性及所使用的有限單元計算公式對沖壓仿真的穩(wěn)定性都有著決定性的影響。其中：

    (1)單元形狀一般以四邊形單元和三角形殼體單元居多，且盡可能采用形狀接近正方形的四邊形單元，通過避免或減少畸變單元的存在而提高仿真分析的穩(wěn)定性。

    (2)單元最大、最小尺寸參數(shù)的確定，不僅直接影響到?jīng)_壓仿真的效率，而且對沖壓仿真的效果和仿真精度都有重要的影響。一般來講，在對仿真計算的機時要求不是很高的情況下，應(yīng)盡可能選擇較小的最大、最小單元尺寸，且限定單元的最大邊長比（element aspect ratio）不超過8，這對提高起皺、破裂等成形缺陷的預(yù)測精度都有重要貢獻。

    (3)單元厚度的選�。ㄓ绕涫莿傂怨ぞ呷鐩_頭、凹模、壓邊圈等）應(yīng)與所定義的坯料厚度相適應(yīng)，同時綜合考慮工具型面有限元網(wǎng)格的最小單元尺寸，這是解決模型產(chǎn)生初始穿透的有效手段之一。

    (4)單元不連續(xù)性（尤其是剛性工具有限元模型）會造成對相應(yīng)部位破裂趨勢的過高估計，顯著降低了仿真分析的成功率。一般的解決辦法是采用CAE軟件中的“邊界檢查(Boundary Check)”功能，檢查模型單元的連續(xù)性，對模型中的“細微裂縫”及“爛面”，采用“合并鄰近節(jié)點”或“刪除鄰近不連續(xù)單元一重構(gòu)連續(xù)單元”，最后再“刪除所有自由節(jié)點”的辦法進行“補面”。

    (5)有限單元計算公式的選擇主要影響CAE仿真計算效率和精度，一般在成形分析中推薦選用缺省的Belytschko-Lin-Tsay殼體單元，而如果成形后要進行回彈分析，則推薦將Lughes-Liu殼體單元用于成形和回彈分析。

2.2成形過程的正確描述對沖壓仿真穩(wěn)定性的影響

    在復(fù)雜覆蓋件的沖壓成形仿真過程中，對不同沖壓方案的定義及沖壓過程的描述對仿真效果的穩(wěn)定性也有著決定性的影響。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

    (1)沖壓工序內(nèi)容方面。沖壓工序內(nèi)容主要有沖裁、切邊、彎曲成形、拉深成形、翻邊、切邊、回彈等，由于不同的工序所采用的仿真理論、模具型面結(jié)構(gòu)及工具運動曲線各不相同，因而CAE仿真分析的結(jié)果也就截然不同。例如：圓形坯料的沖裁和圓筒形零件的拉深成形仿真、弓形零件的拉深成形與彎曲和翻邊的仿真都可以采用同樣的仿真模型，但所得仿真結(jié)果卻存在很大差別。

    (2)沖壓類型方面。在拉延成形中，常用的拉延類型主要有正向拉深、反向拉深兩種，對同一CAE仿真模型，采用不同的拉延類型時，各工具運動方向及它們之間的相互位置關(guān)系均不同，所得的仿真結(jié)果也不同。

    (3)沖壓過程的描述方面。板料沖壓CAE技術(shù)中，沖壓工藝方案的定義是通過刀具運動曲線的定義來實現(xiàn)的，對圖2所示的反向拉深仿真模型，當定義刀具的運動曲線為：①“沖頭固定一凹模向下運動至與壓邊圈間的最短距離等于坯料厚度（壓緊坯料）一凹模與壓邊圈一起向下運動至沖壓行程終了”；②“沖頭固定一壓邊圈向上運動至與凹模間的最短距離等于坯料厚度（壓緊坯料）一凹模與壓邊圈一起向下運動至沖壓行程終了”時，后者顯然比前者要耗費更多的機時，因而仿真效率較低。但有時變換沖壓過程的描述方式，對于消除初始接觸穿透卻有著意想不到的效果。

2.3沖壓仿真的工藝條件對沖壓仿真穩(wěn)定性的影響

    板料成形CAE技術(shù)的一個主要功能就是對沖壓工藝條件及模具結(jié)構(gòu)尺寸的合理性進行驗證，在這方面大多數(shù)商用CAE軟件對壓邊力、拉延筋及摩擦力的作用效果都有很好的預(yù)測能力，而且沖壓仿真速度對沖壓仿真效率的影響也已得到證實，但以上各因素對沖壓仿真效率及結(jié)果的影響都非常大。另外，接觸模型及接觸控制參數(shù)的定義，不僅影響到?jīng)_壓仿真的精度，甚至決定著沖壓仿真的成敗。因而，建立考慮沖壓仿真結(jié)果穩(wěn)定性的拉延筋模型和接觸摩擦模型是當前CAE技術(shù)中亟待解決的技術(shù)問題之一。

2.4坯料模型的定義對沖壓仿真穩(wěn)定性的影響

    坯料模型主要包括坯料材料模型、坯料初始狀態(tài)及對稱坯料定義三方面的內(nèi)容。其中：材料模型的選取是對沖壓仿真成形的精度及效果都具有決定性影響的因素之一，應(yīng)根據(jù)坯料的各項試驗性能參數(shù)確定選取；坯料初始狀態(tài)的含義主要是指未經(jīng)預(yù)成形的平板坯料和經(jīng)過預(yù)成形的坯料兩種，由于所具有的初始應(yīng)力、應(yīng)變及接觸狀態(tài)不同，因而對成形仿真的效果影響也比較顯著；而對稱坯料的定義，一般按對稱平面取整個坯料模型的一半或若干分之一進行建模，可以顯著的提高仿真分析的效率，這一點對于對稱的大型復(fù)雜覆蓋件的沖壓仿真尤其重要。

3 樣例分析及結(jié)論

    論文以NUMISHEET05國際會議Benchmark-Decklid為例，用專用板料沖壓仿真軟件DY-NAFORM 2.1對其沖壓成形過程進行了仿真分析，所建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 Decklid零件的沖壓仿真模型

    經(jīng)過多次仿真試驗，通過對上述影響沖壓仿真計算穩(wěn)定性因素的調(diào)整，采用的主要模型參數(shù)如下：

    (1)網(wǎng)格單元定義。對模具型面進行網(wǎng)格劃分時，最大、最小單元尺寸分別為10mm、0.5mm，并將單元的許可最大邊長比（element aspect ratio）限定為8，單元類型采用默認的Belytschko-Lin-Tsay殼單元，殼體單元的厚度定義為lmm。

    (2)沖壓過程及工藝條件定義。采用反向拉深，刀具運動曲線為“沖頭固定一凹模向下運動至與壓邊圈間的最短距離等于坯料厚度（壓緊坯料）一凹模與壓邊圈一起向下運動至沖壓行程終了”，采用無拉延筋的壓料面模型，凹模及壓邊圈的運動曲線分別如圖3、4所示。

圖3 凹模運動曲線圖

圖4 壓邊圈運動曲線圖

    (3)坯料模型定義。采用經(jīng)過預(yù)彎的坯料，并沿對稱面取一半建立坯料模型；材料定義為AL6111_T4P，其各項性能參數(shù)見表1；坯料厚度為0.9mm；材料本構(gòu)模型選用36號。

表l 坯料的材料性能參數(shù)

    仿真計算過程歷時17866s（即4h57min46s）。所得變形仿真結(jié)果如圖5所示。圖6所示為拉深變形的成形極限圖，從圖中可以看出：各主要成形區(qū)域受到充分拉深，且拉深效果較好，而圖中I、Ⅱ、Ⅲ部位有輕微的起皺存在，Ⅳ、V為未受到充分拉深的區(qū)域，這與塑性變形理論及實驗效果相吻合。

圖5 Decklid零件的沖壓成形仿真結(jié)果

圖6 Decklid零件沖壓仿真成形極限圖

4 結(jié)束語

    作者對NUMISHEET05給出的標準考題Decklid，以專用板料沖壓仿真軟件DYNAFORM為平臺，分析了復(fù)雜覆蓋件沖壓仿真結(jié)果穩(wěn)定性的主要影響因素，并建立了相應(yīng)的沖壓成形仿真結(jié)果的穩(wěn)定性評價體制。通過樣例零件的沖壓仿真分析，指出了板料沖壓仿真技術(shù)中，為了提高沖壓仿真效率和結(jié)果的穩(wěn)定性，需要進一步解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，總結(jié)如下：

    (1)單元形狀、單元尺寸、單元厚度、單元連續(xù)性及所使用的有限單元計算公式對沖壓仿真結(jié)果、效率和精度都具有很大的影響，有時甚至決定著沖壓仿真的成敗。因而研究面向沖壓仿真穩(wěn)定性的單元自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)、有限元模型定義與檢查是CAE技術(shù)要解決的關(guān)鍵問題之一。

    (2)在相同沖壓工序內(nèi)容及沖壓類型的定義下，如何降低沖壓過程的描述（刀具運動曲線的定義）對沖壓成形效果穩(wěn)定性的影響，以提高板料沖壓CAE技術(shù)有效性和仿真精度，是板料沖壓CAE技術(shù)要解決的另外一個問題。

    (3)有關(guān)拉延筋模型、接觸摩擦模型等對沖壓仿真結(jié)果穩(wěn)定性的影響，說明現(xiàn)代板料沖壓仿真技術(shù)在該領(lǐng)域的研究仍面臨非常艱巨的任務(wù)。

    (4)坯料材料模型、初始狀態(tài)及對稱坯料的定義方式，對沖壓仿真的效率和結(jié)果都有很大的影響，因而研究更為合理的新型材料模型、多工序沖壓仿真模型仍是板料沖壓CAE技術(shù)要研究的重要課題之一。

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本文標題：基于CAE技術(shù)的復(fù)雜覆蓋件沖壓仿真結(jié)果的穩(wěn)定性研究與評價

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