基于Dynaform的真實拉延筋高度控制的數(shù)值模擬

彭成允，關(guān) 婧，曾 英，李 濤

(重慶理工大學(xué) a.汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點實驗室;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

在板料成形過程中，由于零件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，板料各部位易出現(xiàn)入模速度不均勻等現(xiàn)象，從而造成拉裂、起皺等質(zhì)量問題［1］。通過設(shè)置拉延筋，并控制拉延筋的高度，可以有效地進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而改善成形件品質(zhì)。利用Dynaform對拉延筋的模擬主要有2種方式:等效拉延筋及真實拉延筋。諸多學(xué)者已經(jīng)對等效拉延筋進(jìn)行了研究［2－4］。真實拉延筋主要有2點優(yōu)勢［5］:真實拉延筋作為整個模具的一部分，在模擬中參與網(wǎng)格劃分及計算，因此它可以較為精確地模擬拉延筋高度變化對拉延阻力的影響;真實拉延筋圓弧處的模擬效果及模具間隙的變化對成形結(jié)果的影響均可以較為突出的呈現(xiàn)。

拉延阻力主要可以通過Dynaform模擬及拉延阻力計算的方法獲得，前者可以直觀地反映板料流經(jīng)拉延筋時的變形情況，后者能夠較簡單地通過修改拉延筋幾何參數(shù)得到相應(yīng)的拉延阻力［6］。

1 拉延阻力的計算模型

Weidemann［7］將板料流經(jīng)拉延筋時產(chǎn)生的阻力分為2部分:一部分是經(jīng)過凸筋接觸弧1，3，5圓弧處與在2，4，6圓弧處分別產(chǎn)生的彎曲－反彎曲的變形抗力;另一部分是在壓邊力的作用下，在接觸弧1～2，3～4，5～6段板料滑動，由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦阻力，如圖1所示。因此建立的拉延阻力計算模型［7］為

式中:l為拉延筋長度;μ為摩擦因數(shù);θ為板料彎曲角度;P為單位長度的等效壓邊力;σs為屈服強(qiáng)度;t為初始板厚;Rg(圖中1～2段弧)為凹槽圓角半徑;Rb(圖中3～4段弧)為凸筋圓角半徑。

圖1 板料在拉延筋作用下的模型

2 數(shù)值模擬計算

2.1 建立模型

為了使模擬效果更加突出，本研究在UG中建立真實拉延筋造型，再將其導(dǎo)入Dynaform軟件中進(jìn)行模擬。圖2所示為真實拉延筋在UG中的造型。由于入?？谒闹馨辶显陂L直邊的入模速度較之短直邊的快，因此在造型時僅在長直邊設(shè)置拉延筋，從而進(jìn)一步增加其進(jìn)料阻力，使入模速度趨于均勻。該盒形件的三維尺寸為100 mm×50 mm×50 mm。

圖2 真實拉延筋在UG中的造型

2.2 數(shù)值模擬設(shè)置

2.2.1 板料優(yōu)化設(shè)計

在UG中造型后，將模型以iges格式導(dǎo)入Dynaform軟件，將真實拉延筋也參與曲面網(wǎng)格的劃分，利用毛坯求解器求解出所必須的板料，如圖3所示。由于在工程實驗中八角形板料的入模速度更易趨于均勻化，且此盒形件的的深度較深，為了保證成形后的剛度及精度［8］，在保證板料能夠成形所需盒形件深度的基礎(chǔ)上，將求解出的板料形狀添加工藝補(bǔ)充面，并將最終模擬的板料形狀設(shè)計為八角形，劃分網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 初始毛坯及劃分網(wǎng)格后毛坯

2.2.2 材料參數(shù)及性能

此盒形件采用的材料為冷軋鋼ST14。板料長、寬、厚尺寸為190 mm、170 mm、1 mm。材料主要的物理性能:屈服應(yīng)力1.603×102MPa;彈性模量2.07×105MPa;強(qiáng)度系數(shù)5.371×102;泊松比0.28;各向異性指數(shù)1.634。

2.2.3 真實拉延筋高度控制

真實拉延筋高度的控制方法較之等效拉延筋存在顯著的不同。在Dynaform中，等效拉延筋被簡化成為作用在節(jié)點上的力，而真實拉延筋是作為模型的一部分［5］。為了達(dá)到方便調(diào)節(jié)拉延筋高度的目的，將筋條看作是剛性模具，相當(dāng)于2個凸模，1個凹模的結(jié)構(gòu)。在設(shè)置運動方式時，通過時間－位移的調(diào)節(jié)，首先令筋條先向下運動至所需拉延筋的高度，記錄下所需時間，再在此時間后令凸模下行，直到達(dá)到最佳拉深深度為止。此沖壓模擬的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 真實拉延筋模擬的結(jié)構(gòu)模型

3 拉延筋高度設(shè)置的結(jié)果分析對比

由于影響拉延阻力的幾何參數(shù)主要有凸筋圓角半徑、筋高、凹槽圓角半徑，因此本次實驗使影響拉延阻力較小的凹槽圓角半徑及凸筋圓角半徑恒定，進(jìn)而對比不同筋高對拉延阻力的影響，并可以通過對比分析，得到最佳的模擬結(jié)果。

分別將拉延筋的高度設(shè)置為 0 、1、2、3、4、5，數(shù)值模擬運算結(jié)束后，在后處理中可以得到FLD圖、厚度云圖、拉延深度等結(jié)果。圖5所示分別為拉延筋高度為0 mm(無拉延筋)、1 mm(筋高最小)、5 mm(筋高最大)時相應(yīng)的FLD圖及厚度變化云圖。

圖5 FLD圖及厚度變化云圖

從模擬結(jié)果可以看出:隨著拉延筋高度的增加，盒形件最大拉深深度不斷增加。當(dāng)拉延筋高度增大到一定值時，其最大拉深深度下降，從而出現(xiàn)極限拉深深度。模擬結(jié)果的對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 模擬數(shù)據(jù)

對比不同拉延筋高度所得的模擬結(jié)果可知:厚度減薄率最大值為21.2%，即相對于1 mm的板料其厚度減少了0.212 mm，因此其最薄處的厚度為0.788 mm;厚度增厚率最大值為29.5%，即厚度增加了0.295 mm，板料成形后最厚處的厚度為1.295 mm;模擬后其厚度變化率均未超過30%，板料在成形后仍處于安全范圍內(nèi)［9］。成形后的最厚處部位均出現(xiàn)在盒形件的工藝補(bǔ)充面上，可將其通過修邊去除，不影響成形件的品質(zhì)。綜合得出:當(dāng)拉延筋高度H=2 mm時，效果最佳，其存在起皺、破裂趨勢的區(qū)域均占很少一部分，安全區(qū)域即綠色部分所占比例較大。

4 結(jié)束語

采用真實拉延筋高度控制的方法，能夠更加方便、快速有效地調(diào)節(jié)拉延筋高度。通過對比分析得出:毛坯形狀的適當(dāng)選擇、拉延筋高度的控制對拉延阻力的影響至關(guān)重要，調(diào)節(jié)這些參數(shù)便可以使盒形件達(dá)到更好的品質(zhì)。與此同時，以數(shù)值模擬分析替代實際工程生產(chǎn)中的試模與修模，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。然而，真實拉延筋高度控制的方法雖然便于調(diào)節(jié)，但在提交計算過程中花費較長的時間，為了使整體模型運算速度提升，對真實拉延筋網(wǎng)格劃分的細(xì)節(jié)問題有待改進(jìn)。與此同時，既然2個凸模、1個凹模的模型結(jié)構(gòu)設(shè)置便于實現(xiàn)拉延筋高度的調(diào)節(jié)，應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究如何實現(xiàn)在沖壓過程中變拉延筋高度的有效方法。此外，相比采用等效拉延筋模擬，在真實拉延筋模擬時，拉延阻力值的獲得較繁瑣，數(shù)據(jù)需要通過曲線讀取，從而造成了一定的偏差，如何在今后的設(shè)置中解決這個問題，有待研究。

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