基于JSTAMP/NV的沖壓模具變形分析

許劍　林滔

摘要： 隨著高強(qiáng)度鋼在汽車車身上的廣泛應(yīng)用，沖壓模具結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題也日益突出.采用JSTAMP/NV和HyperMesh，對(duì)沖壓成形和模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行解耦有限元分析，研究模具各部件在成形過(guò)程中的應(yīng)力分布規(guī)律和變形結(jié)果.結(jié)果表明：最大等效應(yīng)力發(fā)生在曲率比較大的區(qū)域，而且不一定發(fā)生在模具的最終閉合階段.該分析結(jié)果為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具疲勞校核提供參考.在沖壓成形仿真過(guò)程考慮模具結(jié)構(gòu)變形的影響，結(jié)果顯示模具結(jié)構(gòu)的變形對(duì)材料的流入有很大影響，最終影響制品的成形精度.

關(guān)鍵詞： 高強(qiáng)度鋼； 模具結(jié)構(gòu)； 模具變形； 沖壓仿真； 接觸力映射

中圖分類號(hào)： TG386.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Analysis on deformation of stamping die based on JSTAMP/NV

XU Jian， LIN Tao

（Institute of Industry Technology， Guangzhou & Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 511458， China）

Abstract： With the wide application of highstrength steel in automobile body， the issue of die deformation becomes prominent. Using JSTAMP/NV and HyperMesh， the decoupling finite element analysis is performed on the stamping process and die structure， and the stress distribution and deformation results of the die components during the forming process are studied. The results show that the maximum equivalent stress occurs in the region with large curvature， and do not necessarily occur in the final closure of the die. The analysis results provide reference for the optimization of die structure design and die fatigue check. The effect of die structure deformation is considered in the process of stamping， and the results show that the deformation of the die structure has a great influence on the material flow and ultimately affect the forming accuracy of the products.

Key words： highstrength steel； die structure； die deformation； stamping simulation； contact force mapping

0引言

隨著汽車的輕量化，高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼被大比例應(yīng)用于車身件上.然而，高強(qiáng)度鋼的大量使用給汽車模具設(shè)計(jì)、制造和使用帶來(lái)諸多問(wèn)題.高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度比傳統(tǒng)低強(qiáng)度鋼有很大的提高，而且高強(qiáng)度鋼板的硬度是傳統(tǒng)低強(qiáng)度鋼板的4～5倍，因此模具失效和非正常損毀變得越來(lái)越頻繁，如：模具強(qiáng)度不夠造成壓裂，模具變形導(dǎo)致零件精度下降和生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定，模具磨損嚴(yán)重，以及壽命變低等.[12]目前的模具設(shè)計(jì)基本上是在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上選擇更好的模具材料或增大模具尺寸，這樣必然導(dǎo)致材料的浪費(fèi)，以及制造成本和搬運(yùn)成本的增加，因此，模具的受力變形分析變得十分必要.

采用傳統(tǒng)的彈塑性模型有限元法分析耦合模具變形和沖壓成形，有限元模型增大，通常的計(jì)算機(jī)設(shè)備很難支撐，分析時(shí)長(zhǎng)也很難被設(shè)計(jì)人員接受.本文借助JSTAMP/NV軟件的模具變形分析模塊，快速實(shí)現(xiàn)模具變形分析以及考慮模具變形的沖壓成形分析.

1JSTAMP/NV模具變形分析關(guān)鍵技術(shù)

1.1JSTAMP/NV介紹

JSTAMP/NV是由日本JSOL公司開(kāi)發(fā)的基于LSDYNA求解器的板材沖壓成形仿真軟件包，可以很方便地進(jìn)行多模具、多工序的復(fù)雜沖壓工序設(shè)置，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)加工各因素的影響，參數(shù)設(shè)定集成JSOL公司為各大企業(yè)提供咨詢的經(jīng)驗(yàn).[3]

JSTAMP/NV模具變形分析功能是軟件的高級(jí)模塊，包含接觸力映射變換和位移映射變換，可實(shí)現(xiàn)沖壓成形和模具變形的解耦分析.

1.2接觸力映射變換

接觸力映射變換是實(shí)現(xiàn)沖壓成形和模具變形解耦分析的關(guān)鍵技術(shù).由于板料成形數(shù)值模擬要求模具盡可能貼合模具成形模面，包括很多細(xì)小的、對(duì)成形性影響較大的幾何特征，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)，細(xì)小特征處網(wǎng)格較密.對(duì)于模具結(jié)構(gòu)分析，為保證分析精度，體單元的網(wǎng)格盡量保持均勻，同時(shí)為減少單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量，模具上的一些細(xì)小特征會(huì)被忽略.[4]用于板料成形分析的模面網(wǎng)格和用于模具結(jié)構(gòu)分析的體單元外表面拓?fù)湫畔⒑凸?jié)點(diǎn)坐標(biāo)可能不同，需要將板料成形分析得出的板料與模具之間的接觸力施加到用于結(jié)構(gòu)分析的模具體單元表面節(jié)點(diǎn)上.

接觸力映射變換是通過(guò)將沖壓結(jié)果殼網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的力投影到結(jié)構(gòu)分析的體網(wǎng)格表面上，然后通過(guò)數(shù)值插值方法得到體單元上的載荷力.[5]

1.3位移映射變換

通過(guò)模具結(jié)構(gòu)分析，得到模具的變形結(jié)果.為提高仿真精度，需要在沖壓仿真模型中考慮模具變形結(jié)果的影響.位移映射變換是將結(jié)構(gòu)分析得到的體單元表面節(jié)點(diǎn)位移量投影并插值，得到變形后的沖壓模面.

2模具變形案例分析

2.1分析流程

模具變形分析流程見(jiàn)圖1.通過(guò)JSTAMP/NV沖壓分析，可以輸出每一時(shí)間步模具與板料的接觸力（d3intf）文件.利用JSTAMP/NV模具變形分析中的接觸力映射變換，把單一時(shí)間步的接觸力映射到體單元網(wǎng)格上，并施加邊界條件和計(jì)算控制信息.采用LSDYNA進(jìn)行求解計(jì)算，得到模具變形結(jié)果.利用JSTAMP/NV模具變形分析中的位移映射變換，把模具的變形結(jié)果映射到?jīng)_壓分析的殼單元上.導(dǎo)出殼單元網(wǎng)格，用于沖壓分析.

2.2有限元模型

利用HyperMesh對(duì)模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用四面體單元，網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2a.上模、凸模和壓邊圈材料為FCD600，下模座材料為FCD300，采用彈塑性材料模型，并根據(jù)實(shí)際工況添加節(jié)點(diǎn)約束以及計(jì)算控制關(guān)鍵字.在JSTAMP/NV中建立沖壓仿真模型，見(jiàn)圖2b，零件材料為HS590，板厚為0.8 mm，壓邊力為30 t，摩擦因數(shù)為0.15.計(jì)算自動(dòng)輸出每一個(gè)時(shí)間步的模具接觸力文件d3intf數(shù)據(jù).通過(guò)JSTAMP/NV模具變形功能把d3intf每一步的數(shù)據(jù)分別加載到模具體單元上，采用LSDYNA隱式求解，得到?jīng)_壓分析每一時(shí)間步的模具變形結(jié)果.a）實(shí)體單元模型

b）沖壓模型

2.3仿真結(jié)果

沖壓的運(yùn)動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖3.工具與坯料的接觸區(qū)域隨成形位置的變化而變化.從截面的運(yùn)動(dòng)結(jié)果可知：壓邊過(guò)程中，4個(gè)角處有折彎成形，所以在壓邊圈與凹模閉合的過(guò)程中，4個(gè)角處有較大的接觸作用；下模與坯料的接觸區(qū)域主要發(fā)生在R角以及凸臺(tái)特征區(qū)域，而上模在快到下死點(diǎn)（5 mm）附近才與坯料有接觸，對(duì)應(yīng)的壓邊圈和下模接觸區(qū)域分布見(jiàn)圖4和5.

將每一時(shí)間步的接觸力通過(guò)JSTAMP/NV模具變形模塊功能映射到模具體網(wǎng)格表面上當(dāng)作外載荷，在模具運(yùn)動(dòng)的每個(gè)位置進(jìn)行靜載分析.沖壓下死點(diǎn)時(shí)刻，模具的接觸應(yīng)力映射變換結(jié)果見(jiàn)表1.在模具結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)時(shí)，本例上下模以及壓邊圈采用統(tǒng)一的上?；鶞?zhǔn)，沒(méi)有偏置一個(gè)料厚，所以在映射時(shí)，節(jié)點(diǎn)上的總接觸力有較大差異，可以通過(guò)手動(dòng)修改接觸力縮放的倍率調(diào)整最終的映射結(jié)果.在本例中，保持原始的映射結(jié)果.

凹模和凸模閉合時(shí)，模具的最大等效應(yīng)力和變形結(jié)果見(jiàn)圖6和7.最大應(yīng)力分布在曲率較大的區(qū)域，該區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中.凹模、凸模和壓邊圈的最大等效應(yīng)力分別為187.2，236.0，和251.0 MPa.壓邊圈的變形比較大，有0.07 mm.從仿真的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，最大的等效應(yīng)力不一定發(fā)生在模具的最終閉合位置.在本案例中，壓邊過(guò)程存在局部折彎成形，所以在壓邊圈閉合階段（離下死點(diǎn)40 mm），出現(xiàn)比較大的等效應(yīng)力.

a）截面位置

b）SEC1離下死點(diǎn)60.0 mm

c）離下死點(diǎn)50.0 mm

d）離下死點(diǎn)10.0 mme）離下死點(diǎn)5.0 mmf）離下死點(diǎn)2.5 mmd）離下死點(diǎn)1.0 mm圖 3沖壓過(guò)程仿真

Fig.3Simulation on stamping process

a）離下死點(diǎn)60 mm

b）離下死點(diǎn)50 mm

不同材料時(shí)模具的最大等效應(yīng)力值見(jiàn)表2.仿真分別采用270，590和780 MPa抗拉強(qiáng)度的材料，結(jié)果表明：隨著材料抗拉強(qiáng)度的提升，模具的受力顯著增大；本例中，上模到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)，凸模局部應(yīng)力急劇加大，材料抗拉強(qiáng)度越大，凸模應(yīng)力集中更加明顯.a）離下死點(diǎn)10.0 mmb）離下死點(diǎn)5.0 mmc）離下死點(diǎn)2.5 mmd）離下死點(diǎn)1.0 mm圖 5下模的接觸分布

沖壓過(guò)程考慮與不考慮模具變形時(shí)，材料流入的區(qū)別見(jiàn)圖8.當(dāng)考慮模具變形時(shí)，在xy面內(nèi)，上邊的材料流入明顯比下邊的多，原因是由于模具變形導(dǎo)致坯料壓邊接觸存在差異，上邊的間隙偏大，所以材料從上邊流入的更多.

3結(jié)論

借助JSTAMP/NV模具變形分析模塊，對(duì)沖壓仿真和模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行解耦分析，可快速得到模具結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和變形結(jié)果.

通過(guò)模具變形分析結(jié)果可以看出，模具最大等效應(yīng)力不一定發(fā)生在最后階段，隨著制品材料抗拉強(qiáng)度的提高，模具受力明顯變大，在校核模具結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)該考慮成形整個(gè)過(guò)程的受力情況.

由考慮模具變形的沖壓仿真結(jié)果可知：模具變形會(huì)造成工具閉合時(shí)不同區(qū)域的間隙不在一個(gè)料厚，所以坯料壓邊時(shí)的受力分布不均勻，從而導(dǎo)致材料的流入存在比較大的差異，最終影響到成形精度.參考文獻(xiàn)：

[1]陳亮， 陳軍， 張貴寶， 等. 高強(qiáng)度鋼板拉深模具結(jié)構(gòu)有限元分析與試驗(yàn)研究[J]. 塑性工程學(xué)報(bào)， 2008， 15（2）： 425.

CHEN L. CHEN J， ZHANG G B， et al. Reaearch of finite element modeling & experiment of the die structure for highstrength steel sheet metal stamping[J]. Journal of Plasticity Engineering， 2008， 15（2）： 4245.

[2]范樂(lè). 先進(jìn)高強(qiáng)鋼沖壓模具的疲勞分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 長(zhǎng)沙： 湖南大學(xué)， 2014.

[3]李彥波， 劉紅武. 基于Jstamp/NV的數(shù)值模擬技術(shù)在汽車車身件成形中的應(yīng)用[J]， 模具制造， 2011（10）： 46. DOI： 10.3969/j.issn.16713508.2011.10.014.

LI Y B， LIU H W. Application of numerical simulation based on JSTAMP/NV in stamping process of auto body parts[J]. Die & Mould Manufacturing， 2011（10）： 46. DOI： 10.3969/j.issn.16713508.2011.10.014.

[4]張貴寶. 高強(qiáng)度薄板拉深模具結(jié)構(gòu)分析關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2008.

[5]陳亮. 高強(qiáng)度鋼沖壓模具受力分析有限元模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2008.

（編輯武曉英）