基于Creo Simulate進行彎曲成形工藝模擬

日照鋼鐵控股集團有限公司 崔恩海

上海交通大學材料科學與工程學院 宓寶江

一、概述

材料成形數(shù)值模擬是計算機輔助工程分析（CAE）技術(shù)在材料成形領(lǐng)域的具體應(yīng)用，其目的是借助仿真手段認識與掌握材料特性、成形方案、工藝參數(shù)、產(chǎn)品形狀、模面結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、工裝夾具以及載荷輸入等內(nèi)在、外在因素對材料成形質(zhì)量和工模具壽命的影響；同時，為縮短成形制品與成形模具的開發(fā)周期、減少物理試模次數(shù)、優(yōu)化成形工藝、選用成形設(shè)備、控制產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本提供定量或定性理論、數(shù)據(jù)支持。材料成形方式包括液態(tài)成形、固態(tài)（塑性）成形與粘流態(tài)成形以及連接成形等方式，本文就塑性成形中的彎曲工藝在Creo Simulate環(huán)境中的模擬過程進行必要的技術(shù)探討。

彎曲（如圖1所示）是將板料、棒料、管料和型材等彎曲成一定形狀及角度的零件成形方法，其加工零件種類很多，如V形件、U形件以及其它形狀。生產(chǎn)中因彎曲成形所用的模具和設(shè)備不同，形成各種不同的彎曲方法，如在壓力機上用模具進行的壓彎，在專用彎曲機上進行的折彎和滾彎，以及在拉彎設(shè)備上進行的拉彎等。

圖1

彎曲是沖壓成形的典型工藝之一，沖壓成形數(shù)值模擬是從板料變形的實際物理狀態(tài)及其規(guī)律出發(fā)，借助計算機技術(shù)真實反映模具與板料間的相互作用和實際變形的全過程，可以觀察實際變形中發(fā)生的任一特定現(xiàn)象，計算與板料實際變形過程相關(guān)的任一特定物理或幾何量，如預測起皺、破裂，計算毛坯尺寸、壓邊力和工件回彈，優(yōu)化界面潤滑、估計模具磨損等。彎曲工藝模擬不僅可以在專業(yè)的成形模擬軟件中進行，如DynaForm， AutoForm， PAM-STAMP，F(xiàn)astForm， FASTAMP（華中科技大學開發(fā)）， KMAS（吉林大學開發(fā)）等，也可以在通用CAE模擬軟件中進行，如Abaqus，ANSYS，LS-Dyna，Patran，Creo Simulate等。下面詳細介紹在Creo Simulate中模擬壓彎和折彎工藝的設(shè)置方法，其它彎曲方式可以參考進行。

二、Creo Simulate壓彎模擬

1.前處理

（1）壓彎模擬模型（如圖2所示）：薄板、凸模和凹模。

圖2

（2）模型理想化（如圖3所示）：采用2D平面應(yīng)變模型。

圖3

（3）約束與載荷（如圖4所示）：對于凹模，設(shè)置水平和豎直方向固定約束，對于凸模，設(shè)置水平方向固定約束，對于薄板，在底邊中點設(shè)置水平方向固定約束。載荷設(shè)置時沒有添加力載荷，而是設(shè)置了凸模豎直方向的強制位移。

圖4

（4）材料分配（如圖5所示）：由于壓彎模擬中關(guān)注的是薄板的變形，假定模具的變形忽略不計。設(shè)定模具材料為高硬度高強度鋼，設(shè)定薄板為彈塑性材料，定義其塑性屬性。

圖5

（5）網(wǎng)格化（如圖6、圖7所示）：網(wǎng)格控制考慮在凸模、凹模及薄板接觸邊界上設(shè)置節(jié)點數(shù)量；劃分單元網(wǎng)格類型有三角形和四邊形兩種。

（6）接觸定義（如圖8所示）：在凸模邊界與薄板的左上邊界、在凸模邊界與薄板的右上邊界、在凹模邊界與薄板的左下邊界、在凹模邊界與薄板的右下邊界之間分別定義接觸接口。

圖6

圖7

圖8

2.分析步

（1）定義分析時（如圖9所示），只能選擇約束集，載荷沒有定義不能選取，使用強制位移作用。使用非線性選項，包含接觸和塑性材料，選擇過盈配合選項。

圖9

（2）輸出選項設(shè)置用戶定義輸出步數(shù)（如圖10所示）。

圖10

3.結(jié)果后處理

（1）從摘要文件查看接觸力情況和應(yīng)力位移等物理量，以及運行時間等（如圖11所示）。

（2）從結(jié)果窗口查看彎曲變形動畫或者關(guān)鍵幀過程（如圖12所示）。

（3）從結(jié)果窗口查看某一步的應(yīng)力分布情況（如圖13所示）。

圖11

圖12

圖13

（4）從結(jié)果窗口查看接觸壓力分布和某一接觸的壓力曲線（如圖14所示）。

圖14

（5）從結(jié)果窗口查看工藝過程的位移矢量圖（如圖15所示）。

圖15

三、Creo Simulate折彎模擬

1.前處理

（1）折彎模擬模型（如圖16所示）包括：折彎機（包括底座、滑塊壓板）、薄板。

圖16

（2）材料設(shè)置（如圖17所示）：折彎機使用線性材料，高硬度、高強度。薄板設(shè)置為彈塑性材料，定義線性硬化屬性。

圖17

（3）網(wǎng)格控制與離散化（如圖18、圖19所示）：理想化類型為3D實體，根據(jù)需要定義網(wǎng)格單元尺寸限制，設(shè)置薄板零件棱柱單元控制。

圖18

圖19

（4）剛性連接和彈簧定義（如圖20～圖22所示）：折彎機工作時滑塊壓板繞著底座軌道轉(zhuǎn)動，壓迫薄板彎曲。為了定義底座固定約束和滑塊壓板的轉(zhuǎn)動約束，需要定義兩個剛性連接：底座中心基準點PNT4和旋轉(zhuǎn)孔圓柱面；底座一個端面中心基準點PNT1和滑塊壓板外側(cè)平面之間。

基準點PNT1和基準點PNT4之間定義一個延伸剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都非常大的彈簧，以模擬底座支撐軸效果。

圖20

圖21

圖22

（5）約束與載荷，約束主要是薄板和折彎機底座不能移動，包括：薄板端面法向固定平移約束（如圖23所示）；底座端面和薄板側(cè)面法向固定平移約束（如圖24所示）；底座內(nèi)孔中心基準點PNT4的平移、旋轉(zhuǎn)全部約束，再通過剛性約束傳遞到折彎機底座內(nèi)側(cè)孔柱面（如圖25所示）；載荷沒有直接施加力的形式，采取強制角度位移方式，在折彎機底座端面中心點PNT1處施加角度強制位移，平移全部約束。通過剛性連接驅(qū)動滑塊壓板旋轉(zhuǎn)，壓迫薄板折彎（圖26）。

圖23

圖24

圖25

圖26

（6）接觸定義（如圖27所示）：定義四個接觸模擬薄板和底座接觸面、滑塊壓板接觸面的狀態(tài)。薄板下表面與折彎機底座外圓柱面；薄板上表面分別與滑塊壓板的一個接觸面和兩個圓弧面。

圖27

2.分析步

（1）使用非線性選項（如圖28所示），包括幾何非線性（計算大變形選項）、材料非線性（塑性選項，薄板材料使用線性硬化材料模型），狀態(tài)非線性（接觸）。該分析綜合了上述三種典型的非線性方式，是一個非常典型的非線性實例，同時采取強制角度位移，傳遞折彎動力。

圖28

（2）輸出步數(shù)使用用戶定義方法，設(shè)置步數(shù)81（如圖29所示）。

3.結(jié)果后處理

（1）從摘要文件查看應(yīng)力情況和接觸壓力、接觸面積、運行時間等信息（如圖30所示）。

（2）從結(jié)果窗口查看折彎過程動畫或者關(guān)鍵幀折彎過程（如圖31所示）。

圖29

圖30

圖31

（3）從結(jié)果窗口查看某一步時的應(yīng)力分布以及側(cè)邊上的應(yīng)力分布曲線（如圖32所示）。

圖32

四、Creo Simulate彎曲工藝模擬應(yīng)用說明

針對特殊工藝開發(fā)的專業(yè)模擬軟件內(nèi)置了特殊工藝的專業(yè)設(shè)置和流程，使用操作方便，同時在輸入、輸出方面進行了全面、系統(tǒng)的定制，而且內(nèi)部包含了眾多用戶的經(jīng)驗積累和專業(yè)提升，是進行具體工藝模擬的首選工具。如果客戶沒有購買專業(yè)模擬軟件，又希望借助分析模擬手段提升優(yōu)化工藝設(shè)計，則可以利用已有的通用CAE軟件進行。

使用通用CAE軟件進行彎曲工藝模擬，不僅要熟悉彎曲成形工藝的原理、操作，明確在分析模擬定義中要進行的輸入輸出項；更要理解彎曲成形工藝屬于大變形彈塑性有限元范疇，在選擇通用CAE的分析模擬功能模塊時應(yīng)有的放矢，理論和實際相結(jié)合。同時要熟練使用通用CAE軟件中處理彎曲變形模擬所需要的測量定義、區(qū)域分割等工具，能夠?qū)⒐に嚹M目標完整地在軟件中再現(xiàn)?？傊?，使用Creo Simulate等通用CAE軟件模擬彎曲等特殊的成形工藝過程，不僅要進行特殊工藝的特殊環(huán)境要素設(shè)置，同時要求對數(shù)學、工藝學以及有限元理論等相關(guān)學科有所理解，這雖然在增加了工藝模擬設(shè)置難度，但同時也給工藝模擬提供了更為廣闊的工況設(shè)置空間。