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不锈钢板冲压成型过程的有限元模拟原思宇,张立文,王宇挺,吕成,陈磊,王富岗 大连理工大学材料工程系

不锈钢板冲压成型过程的有限元模拟 Finite element simulation in stainless steel sheet forming process

原思宇,张立文,王宇挺,吕成,陈磊,王富岗 (大连理工大学材料工程系

摘要:基于弹塑性有限元变形理论,采用有限元软件MSC.Marc建立不锈钢板材冲压成型过程有限元模型。分析了变形过程中应变、厚度和摩擦力的分布情况以及凸凹模间隙尺寸对成形过程的影响。通过板材法兰形状的模拟结果与实验结果进行的比较证实了模型的可靠性和可行性。

关键词:不锈钢冲压成型有限元 MSC.Marc

Abstract:Based on the elastic-plastic finite element method, a finite element model has been used to simulate the forming process of stainless steel sheet by the FE software MSC.Marc. The model has been used to analyze the strain, thickness of element and contact friction force distribution. And the gaps between blank and die filleted affects the forming process has been analyzed. Comparison between theoretical and experimental results of the flange shape shows the security and the feasibility of the model.

Key words: stainless steel,sheet metal forming,finite element,MSC.Marc 1 概述

金属板料成形是利用冲压模具使金属薄板发生塑性变形生产薄壳零件的一种塑性成形工艺。传统的板材冲压工艺要经过模具设计—反复冲压实验、修改模具-定

型、实际生产一系列复杂的过程。这种过程耗费大量的人力、物力、财礼,而且由于周期较长、增加成本,已经不适合当今社会小批量、快速、低成本的生产模式。板材成形过程是多重非线性的复杂变形过程,采用有限元法模拟板材成形过程可以减少试模时间,缩短产品开发周期,降低产品的开发费用[1]。目前,板材成形的数值模拟方法已经受到广泛的重视,并且正在逐步实现实际生产中的模具设计、冲压过程模拟、缺陷的预防及分析等[2]。对于U形和盒形类的简单冲压成形过程的数值模拟已进行了较多的研究[3-4],而对复杂冲压件成形过程的数值模拟[5]研究进行的较少。本文采用大型有限元分析软件包MSC.Marc对不锈钢板水槽冲压成型过程进行了模拟,模型考虑了板材的回弹过程。对模拟结果的分析考察了板材在冲压成型过程中的应变分布、板材厚度变化与分布以及摩擦力的分布情况,讨论了凸凹模间隙大小对板材冲压过程的影响。通过比较板材边缘的模拟结果与实验结果,证明了模型的可靠性与可行性。

2 有限元模型的建立 2.1 基本模型的建立

不锈钢水槽制件图如图1所示。在冲压过程中,压边圈将不锈钢板料压在凹模上,压边通过给定压边力实现。板料随着冲头的匀速向下运动被压入型腔。卸载后,冲头与板料间的接触消失,板材经回弹后得到最后形状。采用MSC.Marc软件绘制模型,模具、毛坯有限元网格图如图2所示。为了简化模型缩短计算时间,根据水槽结构沿中线左右对称、受力和变形也沿中线对称的特点,在取其1/2创建有限元模型。材料参数如表1所示。模具采用刚性体,不可变形。板料与凸模间的摩擦系数为0.3,与凹模间的摩擦系数为0.1。考虑到板料在拉延过程中发生大位移,因而采用更新的拉格朗日法和网格自适应技术。

表1 材料参数

材料弹性模量(GPa 屈服点(MPa应力、应变关系式(MPa 板厚(mm STS304BA 292.95 287.4 4923

.0 σ=0.8 3. 1560ε

图1 不锈钢水槽制件图图2 模具、毛坯有限元模型 2.2 板壳单元

板材定位为可变形体。由于板材厚度仅为0.8mm,且板厚与产品的曲面曲率半径相比很小,因而采用双线性四边形壳单元。双线性四边形壳单元具有两个自由度,分别是体位移和转动。并且在几何特性定义中输入壳单元的厚度。

2.3 回弹过程的处理

材料的冲压成形卸载后,回弹是不可避免的现象。由于不锈钢材料塑性变形后的回弹较大,如果忽略将对模拟结果产生一定程度的影响。因此在建立模型过程中加入对回弹过程的模拟。模型中回弹的实现是当冲压件达到成形要求时,计算此时各结点所受外力大小,然后将这些外力卸除,此时要分步进行卸载,以保证真实的回弹数值模拟。由于回弹是伴随卸载过程而发生,因此回弹的计算类似于成形的计算,采