【正文】 一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成型工藝和熱處理工藝。 C. C. Tai 和 H. YouMin 分析了模具間隙對圓簡形拉深的影響，他們通過建立更精確的方程來預(yù)測 LDR。作者考慮到液體速度、材料、潤滑條件、凹模半徑、液體壓力等因素。萬敏利用實驗的方法也研究了側(cè)壁起皺臨界條 件，不僅給出了波紋高度與周向長度的最大比值 (h /l )max 來判斷失穩(wěn)起皺的發(fā)生時刻，還給出了臨界成形力同成形高度的關(guān)系。起皺發(fā)生的位置也是起皺研究中的一個重要問題。軸對稱法蘭起皺發(fā)生在法蘭的外邊緣，并且呈現(xiàn)多處起皺，皺紋均勻呈波狀分布形態(tài)。根據(jù)拉深失穩(wěn)理論可以確定板料在不同應(yīng)力狀態(tài) (或應(yīng)變狀態(tài) )下，發(fā)生拉深失穩(wěn)時的極限變形 (或應(yīng)變強度 )以及板料性能對極限變形的影響。當相對凸緣直徑等于或小于該值，其極限拉深系數(shù)與圓筒件相同；當拉深材料與工件相對直徑一定，最大拉深力相應(yīng)的凸緣半徑小于工件的凸緣半徑時，增大相對凸緣直徑，極限拉深系數(shù)隨之明顯減小；一般來說，極限拉深系數(shù)隨相對工件直徑 d /t 增加 (或相對厚度減小 )而增大， df/d 越小越顯著，越大差異越小；當 df/d 2 時，模具圓角半徑對極限拉深系數(shù)有明顯影響，超過 2 以后， df /d 越大則影響 越小。同時作者推出工件直徑的影響，本質(zhì)上是壓邊力的影響。在大多數(shù) 沖壓方式下，毛坯的成形極限一般只單一地受破裂或起皺的限制，如脹形、擴孔等伸長類成形的成形極限主要受破裂的限制；而縮口、壓縮類翻邊等壓縮類成形的成形極限主要受起皺的限制 。對于圓錐形件的成形規(guī)律、變形特點等認識不夠深入，對其成形過程的分析還處 于實驗研究的基礎(chǔ)上，對其變形規(guī)律及其成形機理還停留在“脹形十拉深”復(fù)合變形的粗淺階段。尤 其是近年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，這類零件的生產(chǎn)和研究工作越來越受到各國有關(guān)學(xué)者的重視。傳統(tǒng)方法逐漸不再適應(yīng)先打工業(yè)發(fā)展的要求，在日益激烈的市場競爭中只有找到一種快速有效的設(shè)計方法，才能縮短設(shè)計周期，節(jié)約開發(fā)費用，降低廢品率。從知識運用的角度看主要依據(jù)經(jīng)驗和技藝，經(jīng)過反復(fù)修改參數(shù)，反復(fù)修改模具形狀來避免 缺陷的出現(xiàn)，造成產(chǎn)品開發(fā)過程的投資大，周期長。拉深具有生產(chǎn)效率高、加工成本低、材料利用率高、操作簡單、便于實現(xiàn)機械化與自動化等一系列優(yōu)點。 40 圖 418 不同運行步數(shù)的等效應(yīng)力圖 40 圖 417 網(wǎng)格劃分圖 23 圖 313 不同拉深高度等效應(yīng)力分布圖 6 圖 31 拉深件網(wǎng)格劃分 40 3 錐形件拉深缺陷分析 36 2 球底圓筒形零件拉深數(shù)值模擬 34 3 球形拉深件的數(shù)值模擬 26 第四章 不同回轉(zhuǎn)件拉深的數(shù)值模擬 24 4 材料改變對拉深影響的數(shù)值模擬 10 3 剛粘性有限元基本方程 10 1 剛粘性有 限元的發(fā)展 10 3 剛粘性有限元法 2 2 拉深成形極限 1 2 拉深件研究現(xiàn)狀 在拉深的過程中，這些條件的改變是如何影響拉深件的 ，當拉深高度不同時，應(yīng)力、應(yīng)變又會發(fā)生怎樣的變化；利用 DEFORM 進行有限元分析 為理論研究提供了依據(jù)和驗證。 本文的研究內(nèi)容和方向就是在拉深發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對在拉深工藝中研究不夠深入的地方，如 DEFORM 分析 中 拉深件的成形 和料厚變化等問題。拉深是板料沖壓成形中最典型、應(yīng)用最廣的一種成形工藝，在生產(chǎn)實際中，有很多要用到拉深工藝方法制造的零件。利用控制變量法進行分析影響拉深的因素，從而得出了改變 其中某個參數(shù)時，最終影響的是拉深過程中產(chǎn)生的力。 8 1 DEFORM_3D 軟件的介紹 12 2 迭代算法 14 1 引言 15 4 杯形件拉深的數(shù)值模擬 18 5 不同參數(shù)對拉深過程的影響 19 1 不同圓角半徑對拉深過程的影響 30 2 盒形件拉深成形機理 38 4 錐形拉深件的數(shù)值模擬 50 安徽工程大學(xué)機電學(xué)院 V 插圖清單 圖 11 成形極限圖 18 圖 36 材料的轉(zhuǎn)移 21 圖 310 不同摩擦因數(shù)有效應(yīng)力分布圖 3 表 31 杯形拉深件工藝參數(shù) 16 安徽工程大學(xué)機電學(xué)院 1 第一章 緒論 1 引言 板料 拉深成形是利用模具沖裁后得到的平板毛坯變成開口的空心零件的沖壓成形過程，它是板料沖壓加工中一種典型而且非常重要的工藝方法。所以工藝參數(shù)、工序數(shù)目與順序的確定及模具設(shè)計原則與方法等都不一樣。這里所說的“高度非線性”是指 拉深 中的三大非線性問題：幾何非線性問題，即 拉深 中板料的大位移、大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變所導(dǎo)致的非線性問題；物力非線性問題，又稱材料非線性問題，指沖壓中板料的彈塑性變形所引起的非線性問題；邊界非線性，即模具與工件的接觸、摩擦引起的非線性問題。文獻 [3][4]提出了盒形件多次拉深中變形區(qū)均勻變形理論及盒形件多次拉深中間毛坯形狀的確定方法等，為盒形件變形分析及工藝計算奠定了重要的理論基礎(chǔ)。在曲面類零件中，圓錐形零件是最基本的典型零件，其成形性能的研究是進行其它曲面零件研究的基礎(chǔ)。生產(chǎn)實際中，人力、物力的損失和浪費都較為嚴重。故在模具尺寸一定的情況下極限拉深系數(shù)與料厚之間不存在單調(diào)變化規(guī)律，并且存在使極限拉深系數(shù)最小的材料厚度；當材料一定，凸、凹模相對圓角半徑一定，摩擦系數(shù)一定，拉深極限取決于材料的相對厚度 t /D 和工件直徑 (凸、凹模尺寸 Rp 及 Rd )。摩擦系數(shù)大，則壓邊引起的摩擦力大，坯料滑過凹模圓角時由于坯料對凹模圓角的正壓力作用產(chǎn)生的摩擦力增大，兩者都使筒壁拉力升高，降低拉深極限。在 50 年代初， H. W. Swift 提出了塑性變形中的“分散性失穩(wěn)”理論， R. Hill 提出了“集中性失穩(wěn)”理論。 板料沖壓成形 (即靠模 )過程失控而產(chǎn)生起皺是影響板料成形過程順利進行的主要障礙之一，起皺 與破裂實質(zhì)上都是板料塑性變形不能穩(wěn)定進行的結(jié)果。從圖中的曲線可以看出，起皺的發(fā)生與消失從壓料到拉延成形有 4 次反復(fù)的過程，其中有一次發(fā)生的可能，這就是成形后期所形成的折皺，即圖中的 C 線。 在國外，有不少研究者包括力學(xué)研究者和工程應(yīng)用研究者都對起皺進行了研究，如 H. AmezianeHassani 和 K. W. Neale 利用虛功原理分析了起皺臨界狀態(tài)時經(jīng)緯向應(yīng)力、應(yīng)變各自之間的關(guān)系， ChuanTao Wang， Gray Kinze 和 TaylanAltan 利用 Hill 分叉理論和增量理論得出了在法蘭邊緣處的 臨界經(jīng)、緯向應(yīng)力及相應(yīng)應(yīng)變來判斷起皺發(fā)生的位置及相關(guān)應(yīng)力、應(yīng)變臨界值。 國外的學(xué)者與國內(nèi)在此方面的研究側(cè)重點有很大不同。 通過理論分析的方法來研究 r 、 n、摩擦系數(shù)、凹凸模圓角半徑對圓筒拉深的影響。但其只能分析平面問題和軸對稱問題，并且沒有考慮非等溫成形的熱傳導(dǎo)問題和加工設(shè)備形式，也沒有網(wǎng)格重劃分功能。DEFORM 專為大變形問題設(shè)計了一個全自動的、優(yōu)化的網(wǎng)格再劃分系統(tǒng)。 DEFORM 用來分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴散之間復(fù)雜的相互作用，各種現(xiàn)象之間相互耦合。小變形彈塑性有限元法以小變形理論為基礎(chǔ)，忽略微元的局部變形，并認為唯一與應(yīng)變呈線性關(guān)系，只適合分析金屬塑性成形的初期。但是，由于忽略了彈性變形，這類有限元法不能處理卸載問題和計算殘余應(yīng)力、參與應(yīng)變以及回彈。 3 剛粘性有限元法 1 剛粘性有限元的發(fā)展 金屬塑性成形領(lǐng)域中的有限元法大致可分為兩類：固體列式（包括彈塑性有限元和彈 粘塑性有限元）和流動列式（包括剛塑性有限元和剛 粘塑性有限元）。 2 剛粘塑性有限元法應(yīng)用 在有限元法應(yīng)用于金屬塑性成性樹脂模擬過程中，根據(jù)模擬對象的變形特點，建立合理的理論模型，選擇適宜的求解方法時模擬過程成功與否及模擬結(jié)果是否可信的關(guān)鍵所在。 在各種數(shù)值模擬技術(shù)中，有限元法是罪十余熱變形過程分析的數(shù)值模擬方法，它不僅能很好的處理熱變形過程中的傳熱問題，而且能很好的描述變形區(qū)域的不一致性及其組織變化的不等時性和多樣性，這就增加了熱變形過程數(shù)值模擬的難度。 許實寶 ： 杯形件拉深工藝設(shè)計 12 4 剛粘塑性有限元模擬的關(guān)鍵技術(shù) 毛坯件在拉深時，影響其拉深因素有很多，其中包括溫度、毛坯材料、摩擦因數(shù)、 拉深 力、刃口圓角，拉深間隙等為主要的因素。 2 迭代算法 迭代算法選取的好壞直接影響到計算的精度和速度。 在一般金屬塑性成形問題中，塑性變形區(qū)有些部位的有效應(yīng)變值達到或超過2，尤其是在模擬金屬體積成形時，毛坯經(jīng)過一系列的中間變形后，其形狀簡單安徽工程大學(xué)機電學(xué)院 13 的坯料會轉(zhuǎn)變成形狀復(fù)雜的拉深件。但實際上，壓力加工中的摩擦狀態(tài)受很多因素的影響，尤其是在潤滑的條件下，摩擦狀態(tài)更趨于復(fù)雜化。 在圓筒形零件研究成果的基礎(chǔ)上，研究工作者也對盒形件進行了大量的研究，業(yè)己取得了突破性的進展。 數(shù)值模擬拉深件其工藝參數(shù)如表 31 所示： 表 31 杯形拉深件工藝參數(shù) 坯料材料 模具材料 摩擦因數(shù) 上模速度 mm/s 坯料直徑 mm AISI1035，COLD T10A 1 77 安徽工程大學(xué)機電學(xué)院 15 a、初始毛坯圖 b、 最終拉深圖 圖 31 拉深件 網(wǎng)格劃分 3 拉深件工藝參數(shù)分析 1 摩擦因子 根據(jù) 文獻 [1]， 圖 32 所示不同摩擦因子載荷 行程曲線圖。 凸模圓角半徑過小時，毛坯在此處的彎曲變形程度增加，危險斷面 強度過多的被削弱，故拉深極限系數(shù)應(yīng)取大值。從 圖 32 中的載荷 形成曲線來看，在 其它 模擬條件不變的情況下，隨著摩擦因子的增加，成形載荷增加。由于還沒有從本質(zhì)上搞清楚圓錐形零件的變形規(guī)律、成形機理、極限變形程度等問題，所以在生產(chǎn)實際中，沖壓工藝的制定、模具的設(shè)計、原材料的要求等許多方面都存在著較大的盲目性。 （ 2） 剪切摩擦模型 fs=mK 式中： K剪切屈服應(yīng)力， m摩擦因子， fs摩擦力。網(wǎng)格再劃分一般可以分為兩個步驟：先進行網(wǎng)格的重新劃分；之后將原來網(wǎng)格系統(tǒng)計算出的信息全部轉(zhuǎn)換到新劃分的網(wǎng)格系統(tǒng)上來。其中 NewtonRaphson 法相