【正文】 又檢查主節(jié)點(diǎn)對(duì)從面的穿透，代價(jià)是兩倍左右的 計(jì)算時(shí)間。若為普通接觸，接觸只在殼單元的法向方向發(fā)生。在這些接觸類型中，模具無需網(wǎng)格貫通，因此減小了接觸定義的復(fù)雜性，但模具網(wǎng)格的方向必須一致，在接觸分析中，由于問題的復(fù)雜性，判斷接觸發(fā)生的方向有時(shí)是很困難的，因此分析中應(yīng)盡量使用自動(dòng)接觸。 接觸條件和加載 DYNAFORM 中有 9 種不同的接觸類型，要選擇合適的接觸類型來描述實(shí)際的物理系統(tǒng)，為了選擇合適的接觸類型，往往需要對(duì)接觸方式和算法有深入的理解。所以需在每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上施加砂漏控制力，在一般情況下能得到與 HL 單元較為一致的計(jì)算結(jié) 果。 BT 單元是對(duì) HL 單元計(jì)算效率的一種修正，它由于采用了基于隨動(dòng)坐標(biāo)系的應(yīng)力計(jì)算方法，有很高的計(jì)算效率?；贛indlin 板殼理論的 HuηhesLiu 單元 (HL 單元 )和 BelytschkoTsay 單元 (BT 單元 )，由于在單元節(jié)點(diǎn)上存在獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，單元構(gòu)造比較容易，而且可以很好地分析成形過程中的彎曲、起皺及回彈問題，所以是目前使用的最為普遍和成功的兩種殼單元。目前 最常用的是四節(jié)點(diǎn)四邊形薄殼單元，其算法有兩種，即 HuηhesLiu 算法和 BelytschkoTsay 算法。 Kirchhoff 殼單元需要構(gòu)造 C1 連續(xù)的插值函數(shù)，對(duì)于三維問題，單元構(gòu)造困難，格式復(fù)雜，它忽略了橫向剪切變形的影響，對(duì)中厚殼的計(jì)算誤差較大。能模擬彎曲效應(yīng)的只有殼元和實(shí) 體元，但實(shí)體單元由于板厚小易引起剛度矩陣的奇異，往往要求單元?jiǎng)澐州^密，導(dǎo)致計(jì)算量過大，所以目前廣泛采用殼單元。 圖 22 加油盒零件網(wǎng)格劃分結(jié)果 表 23 各模型節(jié)點(diǎn)和單元統(tǒng)計(jì)列表 統(tǒng)計(jì)指標(biāo) Die Blank Punch 節(jié)點(diǎn)數(shù) 6581 3377 4270 總單元數(shù) 6691 3308 4381 四邊形單元數(shù) 5382 2693 3687 三角形單元數(shù) 1017 615 694 三角形單元所占比例 % % % 單元類型選擇 用于板料成形分析的有限元類型有膜元、殼元、實(shí)體元等。 圖 22 加油盒零件網(wǎng)格劃分結(jié)果 是 板 坯模型曲面 在 dynaform 中有限元網(wǎng)格劃分的結(jié)果，模具因?yàn)槭莿傮w不會(huì)產(chǎn)生變形為主動(dòng)面，網(wǎng)格劃 分疏密程度較粗， 板坯 為成形分析對(duì)象為從動(dòng)面，因此網(wǎng)格疏密程度相對(duì)模具要高。劃分的有限元網(wǎng)格應(yīng)該盡可能的保證反映出原曲面模型的形狀特征，單元的數(shù)目必須控制在一定的范圍內(nèi)，因?yàn)閱卧獢?shù)目過多會(huì)造成計(jì)算時(shí)間過長和效率降低。 圖 21 通 過 solidworks 對(duì)加油盒進(jìn)行建模 材料參數(shù) 加油盒零件所選用的材料為不銹鋼 304，其 材料 物理性能 參數(shù)如 表 22 不銹鋼 304 的物理性能 所示。 表 21 各參數(shù)加載范圍 參數(shù) 摩擦系數(shù) 壓邊力 拉深 次數(shù) 沖壓速度 數(shù)值范圍 10kN30kN 23 8m/s 有限元數(shù)值模擬 幾何模型 數(shù)值模擬中的加油盒零件屬于曲面模型，而毛坯屬于平面圖形，通過對(duì)加油盒零件實(shí)體 臨摹，并在三維軟件 solidworks 中進(jìn)行建 模 ，將模型導(dǎo) 成所需曲面模型的 IGES 交換格式文件，然后讀入到數(shù)值模擬軟件中。 由于加油盒零件不屬于規(guī)則零件，一般的公式無法適用于它，因此， 本節(jié) 通過參考相關(guān)文獻(xiàn)以及工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際情況 給出各個(gè)參數(shù)恰當(dāng)?shù)募虞d范圍，也為后期優(yōu)化這些工藝參數(shù)提供了合理的變量取值區(qū)間。 2 板料拉深成形數(shù)值模擬理論基礎(chǔ) 拉深成形工藝參數(shù)的確定 在 板料拉深 成形過程中要想得到 變薄率較小符合工業(yè)生產(chǎn)要求 ，沒有缺陷的理想制品，必須確定出 拉深成形 主要工藝參數(shù)的合理 取值范圍。 課題研究目的及意義 此次研究試驗(yàn)的結(jié)果將會(huì)對(duì)汽車加油盒的工業(yè)生產(chǎn)有很大的幫助，在汽車加油盒以及其他復(fù)雜零件的 生產(chǎn)中 ， 對(duì) 這些 零件的工藝設(shè)計(jì)仍然采用類比方法，依靠定性分析、物理模擬加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，理論分析嚴(yán)重 滯后。 圖 13 加油盒起皺實(shí)體圖 圖 14 加油盒破裂實(shí)體圖 研究內(nèi)容 本課題 名稱為加油盒沖壓成形數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容就是 通過采用塑性有限元法（ FEM），利用先進(jìn)成熟的美國 eta 公司的 Dynaform 軟件對(duì)汽車加油盒沖壓成形進(jìn) 行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬 ，在不發(fā)生質(zhì)量缺陷的情況下，探究各拉深成形工藝參數(shù)對(duì)于 汽車 加油盒 零件 沖壓成形結(jié)果的影響，找出 并總結(jié) 具體影響的規(guī)律，繪制出曲線圖，并 同時(shí) 參考理論計(jì)算以及試驗(yàn)分析結(jié)果 設(shè)計(jì)出該模具 。這兩種都屬于質(zhì)量缺陷，一旦出現(xiàn)，就會(huì)使得零件無法使用。而且，在有限元的使用逐漸普遍的情況下，對(duì)加油盒零件的模擬分析比較少也不夠全面，希望能通過本次試驗(yàn)研究，為加油盒模擬研究進(jìn)一份微薄之力。 盡管如此，國內(nèi)對(duì)汽車加油盒的研究還是比較的少，而且比較簡單，很多成形參數(shù)和工藝參數(shù)分別對(duì)成形的具體影響方面，還是需要 我們 去研究 去 探索。 2021 年，重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的李紅對(duì)汽車加油盒成形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 1985 年，北京工業(yè)大學(xué)鍛壓教研室的叢元、孫政元、黃乃強(qiáng)、朱永豪等人首次利用了彈塑性有限元分析法對(duì)非軸對(duì)稱拉延過程進(jìn)行了分析。這大大的提高了生產(chǎn)效率，保證了工件的質(zhì)量，減少了耗材，縮短了產(chǎn)品周期，對(duì)模具行業(yè)有非常重要的意義。 圖 12 汽車加油盒實(shí)體零件 近些年來，隨 著 CAD/CAE/CAM 技術(shù) 的不斷進(jìn)步發(fā)展，沖壓模具及其工藝設(shè)計(jì)已經(jīng)突破并逐漸取代了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 單邊拉深高度很大，因此在拉深過程中，變薄率對(duì)加油盒零件來說很重要，而且當(dāng)變薄率過大時(shí)， 容易造成加油盒零件破裂的情況。其前處理和后處理等模塊功能強(qiáng)大，操作簡單，受力和應(yīng)力情況清晰易懂，而且可以直接導(dǎo)入絕大部分主流 CAD、 CAE 數(shù)據(jù)格式，如 IΗES、 STL、 UΗ、 CATIA、 PRO/E、AUTOCAD 等，鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，選擇 dynaform 作為本次研究實(shí)驗(yàn)所用的軟件。 Dynaform 能夠幫助工程技術(shù)人員減少?zèng)_壓產(chǎn)品開發(fā)周期，解決模具設(shè)計(jì)中所關(guān)心的可成形性、起皺、回彈、壓痕以及壓力機(jī) 噸位預(yù)測(cè)等問題，是高效的板金成形仿真工具。 DFE 模塊中包含了一系列基于曲面的自動(dòng)工具，如沖裁填補(bǔ)功能、沖壓方向調(diào)整功能以及壓料面與工藝補(bǔ)充生成功能等，可以幫助模具設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。 （ 2） BSE（ 板料尺寸計(jì)算 ） 模塊 ：其模塊功能主要是 采用一步法求解器，可以方便地將產(chǎn)品展開，從而得到合理的落料尺寸 。 ）等多個(gè)特點(diǎn)， 是當(dāng)今流行的板料成形與模具設(shè)計(jì)的 CAE 工具之一。 而 本次模擬研究試驗(yàn) 所 使 用的 有限元模擬軟件 是美國 ETA 公司和 LSTC 公司 聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形數(shù)值模擬的專 用軟件 dynaform 來進(jìn)行對(duì)加油盒零件模擬成形。隨 著汽車制造業(yè)地不斷發(fā)展，人們碰到的問題越來越多，雖然問題都逐漸被一一解決，但是，由于汽車零件種類繁多，有些相對(duì)來說不太重要的零件還存在著許多問題還沒有解決，研究領(lǐng)域還是存在部分的空白，比如像汽車加油盒。 2021 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張凱峰采用剛粘塑性本構(gòu)關(guān)系，開發(fā)了粘塑性板殼成形有限元分析程序，并對(duì)方盒的超塑成形進(jìn)行了分析；李順平采用剛塑性本構(gòu)關(guān)系，對(duì)方盒形件的拉延成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。 （ 3） 關(guān)于軸對(duì)稱形狀的零件件 軸對(duì)稱零件，形狀左右對(duì)稱，如圓筒形件、方盒形件等。 1984 年，Wang 用剛塑性有限元法對(duì)速率敏感材料的成形問題進(jìn)行了分析。 （ 2） 關(guān)于剛塑性有限元法 1973 年， Kabayashi 采用剛塑性有限元法模擬了板料沖壓成形過程。 1989年， Nonecker用顯式分析方法模擬了加油盒的成形過程。 1985年， Makinouchi用彈塑性有限元法分析了彎曲和修邊過程。一般情況下，彈塑性有限元適用于分析板料成形如拉延、彎 曲、縮口等工藝，剛塑性、剛粘塑性有限元適用于分析擠壓、鍛造、壓印、軋制等大變形的體積成形問題。 自有限元分析誕生以來，不斷地被研究人員用于研究成形技術(shù)中，其中金屬成形數(shù)值模擬就是一個(gè)方面。 在有限元的理論和算法不斷完善下以及計(jì)算機(jī)技術(shù)普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域都被廣泛地使用，而且已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)為這幾個(gè)方面： （ 1） 增加產(chǎn)品和工程的可靠性； （ 2） 在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題 （ 3） 經(jīng)過分析計(jì)算，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低原材料成本 （ 4） 縮短產(chǎn)品投向市場(chǎng)的時(shí)間 （ 5） 模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi) 有限元分析法在不同條件下的分析情況 有限 元分析方法是目前金屬模擬成形 方法中最為廣泛的分析方法。 最后 參考理論計(jì)算以及 分析 試驗(yàn) 的 結(jié)果， 設(shè)計(jì) 出模具， 繪制出裝配圖， 為汽車加油盒工業(yè)生產(chǎn)做理論基礎(chǔ)。 分析 試驗(yàn)表明，壓邊力對(duì)于汽車加油盒的成形影響最大，壓延筋其次，摩擦系數(shù)最弱。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 加油盒沖壓成形數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì) Numerical Simulation and design of Box Filler Stamping 姓 名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 07 機(jī)制 2 班 指導(dǎo)教師 分 院 機(jī)電與能源工程分院 完成日期 2021 年 5 月 30 日 寧波理工學(xué)院 摘要 本文主要 介紹了有限元分析法， 通過使 用有限元分析軟 件 dynaform 對(duì) 非軸對(duì)稱零件汽車加油盒 沖壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬。 通過對(duì)照模擬結(jié)果，用 正交試驗(yàn)法分析并總結(jié)出壓延筋、壓邊力和摩擦系數(shù)對(duì)成形的影響規(guī)律。 通過對(duì)汽車加油盒單因素影響分析，可以得出：當(dāng)壓邊力、壓延筋和摩擦系數(shù)參數(shù)值分別為 20210N、設(shè)置壓延筋和 時(shí)，零件最終成形的效果最好。 關(guān)鍵詞： 有限元分析法，汽車加油盒， 板料成形，數(shù)值模擬，工藝參數(shù)影響規(guī)律 Abstract This research introduced FEM, and used FEM software dynaform to finish Numerical Simulation of Box Filler Stamping. Controlling the result of Numerical simulation, I used Orthogonal test to analysis them, and summary the law which Draw bead, BHF and Friction coefficient affect box filler stamping. In the end, I referenced result of research to design the mould for box filler production. Key words: FEM, box filler, sheet metal forming, numerical simulation, process optimization 目錄 1 緒論 ......................................................................................................................... 6 板料成形的模擬技術(shù) .................................................................................. 6 有限元分析法 ...........................................................