【正文】 缺陷。近年來，隨著計算機硬件、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展和對材料成形過程物理規(guī)律研究的深入，材料成形過程計算機模擬技術(shù)取得了很大的進展。2計算機模擬與DYNAFORM軟件 計算機模擬方法 眾所周知，傳統(tǒng)的模具設計方法在很大程度上依賴于設計者的經(jīng)驗和技巧。③ 坯料形狀、內(nèi)孔半徑和凹模圓角等工藝參數(shù)對變形結(jié)果的影響。通過數(shù)值模擬軟件 Dynaform 對坯料的相關(guān)因素進行分析，從模擬結(jié)果總結(jié)出規(guī)律，并進行坯料優(yōu)化。 本課題首先系統(tǒng)地歸納和總結(jié)了沖壓成形中主要的模擬方法，并以典型的外緣翻邊件為研究對象，進行模擬比較，分析坯料相關(guān)的因素，總結(jié)出坯料求解與成形結(jié)果之間的關(guān)系；從而優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，改進成形的工藝，使實際生產(chǎn)中成形可能出現(xiàn)的問題在成形前得到預測并給予解決，繼而推廣到其它零件，給類似的外緣翻邊成形提供有價值的參考。近年來發(fā)展了采用有限元法對板材成形過程進行計算機模擬和分析的新技術(shù)，在工程實際中得到迅速地應用和發(fā)展。 傳統(tǒng)的外緣翻邊成形坯料的確定主要依賴于經(jīng)驗和直覺，諸多因素是通過生產(chǎn)的多次反復試驗來調(diào)整的，結(jié)果很難達到現(xiàn)代生產(chǎn)的要求，產(chǎn)品的質(zhì)量也不易保證。這些問題中有的內(nèi)容前人己有了一定的研究但不夠深入，有的內(nèi)容甚至屬于空白。本課題來源是導師研究課題，也是江西省 “十五”重點學科建設項目— 材料加工工程建設項目的內(nèi)容之一。因此，有必要對翻邊工藝進行更多、更全面和更深入的研究。 課題來源和研究意義 課題來源 前已述及，翻邊是拉伸類沖壓成形的基本工序之一，在生產(chǎn)實際中，有很多要用到翻邊工藝方法制造的零件。在工程實際問題的分析、解決中，有限元法將發(fā)揮著其日益重要的作用[3132]。它起初是作為一種力學分析的數(shù)值計算方法，后來發(fā)展成為求解偏微分方程邊值、初值問題的一種一般的離散化方法。最后，根據(jù)得到的數(shù)值解再回到各個單元中計算其他物理量(例如應變、應力) [28]。在應用有限元法分析問題時，首先采用 “化整為零”的辦法，將連續(xù)體分解為有限個性態(tài)比較簡單的“單元”，對這些單元分別進行分析。如果單元滿足收斂條件，得到的近似解最后將收斂于精確解[2627]。一經(jīng)求出這些節(jié)點未知量，就可以利用插值函數(shù)確定單元組合體上的場函數(shù)。單元的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)在各個單元節(jié)點上的函數(shù)值以及單元插值函數(shù)表達。這樣的組合體能用來模擬和逼近求解域。有限元法是一種新的現(xiàn)代數(shù)值方法。而實際的材料成形問題求解域往往是十分復雜的，而且場方程往往相互禍合，因此無法求得解析解，而對問題進行過多簡化所得到的近似解可能誤差很大，甚至是錯誤的。 數(shù)值模擬法在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對于力學問題或其他場問題，已經(jīng)得到了基本微分方程和相應的邊界條件。但實際上同時聯(lián)立求解 16個微分方程是相當困難的，通常只能求解一些簡單的二維問題。必要時還須利用應力與應變的關(guān)系式和變形連續(xù)方程。這種方法是將平衡微分方程和塑性條件進行聯(lián)解，以求出物體塑性變形時的應力分布和應變狀態(tài)，進而求出變形力。例如，在翻邊工藝研究中，我們可以通過它來進行理論方面的研究，諸如坯料設計計算問題、翻邊模具設計問題、應力應變分析以及翻邊力的計算等一系列問題都可以通過這種方法來進行研究[1719]。該方法的優(yōu)點是所得的結(jié)果準確可靠，缺點是成本較高，且實驗周期較長。 板料成型工藝研究的主要方法簡介 工藝實驗法工藝實驗法基本過程是: 首先根據(jù)實驗目的進行工藝設計，然后在工藝設計的基礎(chǔ)上設計并加工制造出模具，并用生產(chǎn)用實際坯料材料來進行實驗，然后根據(jù)實驗情況，檢驗所要求的變形能否達到零件的設計要求，如果不能，則需反復試驗直至達到要求為止。毛坯外形的確定問題于20 世紀50 年代就已提出，早期提出的有查圖和查表法、實驗逐次逼近法等，后來又提出了拼合法、滑移線法、物理模擬法、幾何映射法和有限元法等。國內(nèi)學者曹穎、李大永等在Wang ，用來確定翻邊零件的坯料尺寸，但他們的模型只能用來確定簡單地翻邊零件的毛坯尺寸[1516]。 等利用CAE 技術(shù)對直翻邊中的回彈現(xiàn)象進行了預測，并提出了相應的消除方法。數(shù)值模擬對深入認識翻邊變形過程及其變形特點, 對翻邊工藝的理論研究和工程實踐具有指導意義[1114]。這使得對翻邊變形過程的認識從現(xiàn)有的宏觀定性分析進入到細觀定量分析。盧險峰教授通過模擬以及實驗驗證，得出將翻邊變形過程可分為具有不同特征的4個階段。上海鐵道學院的李堯臣用有限元法模擬了金屬板材的沖壓成形過程，分析了金屬板材在沖壓過程中的屈曲現(xiàn)象，建立了增量形式的變分原理，跟蹤了板料起皺的發(fā)展、折疊、衰減的全過程。哈爾濱工業(yè)大學采用剛粘塑性本構(gòu)關(guān)系，開發(fā)了粘塑性板殼成形有限元分析程序，并對方盒件的成形過程進行了分析，對板料粘性介質(zhì)脹形過程中的應變速率變化也進行了模擬研究。華中理工大學針對不完全對稱盒形件的成形特點，開發(fā)了有限變形彈塑性薄膜有限元程序?qū)ζ溥M行分析研究。 翻邊工藝的發(fā)展簡史及現(xiàn)狀我國在板料成形數(shù)值模擬方面起步較晚，與發(fā)達國家(美、日等)相比晚了十幾年。翻邊時，帶有圓孔的環(huán)狀坯料周邊被壓邊圈壓緊，位于凹?？卓谝詢?nèi)的坯料部分得到塑性變形。在實際生產(chǎn)中，通常都須對不參與變形的坯料突緣平面施加足夠大的壓邊力。變形區(qū)的切向拉應力和拉應變在豎邊邊緣達到最大；并在接近翻邊變形結(jié)束時刻，變形發(fā)展到最為嚴重程度。因此，在制備成形坯料時，必須考慮到這一變形的不均勻性，使坯料外輪廓的凸凹變化與材料變形程度大小取得一致。沿不封閉的內(nèi)凹曲線進行的翻邊成形稱為內(nèi)曲外緣翻邊，代表了伸長類翻邊成形的一般形式，其變形區(qū)的應力狀態(tài)和變形特點都與圓孔翻邊相似。當翻邊變形面為平面時為平面翻邊；翻邊變形面為曲面，稱為曲面翻邊。外曲翻邊屬于壓縮類翻邊，其變形性質(zhì)和應力狀態(tài)類似于不用壓邊圈的淺拉深。但翻邊時，金屬板料變形狀態(tài)比彎曲時要復雜的多。圓孔翻邊、內(nèi)曲外緣翻邊等屬于伸長類翻邊；外緣外曲翻邊等屬于壓縮類翻邊，而非圓孔翻邊通常是伸長類翻邊、壓縮類翻邊和彎曲成形的組合形式。翻邊主要用于制造出與其他零件的裝配部位或者為了提高零件的剛度而用來加工出特定的形狀，在大型板金成形時，也可作為控制破裂或折皺的手段。外緣內(nèi)曲翻邊工藝及數(shù)值模擬研究1 緒論 外緣翻邊及分類翻邊是將金屬平板坯料或半成品工序件的一部分，沿其一定的輪廓線使其內(nèi)法蘭部分變大、成為有豎邊邊緣的沖壓成形方法。當然，也有不變成豎邊，只把坯料中某一部分的孔徑加以擴大的情況〔有的書上稱為擴孔)。在汽車覆蓋件中，多數(shù)零件都要經(jīng)過翻邊加工，翻邊部分主要用于各覆蓋件之間的連接(焊接、鉚接、粘接等)，有時翻邊也是產(chǎn)品流線或者美觀方面的需要。當翻邊的變形區(qū)邊緣為一直線時，翻邊成形就轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢尚危梢哉f，彎曲是翻邊的一種特殊情況。外緣翻邊分為內(nèi)曲翻邊和外曲翻邊兩種。內(nèi)曲翻邊屬于伸長類翻邊，與孔的翻邊相似。這里主要討論內(nèi)曲外緣翻邊的情況[13]。兩者不同之處在于內(nèi)曲翻邊時，豎邊根部各處應力、應變分布不均勻，曲率半徑不同的部位應力應變狀態(tài)也各不相同。內(nèi)曲翻邊變形程度可用參數(shù)來表示：即 KA=f/(Rf) (1)KA值越大，內(nèi)曲翻邊的變形程度越大。外曲翻邊成形時的變形區(qū)材料承受切向壓應力的作用，大到一定量值后，會使變形區(qū)材料發(fā)生壓縮失穩(wěn)，因此，變形區(qū)材料起皺是外曲翻邊成形順利進行的主要障礙。 內(nèi)外緣翻邊示意圖主要特點：圓孔翻邊及沿內(nèi)凹曲線的翻邊為典型的伸長類翻邊。在變形過程中，隨著凸模下降，變形的坯料單元體在凸模和凹模的圓角處發(fā)生彎曲，孔的直徑增大，而坯料單元體相對凸模作徑向移動，逐漸靠近凹模腔內(nèi)壁，在此移動過程中，坯料單元體在徑向平面內(nèi)，由凸模下方平直形狀移到凸模圓角時產(chǎn)生彎曲，在隨后離開凸模圓角時，再次由彎曲變直[48]。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在板料成形數(shù)值模擬方面已經(jīng)取得了很大進展，但主要集中在部分高校中。吉林工業(yè)大學采用更新的Lagrange 法以及有限元變形虛功率增量型原理的彈塑性大變形有限元法,研究了金屬板料成形的塑性流動規(guī)律以及成形過程中發(fā)生的起皺、裂紋等現(xiàn)象，首次提出了多點成形時非連續(xù)接觸邊界約束的處理方法，建立了基于Mindlin 殼理論三維金屬板料成形過程分析的有限元模型，編制了用于板料多點成形分析的有限元專用軟件，成功分析了多點成形時的金屬流動規(guī)律。北京航空航天大學則對板料成形過程中的接觸摩擦和懸空區(qū)起皺進行數(shù)值模擬。上海交通大學對板料成形的回彈進行了較為系統(tǒng)的研究，提出在板料回彈模擬中采用修正的拉格朗日法較為合適[910]。即變形區(qū)材料從變形開始出現(xiàn)斜角段斜角與直壁段圓角與直壁段要求高度的直壁段的幾個具體階段。得出采用那些用翻邊變形中料厚不變的假設條件所進行的理論分析是不甚合理和不夠精確的。對于翻邊的研究，國外學者Wang ，分別提出了內(nèi)曲翻邊和外曲翻邊成形的變形分析計算模型，可以用來分析翻邊零件的變形程度，卻不便于事先確定修邊線的位置，公式推導繁瑣，而且沒有考慮材料各向異性對翻邊的影響。 和LSNIKE3D 結(jié)合起來模擬了福特某轎車前翼子板的成形回彈問題，為求解大型復雜外緣成形回彈問題提供了一種簡便有效的方法。毛坯形狀和尺寸的確定一直是板料成形技術(shù)中的一大難題，由于板料變形的復雜性，想獲得理想的毛坯形狀并不容易。目前應用較多的方法有滑移線法、