【正文】 ： 不同的材料具有不同的本構(gòu)關(guān)系。接觸邊界條件就是一種十分重要的未知邊界條件。邊界條件又可以分為給定邊界條件和未知邊界條件。 基本方程 一個(gè)接觸體系的響應(yīng)主要受四大類方程的制約：運(yùn)動(dòng)方程、本構(gòu)方程、邊界條件和初始條件。在這些假設(shè)和簡(jiǎn)化模型下，研究拉深成形問(wèn)題，將會(huì)得到很好的與其效果，并且現(xiàn)有實(shí)踐已經(jīng)證明這一理論發(fā)展的有效性。 討論接觸問(wèn)題的目標(biāo)就是要研究給定的接觸體系從參考時(shí)刻 t＝ 0 到某個(gè)給定的時(shí)刻 T0 這個(gè)時(shí)間域內(nèi)的響應(yīng)。對(duì)于板料拉深成形，接觸體系一般發(fā)生在凸模、壓邊圈、板料和凹模四個(gè)接觸體組成的體系之中，如果在三向壓應(yīng)力下完成板料拉深過(guò)程，通常還要增加一個(gè)頂塊，也就是說(shuō)至少需要三四個(gè)接觸體，甚至更多。 一個(gè)接觸體通常包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的接觸體。它的主要特點(diǎn)是，將板料成形過(guò)程簡(jiǎn)化為一個(gè)或若干個(gè)簡(jiǎn)單加載的變形過(guò)程，從給定的最終零件的形狀尺寸和過(guò)程條件出發(fā)，沿與成形過(guò)程相反的方向模擬變形過(guò)程中任意時(shí)刻的零件形狀和尺寸，最終確定零件所需要的初始坯料形狀尺寸，它是真正根據(jù)金屬成形機(jī)理從根本上解決初始坯料形狀的確定問(wèn)題的方法。應(yīng)該來(lái)說(shuō)，在這一方面的研究國(guó)內(nèi)外都花了相當(dāng)大的的精力和時(shí)間，并使得這一技術(shù)逐步走向成熟并指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際，在很多發(fā)達(dá)和發(fā)展中國(guó)家得制造業(yè)中已經(jīng)獲得成功應(yīng)用，帶來(lái)了生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)變和提高。只要計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度足夠快，有限元的網(wǎng)格就可劃的足夠的細(xì)，模擬得到的結(jié)果就可以足夠逼近真實(shí)的生產(chǎn)情況。計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法結(jié)合是對(duì)這一技術(shù) 的根本開(kāi)拓。由于沖壓成形過(guò)程中必然是這些非線性現(xiàn)象的綜合，因此傳統(tǒng)方法已經(jīng)很難解決此類問(wèn)題。這一過(guò)程是 通過(guò)模具對(duì)工件的法向接觸力和切向摩擦力來(lái)完成的。究其原因，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的高成本，低受益，長(zhǎng)周期，歸結(jié)為那時(shí)人們無(wú)法合理計(jì)算沖壓過(guò)程中板料的彈塑性變形。 6 第二章 數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ) 板料成形 數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展 傳統(tǒng)的沖壓成形工藝與模具設(shè)計(jì)很多是依靠經(jīng)驗(yàn)和試模，不僅好時(shí)，而且費(fèi)用高。 本章小結(jié) 這一章主要概括性的介紹了研究范圍、研究對(duì)象和研究重點(diǎn)。 下面給出論文章節(jié)結(jié)構(gòu)安排，主要包括以下七個(gè)章節(jié)： 第一章，緒論：主要介紹 了板料成形尤其是沖壓拉深成形國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，并總體分析介紹了論文的研究?jī)?nèi)容和一些關(guān)鍵問(wèn)題； 第二章， 數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ) ： 本章主要介紹了板料拉深成形過(guò)程的有限元理論，分析了隱式算法和顯式算法異同，研究了沖壓拉深成形采用顯式動(dòng)力分析方法的原理和優(yōu)越性，同時(shí)還介紹了殼單元的有限元基礎(chǔ)； 第三章， 盒形件拉深成形分析 ： 通過(guò)基于一般形狀的簡(jiǎn)單盒形件拉深成形，包括盒形件的定義，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，拉深狀況的數(shù)值模擬以及數(shù)據(jù)后處理與分析等內(nèi)容，總結(jié)影響盒形件拉深成形的諸多參數(shù)對(duì)拉深成形具有指導(dǎo)意義的一般特點(diǎn)，為類盒形件拉深成 形提供樣本和參考依據(jù)； 第四章， 數(shù)碼相機(jī)外殼拉深成形分析 ： 以上一章為基礎(chǔ)，深入研究具有類盒形件性質(zhì)的數(shù)碼相機(jī)外殼拉深成形工藝，目的從各個(gè)方面分析比較數(shù)碼相機(jī)外殼與簡(jiǎn)單盒形件拉深成形之間的聯(lián)系，尋找優(yōu)化數(shù)碼相機(jī)外殼模具結(jié)構(gòu)以及拉深成形的一般方法，這也是論文的研究重點(diǎn)和工作重點(diǎn)； 第五章， 數(shù)控加工分析與仿真 。下面就文章在盒形件與數(shù)碼相機(jī)外殼拉深成形中需要處理和遇到的一些關(guān)鍵問(wèn)題做以分析： 4 1． 建模問(wèn)題設(shè)計(jì)與正確建模 在建模問(wèn)題上首先必須對(duì) UG 軟件有一個(gè)熟練的掌握，正確利用 UG 草圖功能建模，對(duì)數(shù)碼相機(jī)外殼的幾個(gè)較難的關(guān)鍵成形部位，必須保證建模的合理性和準(zhǔn)確性，保證可以得到一定的工程更改；在利用產(chǎn)品模型對(duì)凸模凹模以及相應(yīng)的鑲塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不緊要注意提取面縫合時(shí)的精度問(wèn)題，而且要注意凸模凹模單邊間隙的設(shè)置，不能夠在原有產(chǎn)品厚度的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作，這樣 一來(lái)才可以保證模具建模的真實(shí)性和可操作性； 2．?dāng)?shù)據(jù)接口問(wèn)題 將 UG 建模得到的模具結(jié)構(gòu)（包括凸模、凹模、板料和壓邊圈、下頂塊）以片體的形式準(zhǔn)確導(dǎo)入顯式動(dòng)力分析軟件 DYNAFORM 中，需要解決一些問(wèn)題，主要包括： 第一，可能會(huì)出現(xiàn) UG 建模中由于組件（尤其是凸模和凹模）的面的縫合精度不能保證，導(dǎo)致在 DYNAFORM 中出現(xiàn)組件面破缺的情況，這種情況的解決方法很多，可以在 DYNAFORM 中進(jìn)行修補(bǔ)，也可以在 UG 中更改，重新導(dǎo)入 DYNAFORM 中； 第二，出現(xiàn)兩個(gè)或以上不同組件導(dǎo)入 DYNAFORM 中后被 DYNAFORM 默認(rèn)為同一組面的情況，這里是由于在 UG 中未對(duì)這幾組面進(jìn)行顏色調(diào)配區(qū)別的結(jié)果，對(duì)于 版本必須從 UG 中更改再重新導(dǎo)入，對(duì) 及以上版本則可以直接在該軟件中修正； 3．?dāng)?shù)值模擬問(wèn)題 這里是本論文的關(guān)鍵點(diǎn)，首先在板料拉深的數(shù)值模擬上了解有限元彈塑性理論和板殼理論；其次要了解保持設(shè)計(jì)參數(shù)同實(shí)際生產(chǎn)條件所確定參數(shù)的一致性對(duì)獲得可靠的模擬結(jié)果的重要性；另外在模擬中需要注意幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題： 第一，毛坯形狀的優(yōu)化對(duì)拉深成形的影響，這里要考慮下料時(shí)以經(jīng)驗(yàn)為主和以理論為主的兩種不同的下料方 式對(duì)拉深件成形質(zhì)量有什么不同的影響； 第二，壓邊力是否加載對(duì)淺拉深成型的影響； 第三，如果加載壓邊力，波動(dòng)壓邊力對(duì)拉深成形的影響，這其中主要研究在其他參數(shù)保持不變情況下，分別改變波形、幅值和頻率對(duì)拉深過(guò)程產(chǎn)生的影響，以及如何尋求一種真實(shí)可靠而又優(yōu)化的三種參數(shù)來(lái)解決一般的拉深問(wèn)題； 第四，數(shù)據(jù)的后處理問(wèn)題，歸結(jié)為對(duì)成形極限圖、能量分布曲線、應(yīng)力應(yīng)變分布、變薄情況等一系列問(wèn)題的分析，掌握理論分析的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，能夠從后處理數(shù)據(jù)中提取優(yōu)化的分析結(jié)果； 論文 章節(jié)安排 本課題是來(lái)源于深圳怡景五金制品廠有限 公司生產(chǎn)實(shí)踐中的一個(gè)課題，課題的內(nèi)容主要涉及到盒形件拉深成形工藝及模具設(shè)計(jì)以及如何通過(guò)數(shù)值模擬的 5 方法，預(yù)測(cè)拉深過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種失穩(wěn)現(xiàn)象，然后將模擬信息的分析結(jié)果反饋到產(chǎn)品與模具的 CAD 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，目的是減少生產(chǎn)試模時(shí)間，提高模具生產(chǎn)效率；并根據(jù)對(duì)盒形件拉深成形的研究成果指導(dǎo)完成數(shù)碼相機(jī)外殼拉深成形數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)與制造。整個(gè)工藝的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，都是建立在手工設(shè)計(jì)模具的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，從實(shí)踐中來(lái)，并在論文后半段將模擬結(jié)果和工藝設(shè)計(jì)結(jié)果同生產(chǎn)實(shí)際加以比較，從中總結(jié)數(shù)值模擬應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的重要意義。由于數(shù)碼相機(jī)外殼具有盒形件的基本特點(diǎn)，因此借助盒形件的分析結(jié)果指導(dǎo)數(shù)碼相機(jī)外殼拉深成形，可以減少模擬過(guò)程的盲目性，以較高的效率和較短的時(shí)間通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來(lái)確定優(yōu)化的拉深模具。因此，研究數(shù)碼相機(jī)外殼拉深成形是對(duì)中小型精密家電外殼拉深成形的一個(gè)積累，這一工作既不同于復(fù)雜的汽車覆蓋件拉深成形技術(shù)，又區(qū)別于簡(jiǎn)單的特征拉深成形，但是值得注意的是，對(duì)數(shù)碼相機(jī)外殼拉深狀況的研究是基于對(duì)一般盒形件的拉深過(guò)程的分析總結(jié)而對(duì)比研究的 ，因此，基于一般特征拉深成形的數(shù)碼相機(jī)外殼拉深成形對(duì)非復(fù)雜覆蓋件類的零件具有一定的指導(dǎo)意義。在拉深成形 過(guò)程中，我們不僅要保證數(shù)碼相機(jī)外殼對(duì)精度的要求，而且要保證模具具有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，以便在最少的試模次數(shù)中獲得合格的拉深效果。 數(shù)碼相機(jī)外殼沖壓拉深成形 數(shù)碼相機(jī)作為目前市面上的主流數(shù)碼產(chǎn)品，已經(jīng)逐步進(jìn)入了一般的普通家庭。像國(guó)內(nèi)的上海交通大學(xué)，華中科技大學(xué)，清華大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等一批高等院校已經(jīng)進(jìn)入了理論成熟的階段。 已經(jīng)基本接近了西方發(fā)達(dá)國(guó)家九十年代的制造業(yè)水平。在板料成形技術(shù)上，隨著改革開(kāi)放后現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，以 及國(guó)家在薄板生產(chǎn)和加工領(lǐng)域的投入和支持，我們?cè)谶@一領(lǐng)域的發(fā)展取得了輝煌的成就。這對(duì)板料拉深成形的壓邊力控制問(wèn)題上開(kāi)創(chuàng)了新的思路。時(shí)至今日，這一技術(shù)在生產(chǎn)中已經(jīng)比較成熟，但是，就板料成形數(shù)值仿真的研究領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這里涉及的方面很多，在每一個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展，都對(duì)板料拉深成形的發(fā)展起到促進(jìn)作用，近年來(lái)，意大利 Palermo 大學(xué) 教授等人利用模糊控制技術(shù)和板料成形數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在板料成形的設(shè)計(jì)階段，確定最佳的壓邊力變化曲線。此外，在板料成形計(jì)算機(jī)仿真與數(shù)值模擬的研究上，國(guó)外的很多成果已經(jīng)走在了世界的前列，并且給實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)了前所未有的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于形狀比較復(fù)雜的大型覆蓋件沖壓技術(shù)，在對(duì)向液壓拉深法（或稱機(jī)械液壓拉深法）的研究上， 1951 年美國(guó)開(kāi)發(fā) Hydroform Press 以來(lái)就進(jìn)入了實(shí)用階段。 國(guó)外 沖壓拉深成形 技術(shù)的發(fā)展概況 發(fā) 達(dá)國(guó)家 20 世紀(jì)沖壓技術(shù)發(fā)展 可以歸納為 五個(gè)階段 ： 第一階段 為 50 年代以前，采用一臺(tái)雙動(dòng)拉伸壓力機(jī)打頭和數(shù)臺(tái)單動(dòng)壓力機(jī)組成沖壓流水線，手工上、下料完成大 型覆蓋件的沖壓生產(chǎn) ； 第二階段 為 60 年代，還是采用一臺(tái)雙動(dòng)拉伸壓力機(jī)打頭和數(shù)臺(tái)單動(dòng)壓力機(jī)組成沖壓流水線；第三階段 為 70 年代，為全自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線；第四階段 為 80年代，由于多工位壓力機(jī)的出現(xiàn)，采用一臺(tái)雙 2 動(dòng)拉伸壓力機(jī)和一臺(tái)多工位壓力機(jī)組成沖壓生產(chǎn)線；第五階段 為 進(jìn)入 90 年代以來(lái)，數(shù)控液壓氣墊出現(xiàn)后，不再采用雙動(dòng)拉伸壓力機(jī)作為沖壓線的打頭設(shè)備，而是將數(shù)控液壓氣墊裝入大型多工位 壓力機(jī)的第一工位，只有一臺(tái)大型多工位壓力機(jī)械形成了柔性沖壓生產(chǎn)單元。由于沖壓拉深工藝種類很多，因此應(yīng)用非常廣泛，主要包括帶料連續(xù)拉深、變薄拉深、大型覆蓋件拉深、以及特種拉深等，對(duì)于特種拉深，又發(fā)展了軟模拉深、對(duì)向液壓拉深、溫差拉深、脈動(dòng)拉深和徑向推力拉深。隨著今后工業(yè)化水平的飛速發(fā)展，沖壓拉深技術(shù)必將得到更大的發(fā)展和進(jìn)步。 拉深成 形技術(shù)作為板料成形技術(shù)的一個(gè)主要方面，則是利用具有一定過(guò)渡圓角的模具結(jié)構(gòu)，將板料或開(kāi)口空心毛坯加工成為具有一定形狀的腔體類零件的一種成形技術(shù)。 1 第一章 緒 論 概述 板料成形技術(shù)是利用金屬塑性成形的特點(diǎn)，通過(guò)模具及其他輔助手段對(duì)板料施加一定的作用力，使其在可控制的范圍內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形，從而獲得所需成形形狀和性能零件的一種制造工藝。它主要包括沖裁、剪切、彎曲、拉深、翻邊、脹形等一些基本工藝，同時(shí)還有一些特殊成型工藝，包括旋壓、壓印、爆炸成形、擴(kuò)口、卷邊、縮口等等，隨著我們國(guó)家生產(chǎn)力發(fā)展水平的不斷提高，板料成形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、鋼鐵、電器、船舶、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，并在這些領(lǐng)域中占有較大的比例，已逐步發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。由于腔體類金屬零件的應(yīng)用層面比較廣泛，因此，拉深成形技術(shù)就顯示出了它在板料沖壓技術(shù)中的重要地位，尤其在汽車行業(yè)中，獲得拉深的產(chǎn)品零件很多，這使得這一技術(shù)成為汽車行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，從而體現(xiàn)了拉深成形的重要性。 沖壓拉深成形的現(xiàn)狀與發(fā)展 沖壓拉深成形是板料成形最重要的成形手段之一，沖壓拉深成形技 術(shù)與工藝方法的不斷提高和完善，是板料成形技術(shù)不斷發(fā)展的中心。這樣一來(lái)，使得拉深成形零部件幾何形狀覆蓋面變得很寬，大體可以分為旋轉(zhuǎn)體（軸對(duì)稱）零件、一般盒形件和大型覆蓋件；按凸緣情況劃分，又可以分為無(wú)凸緣拉深件和有凸緣拉深件；根據(jù)壁厚變化情況還可以分為一般拉深件以及變薄拉深件。 與此同時(shí)，沖壓技術(shù)的日益成熟也促進(jìn)了板料拉深的進(jìn)一步發(fā)展，在這一方面，國(guó)外的研究走在了我們國(guó)家的前面。 1958 年日本春田等人提出了“壓力潤(rùn)滑拉深法”， 1966 年 提出了從板料凸緣外周施加徑向壓力的對(duì)向液壓拉深法，最近日本中村等人在對(duì)向液壓拉深方面作了比較系統(tǒng)、深入的研究 。早在八十年代初，由 GM 公司的 、 Budiansky 教授和 Ford 公司的 等人就把數(shù)值模擬方法成功的應(yīng)用于車身板料沖壓成形過(guò)程的分析中，形成了車身板料沖壓成形仿真分析的應(yīng)用研究領(lǐng)域。在確定的每一個(gè)控制循環(huán)中，有限元模擬提供當(dāng)前變量值給模糊控制器，由模糊控制器來(lái)確定最佳的壓邊力，從而確定成形過(guò)程的最佳壓邊力曲線。 國(guó)內(nèi) 沖壓拉深成形 技術(shù)的發(fā)展概況 由于我國(guó)制造業(yè)起步比較晚，條件也受到很大限制，設(shè)備不夠先進(jìn)，因此發(fā)展相對(duì)緩慢。在短短的一二十年的時(shí)間里，我們就從簡(jiǎn)單的手工作業(yè)過(guò)渡到如今的多工位壓力機(jī)械形成了柔性沖壓生產(chǎn)單元。在板料拉深的數(shù)值仿真領(lǐng)域，我們同樣緊跟世界潮流，不僅自主開(kāi)發(fā)了很多全自動(dòng)數(shù)控生產(chǎn)線，而且初步實(shí)現(xiàn)了板料成形的計(jì)算機(jī)前期失效分析與成型過(guò)程的數(shù)值仿真工作，并且已經(jīng)部分應(yīng)用與生產(chǎn)中。如上海交通 大學(xué)利用“板料拉深成形摩擦系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)”，研究不同種類的潤(rùn)滑劑在不同壓邊力值設(shè)定的條件下，拉深過(guò)程中的摩擦系數(shù)與壓邊力、拉深力與壓邊力之間的關(guān)系，這一系統(tǒng)對(duì)國(guó)內(nèi)板料拉深成 3 形的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。隨著數(shù)碼相機(jī)的普及，越來(lái)越多的大型數(shù)碼相機(jī)生產(chǎn)商開(kāi)始在外觀上對(duì)相機(jī)提出更高的要求，開(kāi)始從傳統(tǒng)的塑料外殼過(guò)渡到金屬外殼，從而在生產(chǎn)中從塑料成形變?yōu)榘辶蠜_壓成形，而后者最重要的工藝就是沖壓拉深成形部分。目前對(duì)類似數(shù)碼相機(jī)外殼這一類的家電產(chǎn)品的需求和市場(chǎng)越來(lái)越廣，人們已經(jīng)不再滿足簡(jiǎn)單輕浮的塑料制品上，更多開(kāi)始追求尊貴厚重且具有金屬質(zhì)感的金屬板料制品上。 課題所做工作與論文 章節(jié)安排 論文的主要任務(wù)是首先研究在盒形件拉深成形過(guò)程中，各種工藝參數(shù)對(duì) 拉深件 成形質(zhì)量的影響，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法，尋找成形合格盒形件的途徑，從而確定各種工藝參數(shù) 的 控制方法。另外，考慮到數(shù)碼相機(jī)外殼成形工藝不僅僅停 留在拉深成形這一部分，因此，同時(shí)也做了落料、側(cè)向切邊、沖孔等工藝 的輔助設(shè)計(jì) ，保證整個(gè)工藝的完整性。 關(guān)鍵問(wèn)題與工作重點(diǎn) 將對(duì)數(shù)碼相機(jī)外殼拉深成形工藝的研究放在對(duì)盒形件拉深成形的研究基礎(chǔ)之上，是因?yàn)槭紫葦?shù)碼相機(jī)外殼整體輪廓具有盒形件的形狀，其次盒形件拉深過(guò)程的應(yīng)力和變形比較復(fù)雜，又有軸對(duì)稱的性質(zhì)，因此非常典型，能作為簡(jiǎn)