【正文】 能力，尤其是對拉延和脹形及兩者的復(fù)合成形的適應(yīng)能力，初步弄清板料的變形方式、變形條件和變形過程等相對應(yīng)的參數(shù)，繼而進(jìn)行相關(guān)模具的設(shè)計(jì)和試制。在沖壓調(diào)試過程中，諸如破裂、起皺、回彈等常見的問題只能依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)來解決。這就需要試制多套模具，無形中就造成產(chǎn)品的研發(fā)成本增加。通過對板料成形的模擬仿真，可以清楚地了解每個(gè)瞬時(shí)工件的應(yīng)力應(yīng)變分布；結(jié)合彈塑性力學(xué)中的成形極限理論，分析成形中諸如起皺、回彈、破裂等問題，評估分析模具設(shè)計(jì)的合理性，可以為模具的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供重要的依據(jù)。工程實(shí)踐證明，合理使用有限元模擬技術(shù)可減少模具的試制，明顯縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，使得企業(yè)更能適應(yīng)市場的變化。其中DYNAFORM軟件是美國ETA公司與LSTC公司聯(lián)合推出的針對板料成形數(shù)值模擬的專業(yè)化軟件，該軟件能提供豐富高效的單元類型，接觸和交界面的處理技術(shù)處于同類軟件領(lǐng)先水平，上百種材料模型擴(kuò)大了程序的應(yīng)用范圍，能模擬簡單的拉延筋和多步?jīng)_壓成形，能確定沖壓件的最大應(yīng)力應(yīng)變部位、輸出厚度方向的應(yīng)變圖、成形極限圖和具有真實(shí)感的成形過程動(dòng)畫等。在二十世紀(jì)四十年代Grey首次利用內(nèi)壓力和軸向壓力實(shí)現(xiàn)了T型頭的銅管件的成形[5]，之后許多研究者對脹形中的失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。Fuchs首次發(fā)表了將液壓脹形用于金屬成形的研究成果，闡述了該項(xiàng)技術(shù)用于實(shí)際生產(chǎn)的可行性。、并探討了n、r值對成形的影響。[7]、[8]各自以實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合對管材液壓脹形進(jìn)行了分析。脹形工藝的加載路線不同對成形影響比較大，這使得許多人投入到加載路徑優(yōu)化的研究工作之中[1015]。近二十年來，隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，要求組焊零件數(shù)少、輕量化、高質(zhì)量和環(huán)保，這對板料的柔性成形技術(shù)的需求顯著增加，對技術(shù)的發(fā)展也提出了新的要求。這種成形技術(shù)為人們越來越重視。在成形初期，內(nèi)壓較低時(shí)，合模力較小，以利于板料拉入模具；在成形后期，當(dāng)板料全部拉入模具內(nèi)時(shí)，提高合模力保證密封，這時(shí)增加內(nèi)壓力對零件進(jìn)行整形。在過去類似的工藝，由于合模力實(shí)時(shí)控制困難，為了保證密封，初期施加的合模力較大，使得板料拉入模具困難，造成制件深度較小，壁厚減薄不均且形狀簡單。國內(nèi)對液壓脹形工藝的研究起步較晚，開展的研究不夠全面和深入，基本上都停留在試驗(yàn)與理論分析階段，數(shù)值模擬進(jìn)行的也相對較少。目前哈爾濱工業(yè)大學(xué)在液壓脹形方面的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，王仲仁等在該領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[17]。張士等提出了“活動(dòng)凹模結(jié)構(gòu)”[1920]概念，進(jìn)一步提高了薄板對脹形工藝的柔性與適用范圍。通過綜合考慮成形板料的材質(zhì)、表面質(zhì)量要求和批量規(guī)模等因素，可以針對性的選用金屬、樹脂、石膏、木材甚至水泥作為凹模材料。吳德中、張凱鋒[23]采用差溫拉深，超塑性脹形復(fù)合工藝成形天線座零件，為實(shí)現(xiàn)高徑比大于1的深筒形件成形找到一條行之有效的途徑。因航空航天工業(yè)發(fā)展的需要，諸如鋁合金、鈦合金等高新材料的脹形研究當(dāng)前比較普遍。嚴(yán)成和童國權(quán)采用有限元分析軟件Abaqus對TC4板的成形壓力及壁厚均勻性進(jìn)行預(yù)測，優(yōu)化模型獲得均勻的壁厚分布[26]。Dynaform軟件包含BSE、DFE、Formability三個(gè)大模塊，幾乎涵蓋沖壓模模面設(shè)計(jì)的所有要素，包括：定最佳沖壓方向、坯料的設(shè)計(jì)、工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)、拉延筋的設(shè)計(jì)、凸凹模圓角設(shè)計(jì)、沖壓速度的設(shè)置、壓邊力的設(shè)計(jì)、摩擦系數(shù)、切邊線的求解、壓力機(jī)噸位等?？梢灶A(yù)測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕、回彈、成形剛度、表面質(zhì)量，評估板料的成形性能，從而為板成形工藝及模具設(shè)計(jì)提供幫助。(1) DYNAFORM的前處理：DYNAFORM的前處理功能十分豐富。其次，DYNAFORM具有強(qiáng)大的的網(wǎng)格自動(dòng)剖分功能，它不但可以得到高精度的工具網(wǎng)格，也可以生成用戶所需的四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格。再次，DYNAFORM中最具特色的DFE（DieFace Engineering）模塊，方便模具人員對模具進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，DYNAFORM中的BSE（Blank Size Engineering）模塊，可以幫助用戶快速設(shè)計(jì)出坯料的形狀，提高材料利用率，降低成本。(2) DYNAFORM的求解器：DYNAFORM的求解器LSDYNA是采用顯隱結(jié)合的算法進(jìn)行板料成形模擬的最具有代表的軟件。在回彈分析過程中，可以采用大的時(shí)間步長，提高回彈分析的計(jì)算效率。此外，LSDYNA的接觸分析功能強(qiáng)大，已有40多種接觸類型，可以求解下列接觸：變形體對變形體的接觸、變形體對剛體的接觸、剛體對剛體的接觸、板殼結(jié)構(gòu)的單面接觸等。LSDYNA是目前業(yè)界公認(rèn)的板料成形模擬結(jié)果正確性最好的軟件之一。它可以方便用戶直觀的得到求解結(jié)果。在etapost中新增加的GRAPH模塊，是用戶可以利用曲線圖表功能來顯示拉深過程中各種參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，如界面力的變化、拉延筋阻力的變化，拉深力曲線等。板料的脹形過程是一個(gè)大變形的塑性成形過程，這涉及到金屬板在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的塑性流動(dòng)、塑性強(qiáng)化，以及由此引起的起皺、,板的脹形加工多數(shù)情況下是一個(gè)復(fù)雜的多體接觸的力學(xué)分析問題。在蒸發(fā)器的試制過程中，由于各種工藝參數(shù)都是未知的，不可避免的造成制件的種種缺陷，增加研發(fā)成本。綜上所述，本課題對不銹鋼蒸發(fā)板脹形的研究具有極大的實(shí)用價(jià)值。為了簡化計(jì)算，只對一塊板進(jìn)行有限元模擬 。由于不銹鋼板的厚度較小，其厚度方向的應(yīng)力變化較小，可以忽略不計(jì)，所以這種簡化模型的計(jì)算結(jié)果是比較可靠的。參考相關(guān)產(chǎn)品的成形載荷，分析已有制件的尺寸結(jié)構(gòu)，結(jié)合所用不銹鋼的力學(xué)性能，初步確定脹形壓強(qiáng)，并進(jìn)行有限元模擬，分析模擬結(jié)果。反復(fù)模擬計(jì)算直到獲得相對較好的結(jié)果為止。(3) 對不銹鋼蒸發(fā)板的脹形過程進(jìn)行模擬。2 板料成形數(shù)值模擬的相關(guān)理論、應(yīng)變分析 應(yīng)力一般一點(diǎn)上的應(yīng)力狀態(tài)可由3個(gè)主應(yīng)力和6個(gè)切應(yīng)力來確定。3個(gè)主平面上沒有剪應(yīng)力。通常使用，和來表示主應(yīng)力，且。設(shè)試件的長度為L0，且L0在拉力的作用下變?yōu)長1，則工程應(yīng)變表示為 （）如果試件從初始長度L0被壓縮到L1，則用上式計(jì)算出的應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。一直角的角度變化量來定義剪切應(yīng)變。P點(diǎn)的位置初始狀態(tài)是 ，由于施加了一個(gè)剪應(yīng)力而產(chǎn)生了一個(gè)很小的角度變化，其剪應(yīng)變可表示為 （）與一點(diǎn)應(yīng)力相似，完整的描述物體內(nèi)一點(diǎn)的應(yīng)變需3個(gè)應(yīng)變和6個(gè)剪應(yīng)變。但在金屬成形過程中，應(yīng)變通常很大，不可能再把應(yīng)變的確定放在初始的長度的基礎(chǔ)上。體積不變在分析金屬加工工程中有很大的價(jià)值。利用這個(gè)關(guān)系在兩個(gè)主應(yīng)變已知時(shí)，即可得到第三個(gè)應(yīng)變。 屈服準(zhǔn)則在外力作用下，金屬有彈性變形過渡到塑性變形，主要取決于金屬的性能和所受的應(yīng)力狀態(tài)。決定受力物體的內(nèi)質(zhì)點(diǎn)有彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)過渡的條件，簡稱塑性條件。經(jīng)過實(shí)際考驗(yàn)并為大家所公認(rèn)的塑性條件有兩種：屈雷斯卡（）塑性條件和密塞斯（Mises）塑性條件。屈雷卡斯條件可表達(dá)為 ()或 ()由兩式可將此塑性條件概括如下：如果主應(yīng)力的差值中有一個(gè)達(dá)到了屈服強(qiáng)度時(shí)，材料即進(jìn)入并保持塑性狀態(tài)，而與另兩個(gè)差值無關(guān)，即與中間主應(yīng)力的大小無關(guān)。由于屈雷卡斯塑性條件計(jì)算比較簡單，有時(shí)也比較符合實(shí)際，所以比較常用。 密塞斯塑性條件德國理學(xué)家密塞斯認(rèn)為：在一定的變形條件下，無論物體處于何種應(yīng)力狀態(tài)之下，只要其中三個(gè)應(yīng)力的組合滿足下列條件，材料就開始屈服 () 兩種塑性條件的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Lode在1925年分別對鐵、銅和鎳薄壁圓板進(jìn)行拉伸與內(nèi)壓聯(lián)合作用。由圖可知在平面狀態(tài)下，即時(shí)，兩種準(zhǔn)則相差最大為15%。在單向守拉或單向受壓時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系可以用硬化曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。眾所周知，塑性變形時(shí)不能恢復(fù)的永久變形，任一時(shí)刻的塑性變形都是該時(shí)刻以前經(jīng)歷過的變形過程積累的結(jié)果。為了建立塑性變形應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，出現(xiàn)過各種理論。 (1) 增量理論 增量理論表示塑性變形的某一瞬間應(yīng)變增量與主應(yīng)力之間的關(guān)系，對主軸坐標(biāo)系，表達(dá)式為 ()式中，是平均應(yīng)力，其值表示應(yīng)力狀態(tài)中三向均勻受拉或三向均勻受壓成分的大小。但增量理論在數(shù)學(xué)處理上困難較大，尤其在冷變形硬化時(shí)就更復(fù)雜。對于大塑性變形，如果在簡單加載條件下，其應(yīng)力與應(yīng)變增量的主軸在加載過程中不變，而且與全應(yīng)變的主軸重合。由于全增量理論表示應(yīng)力與應(yīng)變是一一對應(yīng)關(guān)系，在數(shù)學(xué)上處理方便，對于非常簡單加載的大變形問題，只要應(yīng)變過程中主軸的方向變化不太大，也可以借助其進(jìn)行分析研究。 總的說來，全量理論在數(shù)學(xué)上處理比增量理論簡單，但只在一定范圍內(nèi)適用，增量理論比全量理論更能全面地反映材料的塑性變形性質(zhì)[29]。DYNAFORM軟件就是應(yīng)用增量理論來處理大變形問題的。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對其要求也越來越高。概括起來分為直接試驗(yàn)和間接試驗(yàn)兩類[28]。常用的方法有直接試驗(yàn)中的模擬實(shí)驗(yàn)和間接試驗(yàn)中的拉伸試驗(yàn)。(1) 與 稱為均勻伸長率，指板材在拉力作用下出現(xiàn)縮頸時(shí)的伸長率。一般情況下，沖壓成形都在板材均勻變化范圍內(nèi)進(jìn)行，所以是表示板材產(chǎn)生均勻的或穩(wěn)定的塑性變形的能力，它直接決定板材在伸長類變形中的成形性能。實(shí)驗(yàn)表明，對生產(chǎn)很大脹形的復(fù)雜曲面拉深的鋼板，要求具有很高的。在脹形加工中，當(dāng)?shù)蜁r(shí)，為消除零件的松弛等弊病和使零件的形狀和尺寸得到固定(指防止卸載過程中尺寸的變化，即回彈)所必需的拉力也小。(3) 硬化指數(shù)n 他表示在塑性變形中材料硬化的強(qiáng)度。(4) 板厚方向系數(shù)r 它是板料試樣拉伸試驗(yàn)中寬度應(yīng)變與厚度之比 ()r值與沖壓成形性能有密切的關(guān)系，板料r值大，成形性能好。通常以成形極限作為指數(shù)。 (1) 福井(Fukui)試驗(yàn) 又稱錐杯試驗(yàn)，主要目的是測試板料拉深和脹形復(fù)合成形能力。沖壓用304奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能及成形性 基本成分伸長率δ(%)硬化指數(shù)n板厚方向性系數(shù)r錐杯試驗(yàn)值極限拉深比295689290650 一般板料成形時(shí)，板面內(nèi)有兩個(gè)主應(yīng)力和與其對應(yīng)的主應(yīng)變是不同的。 成形極限圖FLC提供了一個(gè)可以接受的應(yīng)變極限。板料面內(nèi)主應(yīng)變和的交點(diǎn)落在FLC以下是允許的，和的交點(diǎn)在FLC以上則會產(chǎn)生成形加工破壞。這是因?yàn)橛芯植款i縮的鈑金零件，一般已不能滿足成形質(zhì)量要求，故已無意義。第一條成形極限右部曲線是由Keeler等人繪制的。一般認(rèn)為，KeelerGoodwin曲線適用于各種塑性材料。后續(xù)的研究表明，KeelerGoodwin曲線并不具有普遍性，而FLC對于各種材料是不同的，這也反應(yīng)了各種材料不同的成形性能。它首先有Keeler對軟鋼作出，并由Goodwin加以完善。試驗(yàn)中，板條加緊在壓板與下模之間，加緊力須達(dá)到使所夾持的板條試件不致發(fā)生徑向移動(dòng)。為了測定板面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)變，需要事先在板條試件表面繪制網(wǎng)格。 FLC試驗(yàn)裝置圖網(wǎng)格的基本形式有小圓圈和小方格兩種。而對于小圓圈，無論主軸方位如何，變形后，圓變?yōu)闄E圓，橢圓的長、短軸方向即為應(yīng)變主軸方向，應(yīng)為只要測出橢圓的長、短軸長度