冲压回弹分析
第21卷第5期2012年10月
计算机辅助工程Computer Aided Engineering
Vol.21No.5Oct.2012
应用技术与技巧
Application Technique and Skills
文章编号:1006-0871(2012)05-0073-03
基于JSTAMP /NV 的中厚板冲压回弹分析
刘红武,李彦波
(广州中国科学院工业技术研究院,广州511458)
摘要:由于中厚板在冲压成型过程中的应力分布特点与常规薄板冲压有所不同,因此以JSTAMP /NV提供的解决方案为例,探讨中厚板回弹分析中单元类型和材料模型等关键参数的设定.利用JSTAMP /NV提供的解决方案对料厚为7mm 的某铁路货车梁进行回弹仿真,并使用专用于中厚板回弹分析的参数设定,结果表明仿真结果与试验结果吻合良好.关键词:中厚板;回弹;单元类型;材料模型;数值模拟;JSTAMP /NV中图分类号:TG 386.31;TB 115.2文献标志码:B
Springback analysis of medium plate based on JSTAMP /NV
LIU Hongwu ,LI Yanbo
(Institute of Industry Technology ,Guangzhou &Chinese Academy of Sciences ,Guangzhou 511458,China )
Abstract :Due to the facts that the stress distribution characteristics of medium plate are different from that of the normal thin sheet during the stamping forming ,taking the solution of JSTAMP /NVas an example ,the setting of key parameters such as element types and material models are discussed.The springback simulation is performed on a 7mm beam of a railway freight car by the solution of JSTAMP /NV ,and the parameters which are special for the analysis of medium plate are set for the simulation.The results show that the simulation results are consistent with the test results.Key words :JSTAMP /NV
但是对中厚板冲压件析的研究和介绍开展得较多,
回弹分析的研究还有待加强.
中厚板冲压件在铁路货车、商用汽车和船舶中往往作为结构件承受载荷,零件形状较简单.中厚板冲压件往往通过直接成型和翻边工序加工实现.在这种情况下,模具设计工程师一般可以借助经验完成冲压件的工艺可能性分析;但对于中厚板冲压件的回弹,更迫切的需求是通过CAE 仿真完成对中厚板冲压件回弹的分析.该需求在高强度钢广泛应用
medium plate ;
springback ;
element type ;
material model ;
numerical simulation ;
0引言
目前,越来越多的模具企业和冲压件制造企业开始导入CAE 数值分析环节,并且随着CAE 软件
计算精度的提升和企业工程师CAE 分析经验的积累,对于冲压件的破裂、褶皱的预测分析,相当多的
困扰企业的、更主要的企业已达到较高水平.当前,
难题为冲压件的回弹预测,尤其是高强度钢板回弹
分析及补偿.虽然国内业界对汽车薄板冲压回弹分
收稿日期:2012-09-17
修回日期:2012-09-24
(E-mail )liuhw@gziit.ac.cn 作者简介:刘红武(1982—),男,湖南郴州人,硕士,研究方向为有限元仿真软件的开发和应用,
http ://www.chinacae.cn
74计算机辅助工程2012年
的情况下显得更为突出.与薄板冲压零件的回弹分析相比,中厚板冲压件所用材料的力学性能以及成这决定型过程中板料的受力分布均有其自身特点,中厚板冲压件回弹分析中的仿真参数设定不能照搬薄板冲压仿真的经验.
1单元类型的选择
图1
Fig.1
R /t较小情况下实体单元的应用
在冲压仿真过程中,根据不同的情况可以选择膜单元、壳单元和实体单元等.壳单元的理论假定是板料厚度远小于其他方向的尺寸,板料可以使用中面代替.壳变形理论主要有3类:
(1)薄膜理论.它假定弯曲刚度和剪切刚度可
整个单元的位移由中面位移近似得到,而且以忽略,
单元的每个节点厚度方向的应变也无法计算得到,
具有3个位移自由度.
(2)克希霍夫-Love )理论.它假勒夫(Kirchhoff-定薄壳变形前与中曲面垂直的直线,变形后仍然位于已变形中曲面的垂直线上,且长度保持不变;同
时,假定与其他应力相比,平行于中曲面的面素上的正应力可忽略不计.该理论考虑弯曲刚度,但仍然假定横向剪切变形为0,单元的每个节点有6个自由度.
(3)明德林-Ressner )理论.它瑞斯纳(Mindlin-单元的每个节同时考虑弯曲刚度和横向前切刚度,点有6个自由度.
壳单元的理论都存在一个共同点:平面应力状
态占优,厚度方向的应变呈线性分布.因此,对于R /t(零件半径/板料厚度)值较小的中厚板件冲压成型分析,壳理论不太合适.对于R /t值较小的零件,板料本质上的应力分布呈三向应力状态,并且厚度方向应变也呈非线性.当R /t小于3时,中厚板的回弹
[1]
DYNA 分析需选择使用3D 实体单元.以集成LS-求解器的JSTAMP /NV为例,该软件可通过在板材
Application of solid element when R /tis smaller
2材料模型的选择
在使用壳单元进行冲压仿真分析时,一般选择
4837号或Barlat ’8936号这2种各向异使用Hill ’
性材料模型,但这2种材料模型仅适用于薄板成型
分析,不能用于中厚板冲压分析.在JSTAMP /NV282和287号等3种材中,适用于实体单元的有24,
料模型.24号材料模型为分段线性弹塑性材料模型,采用von Mises 屈服准则,动态本构关系采用Cowper-Symonds 模型以考虑应变率效应,主要用于各向同性材料的冲压分析.282号材料模型为
JSTAMP /NV中提供的、用于高强度钢板延性破坏分析的材料模型,该材料模型中集成Cockcroft-Brozzo ,Oyane 和Clift 等延性破坏准则,Latham ,可有效提升高强度钢板破坏分析的精确度.287号模型是JSOL 株式会社为提升高强度钢板分析的精度而开发的吉田-上森混合强化材料模型,该模型采用
Hill ’48屈服准则,并且考虑面内各向异性参数;同该材料模型中使用的弹性模量可以根据塑性应时,
变的变化而变化,可用式(1)描述.E (珔εp )=E 0-(E 0-E a )(1-exp (-ζ(珔εp )))(1)式中:E 为弹性模量;E 0和E a 分别为材料的初始弹性模量和材料加载无限大预应变时的弹性模量;ξ为材料常数;εp 为塑性应变.
吉田-上森混合强U 模化材料模型(Y-型)的原理见图2,再加上背部应力α的屈服
面f 与加上背部应力β的边界面F.其中,屈服面f 的中心随着背部应
力α移动,边界面F 由U 模型原理图2Y-(B +R )表示的、由塑性Fig.2Schematic diagram
[2]
of Y-U model 应变引起的硬化而延伸.
中厚板的回弹分析可以选择24号或287号材
拉深工序中使用实体单元,得到板料厚度方向的减
积料量和厚度方向上的剪切应力、应变值等;薄量、
在使用壳单元时,上述参数无法计算或精度得不到保证.R /t值较小情况下实体单元的应用见图1,可知,只有通过采用实体单元才能正确判断由料厚方向变形导致的中间轴的移动和剪切变形.JSTAMP /NV 中厚板冲压成型可选择2种实体单元:ELEFORM =1,常应力实体单元;ELEFORM =2,高斯积分S /R实体单元.另外,考虑到NIP (厚度方向积分点数量)对计算速度的影响,如果针对变薄拉NIP 可设为3;针对回弹分析,深分析,则建议NIP 设
甚至
7.为5,
http ://www.chinacae.cn
第5期刘红武,等:基于JSTAMP /NV的中厚板冲压回弹分析75
料模型,在具备吉田-上森材料参数的情况下,优先各商业软件自带的材料采用287号材料模型.目前,
因此,中厚板的材料力学性数据主要针对汽车薄板,
能参数数据库仍有待完善,需各相关科研机构和企业进一步测试和研究中厚板的力学性能.
体单元模型,对该中厚板成冲压过程进行回弹分析,
95%以铁路货车梁冲压成型回弹分析结果见图4,该仿真上的面积回弹量在ʃ 0.5mm 以内.经验证,
结果与试模结果非常吻合.
表1
Tab.1
材料参数料厚/mm密度/(g /cm3)弹性模量/GPa硬化指数
材料的力学参数
Mechanical parameters of material
数值77.8222.70.167
材料参数泊松比屈服强度/MPa拉伸强度/MPa异性因数
数值
0.358450.0650.00.8125
3其他仿真参数的设定
在中厚板回弹分析中,除对单元类型和材料模
型有上述要求外,还需要进行其他参数的设定.如当仿真采用的单元类型为实体单元时,分析时不能使用冲压成型专用的接触类型,即不能使用Forming_one_way_S2S等接触类型,这是因为Forming 接触类采用六面体实体单元型可能会造成计算错误.此外,时,对坯料网格自适应划分也有限制.
4案例
中厚板冲压件在铁路货车的全部零部件中占据相当大的比例,本文利用JSTAMP /NV对料厚为7mm 的某铁路货车梁进行回弹仿真模拟.铁路货车梁结构模型见图3,该
图3
铁路货车梁结构模型
图4Fig.4
mm 铁路货车梁冲压成型回弹分析结果,
Analysis result on stamping forming springback of mm railway freight car beam ,
5结束语
下模闭Fig.3Beam structure model of 零件通过上、合接触成型,材料的railway freight car
力学参数见表1.应用JSTAMP /NV并采用对称的实参考文献:
以JSTAMP /NV提供的中厚板冲压成形和回弹分析解决方案为例,介绍中厚板回弹分析过程中对结果计算精度有重要影响的几个仿真参数的设定,包括单元类型、材料模型等.
[1]IWATA N ,TSUTAMORI H ,NIIHARA M ,et al .Numerical prediction of springback shape of severely bent sheet metal [C ]//AIPConf Proc ,
2007:799-804.
[2]麻宁绪,梅津康义,渡边祐子,等.通过吉田-上森模型进行回弹预测和利用JSTAMP 进行回弹补偿的研究[J ].模具制造,2011(5):
1-6.
MA Ninshu ,UMEZU Yasuyoshi ,WATANABE Yuko ,et al .Springback prediction by Yoshida-Uemori model and compensation of tool surface .Die &Mould Manufacture ,2011(5):1-6.using JSTAMP [J ]
(编辑陈锋杰)
http ://www.chinacae.cn