金属板材数字化渐进成形过程数值模拟
华中科技大学
硕士学位论文
金属板材数字化渐进成形过程数值模拟
姓名：李迎浩
申请学位级别：硕士
专业：材料加工工程
指导教师：莫健华
20050429
摘要
金属板料无模渐进成形引入使用专用的成形工具头沿规划好的运动轨迹
实现了金属板料的柔性加工
因此加工的工件精度较高从建模到CAE 分析易于实现自动化
由于金属板材分层渐进成形的工艺较复杂工具头进退
点的分布及加工轨迹很难用试验的方法确定
提出了金属板材分层渐进成形的有限元模拟方案
根据试验特点建立了相关的有限元模型
保证了模拟的真实性对一些影响板材成形质量的关键因素如同时对点支撑形式也作了初步研究
板材成形渐进成形数值模拟有限元模拟
Abstract
With introducing Layered Manufacture (LM) method into the sheet metal processing, Sheet metal Incremental Forming, which realizes the flexibility of sheet metal forming, processes sheet metal layer by layer with the increments of continuous local plastic forming along the programmed trajectory. The technology can directly manufacture workpieces with the shape of sheet, and the machining precision is very high because the metal plate is pressed only in some parts of the plate and the distortion is accumulated continuously to form whole shape. The importance of the technology is easy automatization during whole process (from modeling to CAE analysis and to machining contour). All of these characteristics make the technology become a advance manufacture technology which has a development future.
Since the technology of the metal layered incremental forming process is realitively complicated, and various parameters such as layer depth
LS-DYNA, we simulate the process of sheet metal Incremental Forming. The foundation of the FEM model is based on characteristic of the experiment, the tooling track and loading manner have being built in a simple way, at the same time, according to the characteristic of the experiment equipment, we have also built the boundary condition and restriction. Such process have guaranteed the facticity of the simulation. And based on this model ,the distributing characteristic of stress and strain has been analysed, some key factor such as layer depth
Sheet Metal Digital Forming Incremental forming Numerical simulation
FEM simulation
1 绪论
1.1 金属板料无模成形技术的发展
金属板料成形在制造业中有着广泛的应用
而且缺乏柔性
而现代社会产品的更新换代非常迅速
是企业生存和发展的关键
如
激光热应力成形无模数字化单点渐进成形等具有很大的柔性
特别适合新产品的开发和小批量生产
成形锤渐进成形
成形锤渐进成形法使用刚性冲头和弹性下模对板料各局部区域分别加工
见图1-1
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喷丸成形
喷丸成形是利用高速弹丸撞击金属板料的一个表面
在此应力作用下逐步使板料达到要求外形的一种成形方法[2]á??t3¤
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多点成形法
多点成形法是利用高度可调的基本体群形成离散曲面来代替传统模具进行三维曲面成形的柔性加工技术[3][4][5][6]í?
1-2和图1-3为两种方式的工作原理图
在国内
但它存在以下几个问题
１
２
３
激光热应力成形
激光热应力成形是一种较新的金属板料成形方法
引起超过材料屈服极限的热应力
该方法无需任何形式的外力
因不受模具限制可成形在常温下难于成形的难变形或脆性材料由于激光热应力成形具有独特的优点
季忠等人对激光热应力成形技术进行了系统的研究
对厚板激光成形时的温度场进行了数值模拟[7]
±í???êá???2?成形形状受到限制
5
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CNC高压水喷射成形
CNC高压水喷射成形法其工作原理可以简单概括为
水的动能转换为作用于板材的压力能
随后Z轴下降成形下一层金属如图1-5
1.高压泵
2.喷嘴
3.工作台
4.工件
图1-5 CNC高压水喷射成形工作原理图
CNC高压水喷射成形法有其独特的优点
适于成形形状复杂的工件
但是由于目前技术水平所限
喷嘴磨损比较大一次性投资较大
无模数字化单点渐进成形
20世纪90年代初,日本学者松原茂夫提出了一种新型的金属板料成形工艺金属板料渐进成形技术[14]
金属板料渐进成形的特点是引入快速原型制造技术(Rapid Prototyping)
???ó1¤1y3ìè?í?1-6所示,首先将被加工板料置于一个顶支撑模型上,在板料四周用夹板在托板上夹紧材料,托板可沿导柱自由上下滑动
如此重复直到整个工件成形完毕
图1-6 金属板料单点渐进成形原理图
日本AMNIO公司研制出样机如图1-7所示
试验研究表明
能加工出曲面更复杂
不仅可加工一般的金属薄板成形件
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经济价值
２
３
近似于静压力可以成形其它技术无法成形的零件
４
实现CAD/CAM/CAE一体化生产
并成功地开发出样机
这些CAE软件大多可以利用CAD生成的模型进行设计和工艺过程仿真
工业上应用板材成形CAE分析的目的可以归纳为以下三个主要方面
１减少调试次数
２
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×???3???μ?·?·¨ê?óD?T2?·?·¨
有限元方法的应用使得金属成形模拟获得突破
以及运用这些理论进行的成形模拟
但在实际生产中的应用远未成熟
基于动态显式算法的软件的出现标志着板材成形仿真实际应用的真正发展
到1989年
大转动处理能力
显式法
áí 外不需要进行平衡迭代该算法需要的内存也比隐式算法要少另一方面而且只有在单元级计算尽可能少时速度优势才能发挥, 因而往往采用减缩积分方法
动态显式法还有一个重要特点是
静态显式法基于率形式的平衡方程组与Euler前插公式
所以得出的结果会慢慢偏离正确值
通常一个仿真过程需要多达几千步
但效率低
２
但是实际运算中要受到接触以及摩擦等条件的限制
由于需要矩阵求逆以及精确积分
在分叉点处刚度矩阵出现奇异
３
如果结合CAD软件与网格划分功能
结果的准确性通常很低approximation analysis
1.2.2 板成形数值模拟软件的应用
基于一步成形方法的软件在欧洲的汽车制造商中得到了广泛应用
日本和美国的公司认为
当前存在着一种应用动态显式算法的趋势
回弹与残余应力状态非常重要
因此
从而令板成形仿真更为方便
有限元数值模拟方法在板料成形中的应用越来越广泛
而且还用于起皱
成形后的回弹计算以及用于解决坯料设计等问题
早期的SAP
ASINA等著名的商业软件在结构分析
同样
国际上有十几套可用于板材成形数值模拟的商业化软件
ＰＡＭ－ＳＴＡＭＰＩＴＡＳ３Ｄ
ＡＵＴＯＦＯＲＭ以及LASTRAN ICEM-STAMP等
美国Lawrence Livermore实验室1976年推出了软件的第一版
为了处理薄板成形问题
大规模并行机
ＤＹＮＡ及其功能简介
LS-DYNA作为世界上最著名的通用显式动力分析程序
三维非线性结构的高速碰撞
流体及流固耦合问题
论和程序的鼻祖跌落仿真等领域被广泛认为最佳的分析软件包[23]
′ó??ò?
140多种材料动态模型程序
以显式求解为主以结构分析为主
以非线性动力分析为主如动力分析前的预
应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算
１
如鈑金成形等
材料模型丰富
?aD?μ￥?a2éó?Lagrange
列式增量算法单点积分并用沙漏粘性阻尼以克服零能模式并且精度良好
４
50多种选择可求解诸如
刚体对刚体的接触
整车碰撞的研究中
６
各种运动部的仿真以及各种边界条件的加载
７
目前运用LS-DYNSA在模拟金属板料冲压成形
许多研究成果均在实际工程中得以应用
已经摸索出了隐式弹塑性大变形数值模拟方法
并开发出相应的分析软件针对金属板料无模单点渐进成形多工步
成形的特点运用该程序进行相关成形过程的数值模拟是可行的
1.4 课题小组研究成果
目前
刘杰博士初步引入了数值模拟方法
甘文新硕士采用静力算法对下压过程中工具头上的应力分布特点进行了模拟和分析
但目前
先后得到科技型中小企业技术创新基金2001年
2000年
2000年
已引起国外快速制造领域专家的重视
日本政府也极为重视该项技术
可以加工汽车覆盖件等复杂制件
就目前国内外金属板料无模成形的研究现状看
可制造出更理想的工件
随着有限元分析技术的飞速发展以及计算机性能的不断提高塑性成形理论与工艺等各类技术的模拟软件系统已逐渐成为板料数控渐进成形研究及成形优化的强有力的工具
综上所述
该技术是综合性的跨学科的课题塑性成形技术CAD/CAM/CAE等多个学科
1.6 本课题的研究内容和主要工作
目前金属板材单点渐进成形技术还处于实验室阶段
影响工件质量的因素非常复杂
其物理模型和数学模型都不同于传统的板料单次拉深工况下的模型
本课题的主要工作就是根据金属板料数字化渐进成形的过程特点结合正确的数值模拟方法建立起数值分析模型
成形力的变化
工具头进退点的分布
工具头进退点集中分布造成的零件表面质量较差
偏头
优化成形参数提供理论依据
各章内容如下
详细介绍了单点渐进成形的原理和研究现状以及目前板材数值模拟技术发展及应用状况
第二章对数值模拟中的一些重要工艺参数加以确定
工具头轨迹加载
第三章对普通底支撑形式进行渐进成形的成形过程进行模拟
中板料上应力
第四章对底支撑采用点支撑的渐进成形过程进行模拟分析
应变的分布特点以及层距和工具头进退动作对其分布的影响
第五章进行了全文的总结与进一步研究的展望
2 相关工艺参数及前处理
成形过程的特点决定了金属板料数控渐进成形的成形过程是一个同时包括几何非线性
必须基于板料分层成形的特点进行分层成形过程的计算机模拟
2.1 成形特点及成形设备机械结构
2.1.1 板料渐进成形特点
金属板料数字化渐进成形采用快速原型制造技术
即分
解成一系列二维断面层
实现了设计与制造的一体化[30][31][32]
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工每一层轮廓时都和前一层自动实现光顺衔接
为一个球冠面的金属板料在成形力的
作用下克服屈服极限
随着工具头的不断碾压
2.1.2 板料成形设备机械结构
图2-2为华中科技大学快速成形中心研制开发的金属板料数字化渐进成形设备的硬件结构示意图
以获得所需的零件
在动梁上设置有在Y轴向运动的溜板的驱动装置在
滑块的底部设置有工具夹持装置
在托板的底部安置有四根导柱
当板材成型工艺要求施加背压力时
以使模拟与实际试验情况相符
2.2 各相关试验参数
2.2.1 材料模型
试验中所用的板料为低碳钢板08F
表2-1 材料的力学性能
密度
Mpa
弹性模量
E Gpa
??2?á??￡Díμ?ó|á|/应变曲线用两条直线
压边框及托板
均采用线弹性模型
如图2-3所示
1
???|2á?μêy?a0.5
2
在无模单点渐进成形过程中变形速度主要受工具头运动速度的影响
３
板厚1mm
为简化模型
当不以工具头为主要研究对象且忽略工具头因成形过程中受力所
发生的微小弹性变形时
同理在成形直壁特征的零件时可仅给出底支撑模型顶部的特
征形状及尺寸
所建模型应能满足以下要求
１２
模型尽可能简化但不失真实性４
沿着厚度方向应
力为零根据该特点在数值模拟中板料采用shell163
单元
ＫＥＹＯＰＴ
算法
Belytschko-Tsay 单元[34]基于薄壳经典理论
多层单点积分和沙漏粘性阻尼的四节点四边形薄壳单元
中面为参考面
m
m m z y x ,,
和薄壳厚度t 来定义
3^
e 为参考平面法向矢量
3^e =1^e ×2^
e (2-2)
L 为纤维方向
矢量1
^
e
±?D?ê± 3
^
e 与L 矢量的夹角小于01
.0=δ
1^
e 和2^
e 用下面的方法求得
即为
3
S
j i ij y x r ?= (2-4) 局部坐标系的基矢量
3
^
e ?úμ?1和2连线