板料成形CAE技术及应用.doc

板料成形CAE技术及应用长期以来困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期特别是对于某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度而板料成形CAE技术及分析软件的出现有效地缩短模具设计周期大大减少试模时间帮助企业改进产品质量降低生产成本从根本上提高了企业的市场竞争力。一、前言计算机辅助设计技术以其强大的冲击力影响和改变着工业的各个方面甚至影响着社会的各个方面。它使传统的产品技术、工程技术发生了深刻的变革极大地提高了产品质量缩短了从设计到生产的周期实现了设计的自动化。板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工获得质量轻、表面光滑、造型美观的冲压件具有节省材料、效率高和低成本等优点在汽车、航空、模具等行业中占据着重要地位。由于板料成形是利用板材的变形得到所需的形状的长期以来困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果难以预防缺陷的产生只能通过经验或类似零件的现有工艺资料通过不断的试模、修模才能成功。某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。板料成形CAE技术及分析软件可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺方案优化从而有效地缩短模具设计周期大大减少试模时间帮助企业改进产品质量降低生产成本从根本上提高企业的市场竞争力。板料成形CAE技术对传统开发模式的改进作用可以通过图1和图2进行对比。图1传统板料成形模具开发模式图2CAE技术模具开发方式通过比较就可发现板料成形CAE技术的主要优点。(1)通过对工件的可成形工艺性分析做出工件是否可制造的早期判断；通过对模具方案和冲压方案的模拟分析及时调整修改模具结构减少实际试模次数缩短开发周期。(2)通过缺陷预测来制定缺陷预防措施改进产品设计和模具设计增强模具结构设计以及冲压方案的可靠性从而减少生产成本。(3)通过CAE分析可以择优选择材料可制造复杂的零件并对各种成形参数进行优化提高产品质量。(4)通过CAE分析应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足还可通过虚拟的冲压模拟提高提高工艺人员的经验。二、板料成形需要解决的问题板料成形通过模具对板料施加压力使板料产生永久性的塑性变形以获得预期的产品形状。在这个过程中影响板材变形的因素非常多要控制好变形的形状也非常困难。首先金属受外力作用会发生变形变形可分为弹性变形和塑性变形弹性变形是可逆的外力去除后变形体就会恢复成原来的形状；第二材料的成分和组织对变形影响极大；第三塑性变形有多种方式再结晶温度下的塑性变形有晶内滑移和孪动、位错（位错分多种形式）再结晶温度上的塑性变形有晶间滑移、多晶体扩散和相变变形等；第四变形温度、变形速度的影响；第五变形体内部应力状态的影响；第六摩擦与润滑的影响；第七材料塑性变形后当变形体内部各部分变形不一致时物体内部产生相互牵制和自相平衡的负应力。由于在板料冲压成型过程中模具的刚性通常远远大于板料的刚性因此模具的变形相对板料的变形来说极小可以忽略不计。在冲压成形过程的计算机仿真中应考虑的问题归结为如下几个方面：(1)板料的大位移、大转动和大应变条件下的弹塑性变形的描述和计算。(2)板料与模具间法向接触力的计算。(3)板料与模具接触面间摩擦的描述及摩擦力的计算。(4)模具的几何描述和运动计算。(5)压力机加载过程的描述和模拟。板料成形的工艺主要有冲压工艺设计（包括毛坯尺寸计算、分步成形计算等）、模具设计、冲压设备选择和成形缺陷预测与消除等。板料成形需要解决的主要问题包括缺陷（起皱、拉裂、回弹）预防、压边力确定、模具磨损的影响、润滑方案确定、成形力确定、毛坯尺寸确定和压延筋布置等。基本的板料成形有圆筒件拉伸、凸缘圆筒件拉伸、盒形件拉伸、局部成型、弯曲成型、翻边成型和胀型等。基本的板料成形有一些经验公式和类似零件作为参考。但对于复杂的板料成形其各部位是连在一起的相互牵联和制约故不要把变形性质不同的部分孤立地看待要考虑不同部位的相互影响才不会造成失误。三、板料成形CAE分析的方法概述1.有限元数值模拟的关键技术板料成形CAE技术是建立在有限元法基本原理和数值方法基础上利用计算机进行计算和求解的分析方法。有限元数值计算的关键技术如下：(1)模具几何形状的数字描述模具几何形状的数字描述有多种方式目前较常采用的是STL格式。(2)摩擦边界条件的施加摩擦与金属的成分、毛坯与模具间的相对滑动速度、温度及润滑条件有关。(3)速度约束条件的施加主要包括边界自由节点和边界约束节点的运动属性判定