基于有限元模擬的板料成形回彈過程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、回彈是板料成形過程的主要缺陷之一，嚴(yán)重影響著成型件的尺寸精度。傳統(tǒng)上基于試錯(cuò)法對回彈補(bǔ)償進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，由于不同成型件的差異較大，因而設(shè)計(jì)周期長，成本高。近年來，基于安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保要求，車身覆蓋件中大量采用高強(qiáng)鋼和鋁合金板材。與普通低碳鋼板相比，此類板材具有高的比強(qiáng)度，導(dǎo)致其應(yīng)用于覆蓋件時(shí)回彈問題愈發(fā)突出。
　　 對回彈變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測是有效控制回彈、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)的前提。回彈預(yù)測的一個(gè)重要的方法是有限元法。由于有限元理論、塑

2、性力學(xué)和材料加工知識的缺乏，目前回彈的數(shù)值預(yù)測精確度不高，采用數(shù)值模擬優(yōu)化控制回彈沒有得到有效的應(yīng)用。有鑒于此，開展基于有限元法的板料成形回彈過程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究，論文主要包括以下內(nèi)容：
　　 1)有限元優(yōu)化建模方法首先提出了一個(gè)應(yīng)用于壓邊間隙的起皺判據(jù)，即板料所受橫向壓應(yīng)力超過材料的臨界失穩(wěn)力發(fā)生起皺。由于采用壓邊間隙，因而板料在剛剛起皺時(shí)不受到壓邊力的作用。基于此判據(jù)采用不同壓邊間隙對板料壓邊過程的影響進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)間隙增

3、高時(shí)，壓邊力增大，這主要由于板料凸緣起皺引起剛度上升所致。與分離力進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，壓邊間隙對于此問題可以較準(zhǔn)確的進(jìn)行模擬?；趦?yōu)化的壓邊間隙采用不同的拉格朗日分析方法進(jìn)行了模擬，表明完全拉格朗日法與更新拉格朗日法的主要區(qū)別在于其對板料大位移和大變形的敏感性。考慮到板料沖壓過程中發(fā)生大位移和大變形，采用更新拉格朗日法較為符合實(shí)際情況，而對于小變形和小位移則兩種方法均可用于成形過程的模擬。采用不同的殼單元(DKT3、DKQ4、DKQ8和Min

4、dlin)的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DKQ4最佳，并可減少計(jì)算時(shí)間。
　　 2)簡單件彎曲回彈過程的模擬分析首先提出了一個(gè)考慮接觸演變的模型對回彈過程進(jìn)行有限元模擬，并將其應(yīng)用于NUMISHEET2002自由彎曲標(biāo)準(zhǔn)考題中。研究發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好。經(jīng)過模型優(yōu)化后獲得了較高的精度，達(dá)到90％以上，遠(yuǎn)高于采用Ls-dyna和Ls-niked模擬回彈的精度(約75％)。對應(yīng)力場的影響因素優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn)，積分點(diǎn)對回彈有較大影響，對成形過程

5、影響較小。單元大小對成形和回彈過程影響均較大，采用模具圓角半徑1/2～1/3大小的單元精度較好。材料模型對回彈角度的影響較大。
　　 將模型應(yīng)用于NUMISHEET1993 U形彎曲標(biāo)準(zhǔn)考題中。研究發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好，獲得了較高的精度。對回彈影響因素模擬分析發(fā)現(xiàn)，壓邊力對回彈有較大影響。隨著壓邊力的增加回彈迅速降低，但是同時(shí)板材的最小厚度也下降。模具圓角中凹模圓角對法蘭回彈影響較大。板材的厚度對板材的回彈很大。采用變壓

6、邊力方式對回彈進(jìn)行控制分析，當(dāng)變壓邊力的后半部分力較大時(shí)，能夠有效降低回彈，反之，回彈較大。因而在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡量采用直角梯形和階梯形變壓邊力方式。對實(shí)際的壓邊控制方式的比較研究發(fā)現(xiàn)，采用4個(gè)平臺和10個(gè)平臺的回彈結(jié)果有一定差別。說明壓邊力的控制方式對回彈結(jié)果有影響。
　　 采用階梯形變壓邊力和遺傳算法對U形彎曲回彈過程進(jìn)行控制。目標(biāo)函數(shù)采用“回彈+應(yīng)變”。研究發(fā)現(xiàn)可以很快收斂到最優(yōu)解，且第4代所有個(gè)體的回彈與第1代相比大大降低。

7、
　　 3)基于有限元的回彈穩(wěn)健設(shè)計(jì)板料在軋制過程中受到外界的干擾，材料性能會(huì)在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。沖壓過程中潤滑導(dǎo)致的摩擦系數(shù)、壓邊力也會(huì)發(fā)生波動(dòng)。由于上述參數(shù)的影響，導(dǎo)致板料成形連續(xù)性問題。連續(xù)性問題的本質(zhì)是回彈的穩(wěn)健性，因而對回彈的穩(wěn)健設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。首先分析了回彈的可控與不可控因素，然后采用自由彎曲考題，基于數(shù)值模擬方法對材料波動(dòng)不可控因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)材料波動(dòng)對回彈前后都有影響。由于沒有固定的模具形狀，導(dǎo)致自由彎曲回彈的不

8、可控性。對U形彎曲進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)提高阻力可以降低材料和摩擦波動(dòng)對回彈的影響，提高板料成形的穩(wěn)健性。
　　 4)復(fù)雜件回彈模擬與分析基于應(yīng)變增加降低回彈理論，采用變拉延筋阻力方法對復(fù)雜覆蓋件的回彈進(jìn)行了控制研究?？紤]到拉延筋設(shè)計(jì)的困難，提出了基于數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行拉延筋反向設(shè)計(jì)的思想。采用響應(yīng)面方法對拉延筋阻力進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出采用未充分變形區(qū)的面積作為目標(biāo)函數(shù)，通過響應(yīng)面模型擬合得到了一個(gè)優(yōu)化的阻力。采用該阻力進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)