船體典型零件沖壓成形回彈機(jī)理仿真分析

羅之軍

(貴州廣播電視大學(xué)，貴州貴陽550004)

船體典型零件沖壓成形回彈機(jī)理仿真分析

羅之軍

(貴州廣播電視大學(xué)，貴州貴陽550004)

摘要:為研究結(jié)構(gòu)回彈現(xiàn)象，以某船用電子設(shè)備罩殼為研究對(duì)象，根據(jù)彈塑性材料模型建立沖壓回彈有限元模型。計(jì)算結(jié)果表明:板料4個(gè)角落距離模具中心距離較大，導(dǎo)致摩擦力較大，使得板料四周材料滑動(dòng)特性產(chǎn)生較大區(qū)別。沖壓過程中材料不同的滑動(dòng)特性會(huì)使得材料受力不均勻，使其應(yīng)變分布產(chǎn)生較大的差異，這是結(jié)構(gòu)局部回彈的主要因素。在實(shí)際沖壓過程中，可以首先將板料沖剪成圓角形式，使板料四周材料分布較為均勻，使壓邊力較為一致，使材料在沖壓過程中受力均勻，減少結(jié)構(gòu)回彈量。

關(guān)鍵詞:沖壓成形;結(jié)構(gòu)回彈;有限元;罩殼

Analysis of springback of typical ship parts stamping forming simulation

LUO Zhi-jun
(GuiZhou Radio TV University，Guiyan 550004，China)

Abstract:In order to study the rebound phenomenon，we use a marine electronic equipment shell as the research object，and established the springback finite element model based on the elastic-plastic material model．The calculation results show that: the distance of the four corner from the mold center is larger，this will result a greater friction force，and finally make the material around the sheet had a greater sliding properties difference．The stamping process of the sliding characteristics of different materials will make the material stress，the strain distribution have great difference，which is the main factors of local spring structure．In the actual stamping process，it is of great importance to form the sheet with a rounded connery，so that the sheet around the material distribution is more uniform，this will make the blank holder force to be consistent，so that the material in the stamping process will have a uniform stress，reduce the springback．

Key words:stamping springback; structure; finite element;shell

0　引言

沖壓加工方法具有加工效率高、工件尺寸一致性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，沖壓方法主要用于薄壁結(jié)構(gòu)的沖剪加工，如:汽車蒙皮、骨架、船艙、小型五金件等。沖壓加工方法對(duì)于加工精度要求不高的零件時(shí)，能夠很好地滿足要求，然而，對(duì)于加工精度要求較高的零部件而言，具有一定的挑戰(zhàn)性。主要原因是沖壓加工方法總是不可避免地存在著結(jié)構(gòu)回彈現(xiàn)象，使得加工出的零件外形與原設(shè)計(jì)存在著較大誤差。這種形狀誤差會(huì)使零件的裝配受到較大影響，一方面，容易導(dǎo)致加工出的零件存在裝配誤差。另一方面，裝配出的結(jié)構(gòu)會(huì)存在較大的殘余應(yīng)力，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致零件無法裝配。

工程實(shí)踐中，為了消除結(jié)構(gòu)回彈現(xiàn)象的影響，使加工出的零件與原設(shè)計(jì)的形狀誤差較小，往往需要反復(fù)試模。也就是，不斷地測試沖壓出的零件形狀誤差，根據(jù)零件形狀誤差對(duì)模具進(jìn)行修改。由于模具鋼往往采用優(yōu)質(zhì)鋼，剛度、硬度均較大，模具反復(fù)修改會(huì)產(chǎn)生較大的試模費(fèi)用。為了減少結(jié)構(gòu)回

彈導(dǎo)致的反復(fù)試模費(fèi)用，很有必要對(duì)結(jié)構(gòu)回彈現(xiàn)象進(jìn)行研究，找出一定的規(guī)律性，使得設(shè)計(jì)人員在模具設(shè)計(jì)過程中便能預(yù)測到結(jié)構(gòu)的回彈量，便能在設(shè)計(jì)過程中對(duì)模具進(jìn)行相應(yīng)的修正。這樣能夠大幅減少模具試驗(yàn)次數(shù)，不僅能夠減少試模費(fèi)用，也能顯著加快產(chǎn)品開發(fā)過程以及提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

近年來，結(jié)構(gòu)回彈問題得到了廣泛關(guān)注，并且成為一個(gè)十分具有挑戰(zhàn)性的課題。謝暉［1］借助有限元法，對(duì)結(jié)構(gòu)回彈因素進(jìn)行探索研究，研究了結(jié)構(gòu)倒角大小、材料摩擦系數(shù)、壓邊力、加強(qiáng)筋高度、材料厚度等因素對(duì)結(jié)構(gòu)回彈量的的影響大小。通過研究表明，采用較大的壓邊力時(shí)，沖壓出的結(jié)構(gòu)光整性較好，但是結(jié)構(gòu)回彈量較大，減小壓邊力能夠有效抑制結(jié)構(gòu)沖壓回彈。徐丙坤等［2］基于靜力顯式以及動(dòng)力顯式格式對(duì)沖壓過程進(jìn)行數(shù)值建模，并編寫數(shù)值計(jì)算軟件，通過實(shí)例計(jì)算，比較靜力顯式與動(dòng)力顯式格式對(duì)沖壓問題計(jì)算精度的影響，并給出了不同沖壓問題回彈量分析的建議參數(shù)。閆康康等［3］采用KMAS回彈分析平臺(tái)對(duì)Benchmark回彈標(biāo)準(zhǔn)為研究對(duì)象，研究多種鋼材料的沖壓回彈特性，并對(duì)KMAS軟件計(jì)算精度進(jìn)行校正，并給出補(bǔ)償方案。最終，基于KMAS軟件探索了一種CAD/CAE/ CAM一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、加工方案。這種方法能夠使結(jié)構(gòu)回彈量較少87%左右，起到了較好的結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果。陳煒等［4］基于靜態(tài)有限元以及動(dòng)態(tài)有限元法，對(duì)多步?jīng)_壓回彈問題進(jìn)行詳細(xì)研究。有限元每一步加載均是以上一步?jīng)_壓回彈為基礎(chǔ)，通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，證明了該方法的有效性以及可靠性。李文平等［5］研究了一種高效沖壓回彈修正方法，主要思路為:首先有限元過程返回的沖壓結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，并制定結(jié)構(gòu)修改方案。根據(jù)沖壓結(jié)構(gòu)形狀誤差以及模具修改方案對(duì)模具結(jié)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)行修改，然后對(duì)新的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖壓模擬，并一直重復(fù)上述過程，直到結(jié)構(gòu)形狀誤差滿足加工要求。研究表明，該方法能夠有效加快設(shè)計(jì)流程，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量較好?？梢姡捎糜邢拊ㄌ幚斫Y(jié)構(gòu)回彈問題，具有較好的可行性、可靠性。

船舶結(jié)構(gòu)中存在著大量的薄壁結(jié)構(gòu)，尤其是船艙結(jié)構(gòu)蒙皮，以及相應(yīng)附屬設(shè)備外殼均采用沖壓工藝加工，并通過鉚接工藝連接［6］。這類結(jié)構(gòu)的回彈會(huì)使鉚釘孔相互錯(cuò)位，使得結(jié)構(gòu)在鉚接過程中操作不便，并且會(huì)使鉚釘受到額外的軸向拉力或者橫向剪切力，影響連接的可靠性。因此，有必要對(duì)船舶常用零件進(jìn)行沖壓回彈分析，并為模具設(shè)計(jì)提供參考，以改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配質(zhì)量。

本文以有限元法為理論基礎(chǔ)，以船舶某電子設(shè)備罩殼為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行沖壓回彈計(jì)算，研究結(jié)構(gòu)回彈因素，并為工程實(shí)踐提供參考。

1　有限元模型

首先基于三維CAD軟件建立沖壓幾何模型如圖1所示，主要包括上模、下模、壓板、板料。其中上模與下模分別通過產(chǎn)品零件對(duì)稱偏置獲得，偏置距離為板料厚度的一半。

圖1　模具幾何結(jié)構(gòu)Fig. 1　 Geometry of the die structure

采用Hypermesh軟件，對(duì)上述建立的沖壓模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。為了便于后續(xù)參數(shù)設(shè)定，上模、下模、板料、壓板網(wǎng)格均采用用各自COMPONENT集合器進(jìn)行存放，有限元模型如圖2所示。

圖2　沖壓回彈有限元模型Fig. 2 Springback finite element model

為減少?zèng)_壓過程計(jì)算量，本文只建立沖壓模型的半個(gè)部分，將該問題轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎸?duì)稱有限元計(jì)算。在處理平面對(duì)稱有限元問題時(shí)，只需對(duì)板料邊界條件進(jìn)行處理，如圖3所示。板料在對(duì)稱面上的材料在面內(nèi)無轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并且無法沿著對(duì)稱面法向移動(dòng)，因此最終約束對(duì)稱面上節(jié)點(diǎn)1，5，6自由度，分別代表x軸方向位移、繞y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

圖3　板料邊界條件處理Fig. 3　 Boundary conditions of sheet metal

在沖壓過程中，上模與下模的結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)板料而言很大，在計(jì)算過程中可以只考慮板料的彈塑性變形，而忽略模具本身的結(jié)構(gòu)變形，本文在處理模具剛性問題時(shí)，采用一維剛性單元reb－2對(duì)上下模進(jìn)行處理，將上下模具表明各節(jié)點(diǎn)作為reb－2剛性單元的從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)則采用自動(dòng)計(jì)算的方法，實(shí)際上為各從節(jié)點(diǎn)的幾何中心，如圖4所示。

圖4　模具剛性處理Fig.4　Rigid processing of the die

2　沖壓計(jì)算

如圖5所示，當(dāng)應(yīng)力幅為300 MPa以下時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力幅超過300 MPa時(shí)，二者呈非線性關(guān)系。在沖壓仿真計(jì)算過程中，上模向下運(yùn)動(dòng)，接觸到材料后帶動(dòng)材料一同向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)材料與下模接觸后開發(fā)發(fā)生彈性變形，在該階段應(yīng)力與應(yīng)變均在線彈性范圍以內(nèi)，建立剛度矩陣時(shí)引用線彈性范圍以內(nèi)的關(guān)系進(jìn)行插值。隨著沖壓過程的不斷進(jìn)行，材料將逐漸出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象，子在該階段內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系采用非線性部分的曲線進(jìn)行插值，并構(gòu)造剛度矩陣。

圖5　材料蠕變特性Fig.5　The creep properties of materials

基于DEFORM軟件對(duì)沖壓回彈有限元模型進(jìn)行設(shè)置，其中上模屬性設(shè)為die，下模屬性設(shè)置為punch，板料屬性設(shè)置為sheet，壓板屬性設(shè)置為binder。將材料蠕特性設(shè)置為如圖5所示。由于本文建立的為罩殼結(jié)構(gòu)的半個(gè)部分，因此需要對(duì)平面對(duì)稱邊界條件進(jìn)行處理，設(shè)置symmetry屬性為－x，即對(duì)稱面為yz平面，并且另半個(gè)部分在－x軸方向。設(shè)置完畢后，調(diào)用初始化程序?qū)ι夏?、下模、板料、壓板位置進(jìn)行復(fù)位計(jì)算，使各結(jié)構(gòu)處于計(jì)算的最初位置。

通過計(jì)算，獲得了沖壓過程中各力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間變化的特點(diǎn)。圖6為沖壓各載荷步中材料位移，由位移值的變化過程可知，材料沖壓計(jì)算過程收斂，沒有出現(xiàn)位移畸變現(xiàn)象。

圖6　沖壓過程計(jì)算Fig.6　Stamping process calculation

由圖6可知，板料邊緣在拉伸過程中會(huì)快速收縮，在收縮過程中，由于壓板力的存在，材料會(huì)在材料平面內(nèi)發(fā)生較大的塑性變形。對(duì)于矩形板而言，變形最嚴(yán)重的是板料中間部分，只要原因是板料4個(gè)角落相對(duì)模具中心距離較大，摩擦力呈逐漸增大的趨勢。因此板料4個(gè)角落的位移較

小。而板料中間部分由于距離模具中心較近，摩擦力較小，因此出現(xiàn)了整體滑移收縮的情況。當(dāng)上模與下模接觸時(shí)，也就是沖壓過程的最后一步，板料4個(gè)角落與中間部分材料的變形產(chǎn)生了較大差別。

板料拉伸過程中，應(yīng)變分布如圖7所示(限于文章篇幅，本文只給出板料出現(xiàn)較為明顯應(yīng)變以后的應(yīng)變?cè)茍D)。

圖7　結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布Fig.7　Structure strain distribution

板料應(yīng)變?cè)茍D表明，板料在整個(gè)拉伸過程中，角落的應(yīng)變首先出現(xiàn)，并最終成為最大值。由于結(jié)構(gòu)應(yīng)變是材料彈塑性變形的主要特征，結(jié)構(gòu)回彈主要是由于結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)變恢復(fù)過程導(dǎo)致的。因此，為了減小材料回彈現(xiàn)象，可以通過減小材料應(yīng)變峰值的方法減少結(jié)構(gòu)回彈。上述分析表明:板料在角落處應(yīng)變值最大，這主要是由于板料4個(gè)角落的摩擦力過大，導(dǎo)致的材料滑動(dòng)受到較大的阻力，使得板料4個(gè)角落產(chǎn)生了較大的彈塑性變形。

在實(shí)際沖模過程中，可以首先對(duì)板料進(jìn)行處理，將4個(gè)方角沖剪呈圓角形式，這樣可以保證板料四周材料分布較為均勻，使壓邊力較為一致，使材料在沖壓過程中受力均勻，減少結(jié)構(gòu)回彈量。

3　結(jié)語

1)為了研究結(jié)構(gòu)回彈現(xiàn)象，建立了某船用電子設(shè)備罩殼沖壓回彈有限元模型，基于彈塑性材料模型對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

2)計(jì)算結(jié)果表明，板料4個(gè)角落距離模具中心距離較大，導(dǎo)致摩擦力較大，使得板料四周材料滑動(dòng)特性產(chǎn)生了較大的區(qū)別。沖壓過程中材料不同的滑動(dòng)特性會(huì)使得材料受力不均勻，使其應(yīng)變分布產(chǎn)生較大的差異，這是結(jié)構(gòu)局部回彈的主要因素。

3)在實(shí)際沖壓過程中，可以首先將板料沖剪成圓角形式，使板料四周材料分布較為均勻，使壓邊力較為一致，使材料在沖壓過程中受力均勻，減少結(jié)構(gòu)回彈量。

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作者簡介:羅之軍(1977－)，男，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

收稿日期:2014－10－09;修回日期: 2014－12－28

文章編號(hào):1672－7649(2015) 07－0192－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.045

中圖分類號(hào):U664．21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A