半球形正反沖壓有限元模擬

摘要：隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)慢慢成為金屬板材塑性成形研究方向的一種可靠的探究技術(shù)，且對生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用。本文基于Marc有限元軟件，對球形件一次拉深過程和正反拉深過程進行模擬，并以此探究其成形零件的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。

關(guān)鍵字：半球形件；沖壓；有限元模擬

1.引言

板材成形的變形機制相當(dāng)復(fù)雜，而理論分析中的其它方法，如主應(yīng)力法、滑移線法、上限法和下限法等[1-3]，由于利用過多的假設(shè)，分析結(jié)果存在很大誤差，有時甚至是錯誤結(jié)果[4-6]。有限元法是對塑形成形過程進行數(shù)值模擬的最有效方法。運用有限元模擬，可以對金屬塑性加工過程金屬的流動進行分析，從而得出流動規(guī)律，應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律等，依此來推測在相應(yīng)的條件下所發(fā)生的實際過程，對設(shè)計方案和工藝參數(shù)進行評價和優(yōu)化，篩選出最優(yōu)的工藝方案[7-9]。有限元模擬無需建造物理模型，這相對于物理模擬，無疑就節(jié)省了大量的人力、物力和時間[6-10]。

2.球形件正反沖壓有限元模擬

2.1幾何模型及材料屬性

用Marc軟件對球形件一次拉深成形和正反拉深成形進行有限元模擬，所建模型為1/4對稱模型。其中坯料半徑為42mm，厚度為1.08mm，凸模半徑均為23.35mm，凹模內(nèi)徑為24.35mm，凹模圓角半徑均為6.5mm。采用八節(jié)點六面體單元，共劃分12288個網(wǎng)格。

材料為304不銹鋼，經(jīng)過公式換算 ， 得出材料的彈性模量E=145.757GPa，泊松比 =0.3，摩擦系數(shù)為 =0.1。

2.2 接觸條件及工況載荷設(shè)置

按照接觸類型將坯料定義為變形體，上凸模、下凸模、上凹模和下凹模定義為剛體，之后再定義兩個對稱面。

球形件二次正反深成形模擬時，兩個凸模的運動由的曲線給定，定義LOADCASE歷程的總時間為450s，總的步數(shù)為450，成形時凸模綜合位移為32mm。

球形件三次正反深成形模擬時，兩個凸模的運動由曲線給定，摩擦系數(shù)不變，定義LOADCASE歷程的總時間為600s，總的步數(shù)為600，成形時凸模綜合位移為32mm。

3.模擬結(jié)果及對比分析

3.1等效應(yīng)力狀態(tài)分析

球形件正反拉深第一階段等效應(yīng)力云圖，可以得到受力區(qū)主要在球底變形的區(qū)域；分析正反拉深過程中第二，三階段等效應(yīng)力云圖，可以得到應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在球底貼模區(qū)域及其附近，球頂尖部位應(yīng)力并不大，這是由于正反過程中該區(qū)域變形“翹起”未貼模；分析正反拉深最后成形時（未卸載）時等效應(yīng)力云圖，該階段法蘭區(qū)和圓角區(qū)為主要受力區(qū)，球頂尖部位應(yīng)力仍很小。

正反變形過程最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在了零件最后成形的階段，并可見在正反拉深中間過程中不會出現(xiàn)因為應(yīng)力超過抗拉強度破裂的情況。

3.2等效應(yīng)變狀態(tài)分析

分析球形件正反拉深成形第一階段應(yīng)變云圖，該階段變形主要發(fā)生在坯料底部，坯料的其他區(qū)域變形量很小；分析球形件二次正反拉深成形第二階段等效應(yīng)變云圖，可以看出變形主要發(fā)身在正反變形區(qū)域和球底區(qū)，而懸空區(qū)、凹模圓角區(qū)及法蘭區(qū)變形量很?。环治銮蛐渭握蠢畛尚蔚谌A段等效應(yīng)變云圖，該階段變形主要發(fā)生在正反變形區(qū)及球頭區(qū)域，坯料其他區(qū)域變形量極小；分析為球形件二次正反拉深成形第四階段等效應(yīng)變云圖，分析可知該階段最大變形發(fā)生在凹模圓角區(qū)，其次球頭部位變形量也很大，懸空區(qū)域變形量很小。

4.球形件正反拉深成形結(jié)束時的應(yīng)力應(yīng)變

4.1成形時應(yīng)力對比

分析球形件一次拉深完全成形時（未卸載）中間一層的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布曲線?？梢缘玫剑瑥较驊?yīng)力均為拉應(yīng)力，在球頭部位基本不變，之后隨著與毛坯中心距離的增加下降，在凹模口附近出現(xiàn)峰值。周向應(yīng)力變化與周向應(yīng)變變化趨勢大致相似，在球底區(qū)隨著與毛坯距離的增大緩慢下降，致貼模點附近驟降為零，此處為應(yīng)力分界圓。然后應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力繼續(xù)下降，在凹?？诔霈F(xiàn)一正應(yīng)力峰值。徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力在凹?？谔幊霈F(xiàn)峰值，是因為在凹模圓角處考慮存在摩擦阻力和彎曲阻力的作用。在球底區(qū)，徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，為雙向拉應(yīng)力的脹形狀態(tài)。且在球底中心附近，徑向拉應(yīng)力和周向拉應(yīng)力同時出現(xiàn)峰值，減薄量最嚴(yán)重，所以該處最容易發(fā)生斷裂。

4.2成形時應(yīng)變對比

三種拉深工藝下，徑向應(yīng)變均為拉應(yīng)變，且變化趨勢大體一致，而周向應(yīng)變和厚向應(yīng)變出現(xiàn)很大差異。首先，在球心處，隨著拉深正反次數(shù)增多，周向拉應(yīng)變減?。黄浯?，隨著正反次數(shù)增加，周向應(yīng)變零點往球心處移動，即應(yīng)變分界圓往球心移動。這就使得多次正反拉深時，脹形區(qū)范圍明顯減小。因為周向拉應(yīng)變與周向壓應(yīng)變值大幅度的減小，使得脹形區(qū)域減薄量也明顯減小。

分析球形件一次拉深、球形件二次正反拉深、球形件三次正反拉深三種拉深工藝下，通過計算得到的球形件最后成形時厚向應(yīng)變的分布曲線。可以看出，正反拉深時球底區(qū)厚向應(yīng)變明顯減小，正反次數(shù)越多，厚向應(yīng)變變化越小。

三次正反時，厚度方向應(yīng)變近似為零，這與前面模擬的得到的壁厚分布曲線規(guī)律基本一致。

5.結(jié)論

本文對球形件進行正反沖壓計算機仿真，將成形過程和仿真結(jié)果與傳統(tǒng)一次沖壓進行對比得出如下結(jié)論：

（1）正反變形過程最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在了零件最后成形的階段，并可見在正反拉深中間過程中不會出現(xiàn)因為應(yīng)力超過抗拉強度破裂的情況；最大變形發(fā)生在凹模圓角區(qū)，其次球頭部位變形量也很大，懸空區(qū)域變形量很小。

（2）兩種工藝下的徑向應(yīng)力分布基本相同。而在球底區(qū)，正反拉深時徑向應(yīng)力明顯小于球形件一次拉深時的徑向應(yīng)力。在球底中心區(qū)域，球形件一次拉深時，該區(qū)域周向應(yīng)力為拉應(yīng)力最大值。而球形件二次正反拉深時，該區(qū)域為微小的壓應(yīng)力或較小的拉應(yīng)力。

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作者簡介：

湯安朔（1982年12月—），男，山東省臨沂市人，工程師，研究方向：機械設(shè)計及自動化，信息化管理。