數(shù)值模擬在沖壓工藝及模具設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

施于慶

(浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

數(shù)值模擬在沖壓工藝及模具設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

施于慶

(浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

以杯形件拉深過程為例，探討了ANSYS/LS-DYNA工程分析軟件在沖壓工藝及模具設(shè)計課程教學(xué)中的應(yīng)用。將沖壓工藝及模具設(shè)計的教學(xué)與ANSYS/LS-DYNA的有限元模擬技術(shù)相結(jié)合，使學(xué)生能更容易理解教學(xué)中的抽象概念，并運用有限元模擬技術(shù)拓展思路以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力，從而提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

杯形件拉深；有限元模擬；沖壓工藝及模具設(shè)計；ANSYS/LS-DYNA

沖壓工藝及模具設(shè)計課程是浙江科技學(xué)院材料成形及控制工程、機械設(shè)計制造及其自動化、車輛工程專業(yè)的專業(yè)選修主干課程，主要內(nèi)容為沖裁、彎曲及拉深等沖壓工藝分析和模具設(shè)計基本方法。通過該課程的學(xué)習(xí)，要求達到能分析和解決一般沖壓問題和設(shè)計模具的能力。在模具設(shè)計和制造過程中，目前主要還是根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗的積累和不斷反復(fù)的試模和返修，直到做出合格產(chǎn)品[1]。因此，企業(yè)對畢業(yè)生有一定的工作經(jīng)驗要求。沖壓工藝及模具設(shè)計的教學(xué)只能從最基本概念和設(shè)計方法開始講授，學(xué)生要在較短的時間內(nèi)掌握這些基本的概念和設(shè)計方法，在缺乏工程背景和經(jīng)驗不足的情況下，是存在著一定難度的。因此，教師摸索一些先進的教學(xué)方法和手段[2-7]，將一些基本要點傳授給學(xué)生，能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力。有限元模擬技術(shù)應(yīng)用就是先進教學(xué)方法和手段之一。

伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展， CAE(computer-aided engineering)技術(shù)越來越受到企業(yè)的重視。尤其是在浙江，模具企業(yè)眾多，簡單沖壓模具設(shè)計制造逐漸轉(zhuǎn)向復(fù)雜高端大型沖壓模具設(shè)計制造，模具制造之前通過采用CAE 數(shù)值模擬仿真技術(shù)將材料成形過程中的動態(tài)變化和可能產(chǎn)生的缺陷如起皺和拉裂顯示出來，在預(yù)測、評估和優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析得到比較可行的工藝方案，進而提高模具設(shè)計水平、縮短模具制造周期，降低模具生產(chǎn)成本，就變得越來越重要。CAE技術(shù)與沖壓工藝分析和模具設(shè)計結(jié)合，在工業(yè)發(fā)達國家使用比較普遍， 然而中國還比較缺乏既懂沖壓工藝及模具設(shè)計又能熟練應(yīng)用CAE技術(shù)的專業(yè)人才。如果學(xué)生掌握CAE分析技術(shù)，就能極大地彌補缺乏工程背景和經(jīng)驗的不足。為此，筆者結(jié)合多年來的工程實踐與教學(xué)及科學(xué)研發(fā)經(jīng)驗[8-10]，探討如何在沖壓工藝及模具設(shè)計課程教學(xué)中應(yīng)用有限元分析來輔助教學(xué)。

1 教學(xué)中應(yīng)用的有限元分析工程軟件

圖1 UG-ANSYS/LS-DYNA聯(lián)合建模求解技術(shù)的流程Fig.1 Modelling solution process by UG-ANSYS/LS-DYNA

板料沖壓工程分析軟件主要有AUTOFORM、ANSYS/LS-DYNA和FASTFROM等。選用ANSYS/LS-DYNA分析軟件作為沖壓工藝及模具設(shè)計課程中的輔助教學(xué)軟件，是由于美國利弗莫爾軟件技術(shù)公司(Livermore Software Technology Corporation，LSTC)研發(fā)的這款計算機輔助分析軟件功能強大，足以計算模擬實際工程的各種復(fù)雜問題。它采用的是通用顯式非線性有限元分析程序，將Lagrange算法結(jié)合了ALE和Euler算法，主要運用的求解功能為顯式，兼顧求解的隱式功能，非常適用于解決板料金屬成形等高度非線性瞬態(tài)動力學(xué)問題，如薄板沖壓成形后的回彈計算等。其分析結(jié)果經(jīng)過與工程實際的無數(shù)次驗證相比較，完全可以證明該分析軟件的準確性與可靠性。因此，作為大型通用有限元分析軟件之一的ANSYS軟件,是當代機械設(shè)計或產(chǎn)品分析計算不可缺少的計算機輔助工具。前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊是軟件的3個主要部分。一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具放在前處理模塊中，構(gòu)造有限元模型對用戶極其方便。但其后處理功能相對較差，于是美國ANSYS公司在1997年購買了LS-DYNA的使用權(quán)，形成了ANSYS/LS-DYNA，彌補了上述不足[8]。

2 ANSYS/LS-DYNA計算分析流程

分析引擎ANSYS/LS-DYNA的系統(tǒng)涵蓋：在建模中使用前置處理模塊，提供給求解器進行求解計算，并由后處理模塊分析。即把完成板料成形有限元模型的生成與輸入文件的準備工作放在前置處理模塊中，運用求解器進行有限元分析計算，根據(jù)求解器計算出的結(jié)果，交給模具設(shè)計人員或沖壓工藝員作進一步分析研究。圖1所示是在ANSYS/LS-DYNA軟件中進行沖壓模擬的分析流程。

3 教學(xué)中應(yīng)用有限元分析軟件的實例

1-凸模;2-壓邊圈;3-坯料;4-凹模。圖2 拉深模型Fig.2 Deep-drawing model

按照圖2的拉深模型，設(shè)圓板直徑115 mm,凹模內(nèi)徑45 mm，凸模外徑40.8 mm；計算拉深系數(shù)后得到不能一次拉深成形的結(jié)論，否則要拉裂；或者壓邊力取值比較小的情況下，發(fā)生起皺現(xiàn)象等都可通過模擬得到[9-10]。通過該拉深模擬使學(xué)生了解：計算拉深系數(shù)并判斷能否一次拉深，壓邊力大小對起皺和拉裂的影響。

利用ANSYS實體建立模型(或三維CAD軟件建模，導(dǎo)入ANSYS)，經(jīng)過定義單元、材料和劃分網(wǎng)格，定義接觸及設(shè)置工藝參數(shù)，約束及加載等(圖3是加載前有限元模型)。設(shè)置分析參數(shù)并提交求解器計算得到，當壓邊力太小時發(fā)生起皺(圖4)，不能一次拉深成形；或當壓邊力太大時，發(fā)生了拉裂的成形極限圖(forming limit diagram, FLD)(圖5)。圖6是杯形件的應(yīng)力分布。

通過上述的模擬結(jié)果，幫助學(xué)生直觀理解毛坯拉深時產(chǎn)生的塑性變形區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變變化過程，沿筒壁高度方向的厚度等變化，以及凸模圓角上方發(fā)生破裂和法蘭邊緣發(fā)生起皺的變形機理等，從而彌補了傳統(tǒng)教學(xué)及實驗的不足之處，學(xué)生比較容易接受采用動畫演示的模擬過程，進一步加深了印象。學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上修改有限元模型，得到自己想得到的分析結(jié)果，進一步理解拉深工藝及拉深模具設(shè)計。

圖3 有限元模型Fig.3 FEM model

圖4 拉深件起皺 Fig.4 Deep-drawing parts with wrinkles

圖5 拉深件破裂的成形極限圖Fig.5 FLD of deep-drawing parts with cracks

圖6 杯形件的應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of cup-shaped parts

4 結(jié) 語

有限元分析與沖壓工藝及模具設(shè)計課程的教學(xué)相結(jié)合，將板料拉深力學(xué)分析和拉深結(jié)果直觀地表達出來，使學(xué)生能夠觀察到拉深每步的過程和結(jié)果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，從而讓他們對有限元模擬技術(shù)能有效地解決許多沖壓實際工程問題有了深刻的認識。

[1] 周志明，黃偉九，王興國，等.材料成型及控制工程專業(yè)CAE模塊化教學(xué)改革探索[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(社會科學(xué)版),2012,23(1):172.

[2] 楊俊杰，李堯，余五新，等.《沖壓工藝及模具設(shè)計》課堂教學(xué)方法改革[J].教育教學(xué)論壇，2014，26(20):45.

[3] 喻彩麗，吳堅，施于慶.德國FH實踐教學(xué)模式對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的啟示[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報，2010，22(5)：398.

[4] 李云濤，諸亮，付麗，等.基于工程教育論證的專業(yè)課程與實踐環(huán)節(jié)調(diào)整及優(yōu)化[J].模具工業(yè)，2015，4(12)：66.

[5] 陳開源，王穎，歐積瑞，等.基于項目化教學(xué)的《塑料成型工藝與模具設(shè)計》課程改革與實踐[J].模具工業(yè)，2016，42(1)：71.

[6] 王麗娟，高穎，張漢杰，等.對沖壓工藝模具課程教學(xué)改革的幾點體會[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011，119(7)：58.

[7] 趙亞東，郝安林.《金屬塑性成形原理》課程的教學(xué)探索[J].安陽工學(xué)院學(xué)報，2011，10(4)：95.

[8] 施于慶.沖壓工藝及模具設(shè)計[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2012：259-261.

[9] 施于慶，李凌豐.板料拉深有限元模擬沖模速度研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，2010，33(3)：75.

[10] 施于慶，祝邦文.金屬塑性成形原理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2016:157.

Application of numerical simulation on teaching in course of press-works and press-tools

SHI Yuqing

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology,Hangzhou 310023, China)

Taking deep-drawing of cup-shaped parts as an example, the teaching study on course of press-works and press-tools by FEM was discussed.The combination of teaching with FEM helps students to understand the abstract concepts in the course and broaden their perspectives in applying FEM. It also improves the student’ s interest in learning and simulate their motivation to learn, thus improve the teaching quality and teaching effect.

deep-drawing of cup-shaped parts；FEM; press-works and press-tools; ANSYS/LS-DYNA

10.3969/j.issn.1671-8798.2016.06.012

2016-01-26

浙江科技學(xué)院教學(xué)研究項目(2013-k1)

施于慶(1959— )，男，浙江省杭州人，教授，碩士，主要從事板料成形及計算機仿真研究。

G642.30；TG386.32

A

1671-8798(2016)06-0479-04