板材成形模拟的研究和应用

介绍了板材成形数值模拟技术的研究和应用在国内外发展的概况,并从基本算法、单元模型和网格划分、材料模型、接触摩擦、起皱问题、破裂问题和回弹计算等方面介绍了弹塑性有限元的基本原理、关键技术和主要难点,结合在工厂实际生产中的使用情况和存在的问题,展望了板材数值模拟技术今后的发展方向.     

大幅面板材渐进折弯成形的本构建模及模拟

为了提高大幅面板材成形的模拟精度,在板材折弯平面应变假设条件下,推导出基于Hill各向异性屈服准则的弹塑性本构方程.借助ABAQUS有限元软件本构模块用户子程序接口,通过编程将上述推导的应力-应变本构关系显示表达式嵌入ABAQUS分析平台.以超长大开口半椭圆形工件成形为例,建立了大幅面钢板渐进折弯的三维弹塑性有限元模型,并数值模拟了多道次渐进折弯成形及回弹全过程.模拟效果和工程应用结果表明,与传统的基于平面应力假设的本构关系模型相比,采用平面应变假设的本构关系模型的模拟结果更接近实验值.     

不锈钢棒材无模成形温度场有限元模拟

采用有限元法对不锈钢棒材无模成形温度场进行了研究,并利用有限元分析软件对其进行了模拟,该模拟结果很好地反映了拉伸件在整个变形过程中的温度分布规律,为无模成形的进一步研究提供了可靠的依据.     

半球形件粘性介质压力成形的数值模拟研究

粘性压力成形技术是金属板材成形领域里新近出现的一种先进的加工工艺.对双面施放粘性介质的板材胀形进行了模拟研究,在双面施放介质的板材粘性介质胀形时,排放孔位置分布对毛坯成形过程有明显的影响.排放孔位置分布的不同造成模腔内介质的速度场不同,进而导致板材不同部位的流动速度的方向大小发生变化,最终使成形件的厚度分布不同.     

可移动凹模对板材液压成形影响的研究

为了研究可移动凹模对板材液压成形的影响,进行了有无可移动凹模与不同可移动凹模加载方式(方式1与方式2)的板材液压成形试验.研究结果表明:比较有无可移动凹模对板材液压成形厚度分布的影响,在有可移动凹模时,成形零件厚度分布比较均匀,这种技术有利于提高板材的成形极限;没有可移动凹模,板材难于成形,尤其对于复杂零件;可移动凹模加载方式2比加载方式1更有利于板材厚度的均匀分布.     

铝合金板材磁脉冲辅助U形弯曲过程回弹数值模拟分析

目的揭示铝合金板材磁脉冲辅助弯曲成形对回弹的影响机理。方法基于两种磁脉冲辅助成形方案,采用数值模拟软件LS-DYNA,建立磁脉冲辅助U形弯曲的有限元模型。结果与准静态成形相比,磁脉冲辅助U形弯曲成形能减小板料圆角区的残余应力,方案Ⅰ板料圆角区等效塑性应变大于方案Ⅱ板料圆角区的等效塑性应变;电磁体积力能有效减小回弹,且放电能量越大,回弹角越小;磁脉冲辅助U形弯曲成形能减小板料的弹性应变能。结论相同放电电压下,方案Ⅰ的回弹控制效果好于方案Ⅱ的回弹控制效果。磁脉冲辅助U形弯曲减小回弹的主要原因是板料圆角区残余应力的减小和弹性应变能的降低。     

管材无模成形温度场的数值模拟及分析

采用有限单元法并结合有限元分析软件,对管材无模成形时管材温度场进行数值模拟研究,得到管材无模拉伸变形过程中温度场分布规律,并对影响温度场的因素加以分析,如冷热源间距、冷热源移动速度、加载时间分别对温度场分布的影响,该模拟结果与实验结果相吻合.     

粘弹性复合材料网格结构软模工艺数值仿真

复合材料网格结构软模成型共固化工艺具有低成本,高效率和高质量的特点.首先建立了网格结构软模成型共固化工艺过程有限元分析的数值仿真模型,然后通过典型算例,模拟了成型工艺中温度场,固化度场的相互影响及对粘弹性复合材料网格结构应力场的影响.论文工作对复合材料网格结构软模成型共固化工艺参数优化具有一定的参考价值.     

纯钛燃料电池双极板软模成形工艺研究

目的 研究软模成形过程中塑性应变比r值对双极板成形深度及壁厚的影响,探究不同工艺参数对双极板尺寸的影响规律。方法 通过单向拉伸实验得到纯钛极薄带的力学性能参数,然后采用橡胶软模成形方法制备纯钛燃料电池双极板,利用光学显微镜对制备的双极板尺寸及壁厚进行测量并深入分析。结果 TD取向的r值最大为2.56,沿该方向成形时,纯钛极薄带在载荷为300 kN、软模硬度为77HA条件下得到的双极板深度最大,为0.293 mm;同时,其壁厚减薄较小,在减薄最严重的位置壁厚减薄率仅为13.52%。结论 较大的载荷与适宜的软模硬度能得到较好的双极板深度,对双极板周期无影响;双极板深度、壁厚与r值有关,r值越大,纯钛极薄带抵抗壁厚减薄的能力越强,成形深度越大。     

板料成形中的有限元数值模拟技术

综述了板料成形中有限元数值模拟技术的发展及我国目前板料成形数值模拟技术的研究和应用水平.论述了美、日等发达国家在汽车覆盖件模拟方面取得的进展,指出了今后的研究方向.     

薄板类件多点成形过程的数值模拟

以希尔关于弹塑性材料唯一性的充分性条件为理论基础,采用虚功率增率型原理,建立了多点成形的有限元模型,探讨了板材厚度、材质及弹性介质等因素对成形结果的影响,通过数值模拟找出参数合适的弹性介质,并对薄板类件的多点成形过程进行了实验验证.研究表明,通过使用参数合适的弹性介质,可以有效抑制压痕现象的产生,并能保证工件的成形精度;实验验证表明对马鞍形件多点成形过程中压痕现象的模拟是合理的.     

板料渐进成形数值模拟与实验研究

为提高渐进成形的成形效率和成形质量,了解板料渐进成形的变形规律及工艺参数对成形的影响,采用有限元方法对板料渐进成形过程进行了数值模拟研究,分析了斜壁盒形件渐进成形过程应力分布和厚度变化趋势,通过对不同进给量和不同成形路径进行数值模拟,分析了工艺参数对成形的影响.结果表明,斜壁盒形件最大应力和最大厚度减薄发生在底面拐角处;成形过程中工具头运动轨迹应尽量采用走螺旋线的方式,可以提高成形件的成形能力和成形质量.渐进成形实验表明,数值模拟结果与实验结果基本吻合.     

多点成形中压痕的数值模拟及极限成形力的分析

压痕是多点成形中特有的成形缺陷之一,对压痕形成过程进行模拟时,采用实体单元比壳单元计算更准确.但是板料较薄时,采用实体单元划分的有限元很多,计算时间极长.为获得最佳的计算效率及模拟结果,对不同材料和不同厚度的球面和马鞍面样件进行了对比的数值模拟.结果表明,当板厚与板宽的比值小于0.015时,采用壳单元模拟压痕也能得到比较准确的结果,而当比值大于0.015时,则应采用实体单元.在此基础上,对不同板厚、不同曲率半径下的马鞍面和球面件出现压痕时的极限成形力进行分析,得到了厚向压应变为1%和5%的压痕对应的成形力极限图.     

Using genetic algorithm-back propagation neural network prediction and finite-element model simulation to optimize the process of multiple-step incremental air-bending forming of sheet metal

Using neural network to predict punch radius based on the results of air-bending experiments of sheet metal is a high efficiency work in spite of little error. A three-layer back propagation neural network (BPNN) is developed to best fit this discrete engineering problem involving many parameters of air-bending forming. A genetic algorithm (GA) is used to optimize the weights of neural network for minimizing the error between the predictive punch radius and the experimental one. Then, with the predicted punch radius and other geometrical parameters of a tool, 2D and 3D ABAQUS finite-element models (FEM) are established, respectively. The original forming process of multiple-step incremental air-bending of sheet metal, obtained from geometric planning for semiellipse-shaped workpiece, is simulated using the FEM. This process is further adjusted with simulation-optimization results, because of existing large errors in the workpiece simulated with the original forming process. Finally, a semiellipse-shaped workpiece, with average errors of +0.61/−0.62 mm, is manufactured with the optimized adjustment process. The experimental results show that the punch design method is feasible with the prediction model of GA-BPNN, and the means of optimizing process with FEM simulation is effective. It can be taken as a new approach for punch and process design of multiple-step incremental air-bending forming of sheet metal.     

板料成形中韧性断裂准则应用研究进展

对板料成形中的成形极限应力图、最大变薄率、成形极限图以及韧性断裂准则等预测成形极限的方法,进行了综述和分析。指出利用韧性断裂准则,不但能够较好地预测塑性差的板料成形极限,而且还能考虑应变路径的变化。利用有限元方法模拟时,韧性断裂准则既可以应用到完全耦合的弹塑性损伤模型的增量方法中,也可以应用到一步有限元逆算法中。为了准确地预测成形极限,除了提高有限元模拟精度外,应找到一种本质地反映材料性能的韧性断裂准则。     

正交异性板料拉深件快速展开与成形模拟

针对板件初始毛坯形状计算以及正交异性板的快速有限元分析问题,依据拉深件的UG模型,导出了零件的三角网格数据,并采用几何映射方法得到了用于快速有限元分析的拉深件初始展开毛坯.在此基础上,基于理想变形假设以及Hill’48正交异性屈服准则,给出了用于拉深件成形过程快速分析的一步法数学公式和有限元表达,并在Unigraphics系统中进行了有限元分析的后置处理.此外,对TC1钛板筒型拉深件毛坯初始形状进行了优化,并对成形中拉深件厚向应变分布进行了分析,得到了满意结果.     

Shape optimization of the initial blank in the sheet metal forming process using equivalent static loads

In the sheet metal forming process, forming the final desired shape is difficult to obtain due to wrinkling, tearing, failure of material, etc. Various conditions of the forming process should be controlled for the desired shape. These conditions are the velocity of the punch, the friction factor, the blank holding force, the initial shape of the blank and others. Many researchers have conducted studies to predetermine the initial blank shape. The structural optimization technique is one of them. Non‐linear response structural optimization is required because non‐linearities are involved in the analysis of the metal forming process. When the conventional method is utilized, the cost is extremely high due to repeated non‐linear analysis for function and sensitivity calculation. In this paper, the equivalent static loads (ESLs) method is used to determine the blank shape which leads to the final desired shape and reduced wrinkling. The ESLs method is a structural optimization method where non‐linear dynamic loads are transformed into ESLs, and these ESLs are utilized as external loads in linear response optimization. The design is updated in linear response optimization. Non‐linear analysis is performed with the updated design and the process proceeds in a cyclic manner. An optimization formulation is defined for the examples, the formulated problems are solved to verify the proposed method and the results are discussed. Non‐linear analysis is performed using the commercial software LS‐DYNA, NASTRAN is used for calculating the ESLs and linear response optimization, and an interface program for LS‐DYNA and NASTRAN is developed. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于FEA的板料成形工艺优化及评价函数研究

基于有限元和优化方法的板料成形工艺优化设计技术已经成为新的研究热点,建立合理的评价标准以形成目标函数,从而用于评价冲压件的成形性是其关键技术之一.提出局部成形性、整体成形性和综合成形性评价函数.基于试验设计法,结合方盒形件拉深以及发动机罩外板成形,验证了本文提出的评价函数具有良好的可靠性和易用性.