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薄板多点成形过程有限元分析的研究

裴永生  
【摘要】:多点成形是金属板材三维曲面成形的一种柔性加工方法,它采用一系 列规则排列、高度可调的基本体组成“柔性多点模具”。多点成形技术采用 数控技术来控制基本体的位移和速度,实现基本体群包络面的变化,达到 柔性成形。相对于传统的模具成形方法,多点成形实现了一机多用的构想。 具有压边装置的多点成形压力机能够实现薄板类件的多点成形。薄板 类件多点成形在力学上是一个相当复杂的问题,它既要考虑材料非线性, 又要考虑几何非线性;既有弹性变形,又有塑性变形;既要分析多点成形 卸载后的回弹量,又要分析预测多点成形过程中可能会产生的各种缺陷。 而数值分析方法是各种金属成形过程中优化模具设计、预测成形缺陷及分 析成形质量必不可少的工具,有限元分析则是各种数值方法中最为有效的 方法。近几十年来,有限元数值模拟方法在板材成形工艺分析中的应用越 来越广泛。有限元方法不仅用于典型成形工艺分析及实际板类件成形过程 模拟,而且还用于起皱、压痕等成形缺陷预测、成形后的回弹计算以及用 于解决原始坯料设计等问题。对于薄板类件多点成形过程,由于基本体和 板材之间接触状态不断发生变化,加载条件复杂,应用动态显式有限元算 法求解具有明显的优势。采用动态显式有限元算法对薄板类件多点成形过 程进行数值模拟是本文的重要研究内容。 本文所作的主要工作如下: 1.对薄板类件多点成形类型、基本原理及变形特点的研究 多点成形的主要特征可以概括为通过对基本体高度的调整实现多种曲 面的成形,在成形过程中,各基本体的相对运动状态决定了板材的变形路 径与载荷分布,即决定了制品的成形效果和质量。因此,对基本体运动状 态的控制是多点成形技术的关键。多点成形的基本体控制类型可分为固定 型、被动型与主动型。由这三种不同控制类型基本体的组合可以有六种成 形方法,其中具有代表性和实用性的有四种成形方法:多点模具成形、半 多点模具成形、多点压机成形和半多点压机成形。 薄板类件多点成形的实质就是把模具曲面分解为很多离散点,用多数 基本体代替传统的模具,同时根据薄板的材料性能和薄板类件形状的复杂 I WP=128 吉林大学博士研究生学位论文 性,选择刚性压边或柔性压边,调整液体压力以控制压边力,从而能够有 效防止薄板类件在多点成形过程中容易产生的起皱现象。 薄板类件多点成形时,与被成形件接触的基本体头部表面形状对成形 曲面的表面质量产生较大的影响。如果基本体头部的表面形状采用平面, 则被成形件在成形过程中基本上都是与其边角处接触,因而会产生很多缺 陷。为了实现不同曲面的变形,便于计算与控制基本体的位移量,头部形 状可以采用球形面。 2、对有限元模型建立及数值模拟关键算法和参数的研究 在进行薄板类件多点成形的有限元分析中,涉及两类边界条件,一类 是载荷,另一类是运动约束。不同的边界条件有不同的场变量。由于各种 多点成形方法的成形原理不同,其有限元模型的初始条件、边界条件亦各 不相同。对于多点模具成形方法,其基本体群的运动可通过两种方式控制。 一种是通过位移(或速度)—时间曲线控制;另一种则通过给定主动基本 体群的压力或压强曲线进行控制。在本文中采用给定位移—时间曲线的控 制方式。为了给出合适的位移—时间曲线,必须精确计算出各基本体与工 件的接触点的位置,即基本体的高度。 考 虑 到 Belytschko-Lin-Tsay(BLT)单 元 忽 略 了 扭 曲 效 应 导 致 计 算 精 度较差,而 Belytschko-Wong-Chiang(BWC)壳单元充分考虑了空间的几何 构形,对于扭曲问题,其计算精度较高,因此 BWC 壳单元已成为目前板材 成形和碰撞分析领域应用最广泛的壳单元模型。 3、有限元软件的二次开发 尽管运用商用有限元软件能够成功地模拟三维板材多点成形过程, 但其前处理建立有限元模型过程较为复杂,特别是随着设备制造的 系列化,针对不同的多点成形压力机、不同材质和尺寸的板材以及 不同的成形形状,所进行的多点成形有限元分析都要建立不同的有 限元模型,其难度很大,而且耗时很多。因此板材多点成形的有限 元分析迫切需要在现有的商用有限元软件的基础上进行软件的二 次开发,使用户仅需输入一些相关参数即能建立不同类型的有限元 模型,从而避免了很多繁琐的建立有限元模型的工作。为此,本文 在商用有限元软件的基础上,运用 VISUAL C++6.0 进行了这方面的 尝试。 4、对薄板类件多点成形过程的数值模拟研究 金属板材成形计算机模拟技术的发展为我们解决这些问题提供了强有 II WP=129 摘要 力的手段,它能够利用计算机技术模拟分析金属板材成形时从坯料到制件 的成形过程,给出成形过程中坯料几何形状、尺寸和性能的改变,求出应 变场、应力场以及变形所需的载荷和能量,并且预测缺陷的产生与发展, 为实际生产提供理论依据,使我们的设计工作逐步由经验型向理论型过渡。 多点成形技术作为一种柔性成形方法,与传统的模具成形方法相比具 有许多共同规律,另外也有其自身的特点。由于多点成形中易于产生各


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