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板料冲压成形回弹理论及有限元数值模拟研究

张冬娟  
【摘要】: 回弹是板料冲压成形中存在的普遍现象,它直接影响着冲压件的尺寸精度。板料回弹量是整个成形历史的累积效应,它与成形过程中模具几何形状、材料性能、板料初始形状、工艺条件等诸多因素有关。特别是在有反复加载的情况下,材料的Bauschinger效应及其强化规律对于回弹计算精度有重要影响。在这些因素的共同作用下,板料回弹量的预测精度目前还难以达到工业应用的要求。高精度的回弹预测一致是工业界和学术界的重要研究课题。本文旨在从理论模型和有限元数值方法方面探讨影响板料回弹量的主要因素和提高回弹预测精度的途径。另外,也将本文方法应用于高强钢回弹能力的评价,为企业制定相关评价体系提供依据。本文的主要研究内容如下: 1)基于平面应变假设和Hill’48各向异性屈服准则,建立了不同材料强化模式下的板料V形弯曲、拉弯成形和U形弯曲的解析计算模型。基于这些模型,分析了材料强化模式和工艺参数对板料回弹量的影响规律,对于U形弯曲和拉弯成形,还建立了压边力和拉伸力等的极限成形条件。计算结果表明,解析模型给出的结果和试验结果吻合,与有限元数值方法相比,不仅提高了精度,缩短了计算时间,而且更有利于探讨板料回弹的机理。 2)为解决反向弯曲回弹问题,提出了考虑材料包申格效应的非线性混合强化材料模型,推导了不同屈服准则下,非线性混合强化材料模型的弹塑性本构关系矩阵,给出了应力应变更新计算公式,分析了屈服准则和材料强化模式对板料回弹量的影响。研究结果表明,对于具有反向加载特征的问题,基于Hill’48或Barlat’89屈服准则的非线性混合强化模式预测回弹结果与试验结果较为接近。 3)基于Mindlin壳理论和实体单元理论,推导了实体壳单元有限元列式,分析了实体壳单元的体积锁死和剪切锁死问题,并提出相应措施,数值模拟了NUMISHEET’93板料U形弯曲、NUMISHEET’2002无约束柱面弯曲、盒形件拉深切条回弹等考题。与试验值的对比表明,实体壳单元能有效提高回弹预测精度。 4)分析了有限元数值模拟参数对板料回弹预测精度的影响,从理论上推导了虚拟动能与板料回弹预测精度的关系。研究结果表明,显式算法因采用虚拟动能使回弹预测精度不高,隐式算法能有效提高回弹预测精度。在保证数值模拟精度的前提下,应采用较大的单元尺寸。实体壳单元因综合了壳单元和实体单元的特征并与模具表面直接接触使回弹预测精度最高。对于Mindlin壳单元或实体壳单元,在板厚方向采用7个高斯积分点,大于7的积分点数对回弹预测精度影响不大。 5)针对板料普遍存在的材料性能参数波动问题,基于正交试验设计和有限元数值模拟,研究了材料参数波动性对板料回弹量的影响规律。研究结果表明,杨氏模量的波动对板料回弹量的影响最大,其次分别为硬化系数、初始屈服应力、硬化指数及各向异性系数r0的波动,而各向异性系数r4 5及r9 0的波动对板料回弹量的影响可忽略,且数值模拟分析材料参数对板料回弹量的影响趋势与理论分析一致。 6)通过数值模拟和试验,研究了工艺参数对高强钢板料回弹量的影响规律,为制定高强钢板料回弹特性评价体系提供了理论依据。研究结果表明,数值模拟预测回弹结果与试验结果较为接近,能有效地代替试验预测板料回弹量。对于不同强度同一类型板料,回弹量随其强度的增加而增加。板料回弹量随凸凹模间隙、凸模圆角半径、拉深深度和板料与凸模间摩擦系数的增大而增大,随凹模圆角半径及板厚的增加而减小。增大压边力或板料与凹模间摩擦系数到一定数量后能有效控制板料回弹量,但过大的压边力或板料与凹模间摩擦系数会导致板料破裂。基于数值模拟和试验的工艺参数对板料回弹量的影响规律与本文的理论分析一致。


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