基于JSTAMP/NV的厚板彎曲件回彈分析要點(diǎn)

陳明丹　李智

摘要：以鐵路貨車某類零件為例，結(jié)合鐵路貨車沖壓件的特點(diǎn)，從建立回彈分析的數(shù)學(xué)模型入手，用JSTAMP/NV研究回彈的有限元求解過(guò)程，找出影響回彈的主要因素.結(jié)合實(shí)際模具設(shè)計(jì)，從坯料的網(wǎng)格劃分、成型速度和自適應(yīng)設(shè)置等方面論述提高回彈仿真分析精度的若干要點(diǎn).

關(guān)鍵詞：厚板彎曲件； 回彈分析； 應(yīng)力分布； 坯料網(wǎng)格

中圖分類號(hào)： TG386；TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract：Taking a type of parts of railway freight car as the example， combining with the characteristics of railway freight car stamping parts， JSTAMP/NV is used to study the finite element solution process of springback by building a mathematical model for springback analysis， and the key factors those affect springback are found out. Combining with the actual mold design， several key points those improve the springback simulation analysis accuracy are discussed by analyzing the meshing of blank， forming speed， adaptive setting， and so on.

Key words：thick plate bending part； springback analysis； stress distribution； blank mesh

0引言

鐵路貨車沖壓件的制造多采用3～7 mm的中厚板，與薄板成型相同，常見缺陷依然是拉裂、起皺和回彈.板材厚度的增加對(duì)拉裂和起皺有一定的抑制作用，但鐵路貨車的箱型結(jié)構(gòu)決定其車體零件在空間某方向的尺寸遠(yuǎn)小于另外2個(gè)方向，為達(dá)到空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，零件成型后必然會(huì)發(fā)生扭曲，見圖1.

板材成型件平面度缺陷和扭曲問(wèn)題都是由回彈引起的，在鐵路貨車沖壓件制造過(guò)程中，回彈引起的質(zhì)量問(wèn)題也是最常見和最難解決的.

以鐵路貨車上的某成型件為例（見圖2），該零件的成型特征包含多道彎曲，使用材料為Q345E，料厚為16 mm.基于JSTAMP/NV有限元分析軟件，結(jié)合多年的現(xiàn)場(chǎng)仿真分析經(jīng)驗(yàn)，從回彈分析數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建、坯料的網(wǎng)格劃分、成型速度、自適應(yīng)設(shè)置等方面分析，總結(jié)提高該類零件回彈仿真分析精度的要點(diǎn).

1回彈分析數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建

工件從模具中取出后，在彈性變形和殘余塑性變形的作用下，其角度和圓角半徑發(fā)生變化，即所謂的角度回彈和圓弧回彈.在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，為控制工件的回彈，要同時(shí)考慮角度和圓角半徑的補(bǔ)償.為保證補(bǔ)償前后模型的折彎線位置一致，筆者總結(jié)出“鉸鏈?zhǔn)健苯７椒ǎ夯贑AD軟件（如ProE）將角度和圓弧分2步特征建模，在模具調(diào)整中分別調(diào)整相應(yīng)的角度和圓弧，避免在一個(gè)草圖界面調(diào)整尺寸過(guò)多帶來(lái)的調(diào)整誤差.

1.1繪制制品形狀

按照1∶1繪制工件的上下表面、中間層線，尺寸標(biāo)注與零件設(shè)計(jì)標(biāo)注方式完全一致（見圖3），并且注意尺寸界線，產(chǎn)品圖的尺寸標(biāo)注一般考慮裝配面的位置關(guān)系.本例中由于彎曲圓角遠(yuǎn)大于5倍板厚，可以把制品的中間層線當(dāng)作中性層線.

1.2角度回彈變量

角度回彈模型核心思想是構(gòu)建回彈角變量.根據(jù)工件尺寸計(jì)算上表面、中性層和下表面的鉸點(diǎn)間的長(zhǎng)度尺寸，見圖4～6.在回彈補(bǔ)償過(guò)程中，回彈角度發(fā)生變化，鉸點(diǎn)間的長(zhǎng)度尺寸一直保持鎖定不變，就像鉸點(diǎn)連接一樣，這樣可保證補(bǔ)償前后折彎點(diǎn)位置一致，見圖7.實(shí)際模具設(shè)計(jì)中采用上表面、中性層或下表面都可以，在建立三維模型時(shí)，需要注意曲面加厚的方向.

1.3圓弧回彈變量

圓弧回彈變量的構(gòu)建通過(guò)倒圓角特征實(shí)現(xiàn)，在后續(xù)回彈補(bǔ)償中只需調(diào)整該變量即可，見圖8.

1.4回彈分析數(shù)學(xué)模型

根據(jù)1.2中選取的面判斷加厚方向，如采用上表面作為角度回彈變量和圓弧回彈變量，然后曲面加厚，完成回彈數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建，見圖9和10.

2影響回彈精度的因素

采用顯示求解器計(jì)算板料沖壓成型的準(zhǔn)靜力過(guò)程，然后采用隱式求解器計(jì)算回彈分析.回彈分析是在成型分析后進(jìn)行的，即成型分析的結(jié)果是回彈分析的輸入.基于該前后繼承的關(guān)系，成型分析應(yīng)力計(jì)算的精度直接影響回彈分析的精度.采用隱式求解器分析回彈的過(guò)程，本質(zhì)上是彈性應(yīng)變和殘余塑性應(yīng)變釋放的靜態(tài)過(guò)程，在分析參數(shù)方面應(yīng)更多地考慮如何提高收斂性，其對(duì)回彈精度的影響有限，即回彈分析計(jì)算準(zhǔn)確的前提是成型分析階段的應(yīng)力分布準(zhǔn)確計(jì)算.以JSTAMP/NV為載體，從坯料網(wǎng)格的劃分、成型速度、自適應(yīng)設(shè)置等方面闡述如何提高成型分析應(yīng)力分布準(zhǔn)確度的要點(diǎn).

2.1坯料網(wǎng)格劃分

在有限元分析過(guò)程中，坯料是唯一的變形體.[1]因此，與模具上曲率變化大的區(qū)域相接觸部位的坯料，其相應(yīng)位置要?jiǎng)澐旨?xì)密的網(wǎng)格，以保證應(yīng)力值的準(zhǔn)確.由于沖壓分析過(guò)程是大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形過(guò)程，在坯料變形的初始階段就預(yù)先確定坯料上網(wǎng)格的密度分布情況非常困難，可使用JSTAMP/NV軟件提供的“粗算”模板參數(shù)先進(jìn)行粗算，在后處理中查看板材最大主應(yīng)變的分布，見圖11.

由此可知，在圓角區(qū)域和邊緣位置應(yīng)變較大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此處坯料網(wǎng)格的劃分（見圖10）.借助HyperMesh等軟件分區(qū)域劃分出稀疏均勻的四邊形網(wǎng)格，仿真計(jì)算的單元類型采用16號(hào)單元，厚度方向積分點(diǎn)選7層以提高該區(qū)域的應(yīng)力值計(jì)算精度，為后續(xù)回彈分析做準(zhǔn)備.

2.2成型速度

在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，為降低成本并考慮到液壓機(jī)工作臺(tái)的工作面積有限，工件往往不能完全被模具覆蓋，坯料或工件的兩側(cè)常常懸出模具一部分，見圖12.在仿真計(jì)算中，如果不控制成型速度，往往會(huì)發(fā)生顯著的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)（見圖13），該現(xiàn)象會(huì)極大地影響回彈分析結(jié)果的精度.實(shí)際操作時(shí)一般采用降低仿真成型速度的方法避免該現(xiàn)象的產(chǎn)生，考慮回彈精度的要求，成型速度建議采用1 000 mm/s.

2.3自適應(yīng)設(shè)置

網(wǎng)格自適應(yīng)雖然優(yōu)點(diǎn)很多，尤其是工件輪廓尺寸大而變形區(qū)域很小的零件，采用自適應(yīng)網(wǎng)格會(huì)大大縮短計(jì)算的時(shí)間，但后續(xù)要進(jìn)行回彈計(jì)算的成型分析步，所以在成型分析步中不能采用網(wǎng)格自適應(yīng)，防止造成網(wǎng)格間應(yīng)力傳遞產(chǎn)生誤差（見圖14），或者新加入的網(wǎng)格增加局部單元的剛度.

2.4求解速度

降低成型速度和不采用自適應(yīng)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，仿真的速度會(huì)明顯降低.提升計(jì)算速度通常有2種方法：一是劃分稀疏不均的網(wǎng)格，即不把整體坯料網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一劃分，而是僅在局部考慮坯料網(wǎng)格尺寸的細(xì)化要求；二是當(dāng)模具不能完全包裹工件時(shí)，可人為地稍微加大模面，以提高仿真設(shè)定的成型速度，進(jìn)而提升求解速度.

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)（見圖15），雖然仿真分析有一定的誤差，但該誤差遠(yuǎn)小于人為經(jīng)驗(yàn)的感覺和理論書籍的計(jì)算誤差.

3結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，板料成型仿真分析在工程上的應(yīng)用越來(lái)越普遍.眾所周知，沖壓成型件是依靠板料的塑性變形獲取想要的形狀結(jié)構(gòu).成型過(guò)程是一個(gè)伴隨著摩擦、大位移、大變形、材料非線性的過(guò)程，如果沒有類似形狀的零件經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，新結(jié)構(gòu)零件的成型問(wèn)題無(wú)法采用傳統(tǒng)方法解決，采用多次調(diào)試的“試錯(cuò)法”很不經(jīng)濟(jì)、甚至無(wú)法成功，因此在生產(chǎn)實(shí)際中探索使用有限元分析方法，是解決板料成型難題的有效方法.

參考文獻(xiàn)：

[1]雷正保. 汽車覆蓋件沖壓成型CAE技術(shù)[M]. 長(zhǎng)沙： 國(guó)防科技大學(xué)出版社， 2003： 42-43.

（編輯武曉英）