基于數(shù)值模擬的U形拼焊板拉延成形方案設計

田傳臣

（唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北唐山，063200）

基于數(shù)值模擬的U形拼焊板拉延成形方案設計

田傳臣

（唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北唐山，063200）

U形拼焊板沖壓件形狀復雜，具有拉延距離長、材料流動不均勻等特點。使用Dynaform軟件建立了U形拼焊板的拉延成型模型，進行了數(shù)值模擬，從而提出設計方案。結(jié)果表明：選擇階梯壓邊圈和凸模模型等建模方案，可提高成形質(zhì)量。焊縫模型對計算精度影響不大，可簡化為剛性節(jié)點，提升計算效率。方案設計有助于尋求其它類似生產(chǎn)問題的解決。

數(shù)值模擬；拉延成形；拼焊板；焊縫

引言

U形拼焊板沖壓件材料強度多樣，可用于制造適合復雜工作條件的結(jié)構(gòu)件。該類板件除了在單一板料成形過程中會遇到多曲面成形效果差、表面質(zhì)量低等問題，還因板料強度、厚度差異及焊縫存在，求解變量增多（如板料間相互應力、焊縫強度等），增加了成形困難[1]。

20 世紀中期，模擬仿真研究開始盛行[2]，因其可大幅降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，已廣泛應用于科研和生產(chǎn)，成為當前生產(chǎn)技術探究的重要方法。本文利用Dynaform軟件對U形拼焊板沖壓件進行成形過程模擬，分析不同因素對板料成形的影響，以尋求該類生產(chǎn)問題的解決方案。

1 拉延成形數(shù)值模擬

使用Dynaform軟件進行數(shù)值模擬，可預測拉延過程中板料的不均勻流動所引起的區(qū)域厚度變化、材料位移、拉裂、起皺及回彈等現(xiàn)象，根據(jù)模擬結(jié)果修改工藝方法和變量數(shù)值，令成形結(jié)果達到最佳，從而為實際拉延生產(chǎn)提供參考和指導。運用Dynaform分析板料拉延過程可分三個步驟——建模、運算及結(jié)果分析。

拉延過程中板料是流動的，且因形狀多變且流動不均勻，內(nèi)部應力復雜且實時變化。為使數(shù)值模擬接近實際拉延過程，并在提高效率的前提下保持計算精確，合理配置關鍵技術和參數(shù)就顯得尤為關鍵。

1.1 建立材料模型

正確選用材料模型能夠合理展現(xiàn)材料的力學性能，在數(shù)值模擬時準確反映材料內(nèi)部應力變化關系。用于模擬計算的屈服準則有兩種，分別是厚向異性的Hill屈服準則和正交各項異性的Barlat屈服準則。在數(shù)值模擬時，相同材料使用不同屈服準則，結(jié)果也會不同。

相較于Hill屈服準則，Barlat屈服準則能夠更加精確描述金屬板料的屈服動作，故選取3參數(shù)Barlat計算公式，對于板材屈服函數(shù)指數(shù)M，面心立方晶格取8，體心立方晶格取 6。

1.2 設置模型單元

合理設置模型單元對計算結(jié)果和計算精度影響很大。殼單元更適合板料模擬。設置回彈模擬較精確的Fullintegrated單元（全積分單元），為兼顧精度和效率，厚度均勻設置7個積分點，而在拉延時取5個。

1.3 計算方法

邊界條件——罰函數(shù)接觸法不但兼顧接觸力和自由度，而且運算速度快，因此采用之。

求解算法——模擬回彈時采用動靜聯(lián)合運算，動力顯式算法用于拉延行為可提高計算效率，而靜力隱式算法用于回彈行為可提高精確性。

計算時注意：板料拉延后，內(nèi)部會產(chǎn)生復雜應力；模具卸載后，板料會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。模擬回彈時，選取運算速度快的無模法，厚度方向上取7個積分點進行回彈計算，表面基準為3個點。

2 拉延成形方案設計

拼焊板基板間因尺寸和材料屬性不同而成形效果不同，因此模擬計算前要依據(jù)板料形狀及材料性能建立沖模和焊縫模型。

2.1 壓邊圈

本文選取的拼焊板模型底面為平面，高度差體現(xiàn)在上平面，圖1所示為模型示意圖。

圖1 拼焊板模型

將凸模設置為階梯模具，因拼焊板存在高度差，故建立兩種模型模擬計算：

模型Ⅰ：整體階梯壓邊圈；

模型Ⅱ：分瓣階梯壓邊圈。

拼焊板兩側(cè)基板參數(shù)為：橫向與縱向長度，400 mm；Y方向長度，400 mm；薄板高度，0.7 mm；厚板料高度，1.75 mm；焊縫寬度，4 mm；厚度，1.0 mm?；宀牧暇鶠锽220P1，對其進行盒形沖壓模擬，拉延因素如表1所示。

表1 拉延因素參數(shù)

數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示。模型Ⅰ的焊縫最大偏移距離大于模型Ⅱ，是因為拉延時厚板方向存在變形惰性。若薄板側(cè)對厚板側(cè)橫向施力過小，薄板會跟隨厚板移動，致使焊縫偏移量變大。因此拼焊板拉延成形時應采用階梯壓邊圈。

表2 壓邊圈數(shù)值模擬結(jié)果

2.2 焊縫模型

拉延時拼焊板兩個基板的焊縫形態(tài)變化小，卻會影響成形及回彈結(jié)果，所以建模時有兩個思路：一是無視焊縫形狀，僅描述焊縫坐標，兩塊基板自然接合；二是根據(jù)焊縫自身形態(tài)及寬度，以殼單元建模，如圖2所示。

圖2 焊縫精確建模

設拼焊板左右兩塊基板長度均為150 mm，寬度均為60 mm，薄板高度為0.7 mm，厚板高度為1.75 mm，焊縫寬度為5 mm，厚度為1.0 mm，數(shù)值模擬所用參數(shù)同表1。

模型Ⅰ：壓邊圈為階梯壓邊圈，獨立對焊縫建模；

模型Ⅱ：壓邊圈為階梯壓邊圈，忽視焊縫尺寸。

計算結(jié)果如表3所示?？芍獙τ赨形拼焊板拉延成形，建立縱向焊縫模型對焊縫移動和回彈數(shù)值影響極其微小?？紤]到計算效率與精度關系，拼焊板的拉延成形模擬計算可不建立焊縫模型，通過剛性節(jié)點描述即可。

表3 焊縫模型數(shù)值模擬結(jié)果

2.3 凸模模型

通常凸模數(shù)學模型是偏置凹模拉深部分單元所生成，所以凹模下表面與上表面完全一致。但是拼焊板基板存在高度差，無法使用偏置單元來生成。本文設置成形件的上平面要求平滑，所以凸模上需設置與拼焊板高度差一致的階梯。

拉延過程中，焊縫先朝薄板方向偏移，后向厚板方向偏移。隨著拉延力增大，薄板首先變形且應力不斷增加，大于厚板屈服極限時，焊縫向薄板側(cè)移動，若凸模緊密接觸板料，對板料厚板施加橫向阻力會增加焊縫處橫向應力，導致焊縫附近薄板變形不均勻，甚至拉裂，如圖3（a）所示。

為避免不良后果，需在凸模焊縫處設置橫向余量，該余量應大于焊縫向薄板方向偏移量，使得焊縫移動時板料不會被卡住。橫向余量寬度建議設置為50 mm。如圖3（b）所示，拉延時焊縫處板料將不會產(chǎn)生橫向應力，但是會導致焊縫附近板料變形不均勻，所以要在橫向余量處填膠，補充焊縫處板料受到的變形力，同時還可填補模具與板料間縫隙，防止?jié)櫥托孤?/p>

圖3 凸模與板料位置關系

3 結(jié)語

通過制定U形拼焊板數(shù)值模擬及技術方案，利用Dynaform軟件計算分析，證明其能夠有效處理U形拼焊板的拉延成形問題，較真實地反映拉延過程。

[1]童正國, 林建平, 田浩彬,等. 直線焊縫差厚拼焊板的成形規(guī)律[J]. 機械工程學報, 2008, 44(5):215-219.

[2]龔志輝, 劉磊, 鐘劍,等. 汽車覆蓋件拉延模具結(jié)構(gòu)強度計算方法[J]. 鍛壓技術, 2016(10):118-121．

[3]劉細芬, 黃位健. 基于Dynaform的汽車覆蓋件拉延成形仿真研究[J]. 熱加工工藝, 2013, 42(3):129-131.

[4]謝暉, 陳亞柯, 潘鑫,等. 沖壓成形全過程模擬與回彈補償研究[J]. 熱加工工藝, 2013, 42(1):59-62.

[5]李奇涵, 劉海靜, 李笑梅,等. 基于Dynaform的汽車頂蓋沖壓成形回彈模擬及回彈補償[J]. 鍛壓技術, 2015, 40(10):16-19.

Scheme Design on Drawing Forming of U-shape Welding Plate Based on Numerical Simulation

TIAN Chuan-chen
(Tangshan Polytechnic College, Tangshan, Hebei,063200, China)

Stamping part of U-shape welding plate is complex in shape, and has the characteristics of long drawing distance and material flow non uniformity. Drawing forming model of U-shape welding plate is established using Dynaform software, and corresponding numerical simulation is carried out to propose scheme design. The results show that, selection of modeling schemes such as stepped blank holder and convex model can improve the forming quality. The welding seam model has little effect on the simulation precision, which can be simplified as rigid nodes, improving the efficiency. The above thoughts are also helpful for seeking solutions to other similar production issues.

Numerical Simulation; Drawing Forming; Welding Plate; Welding Seam

TG386

A

2095-8412 (2016) 06-1227-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.047

田傳臣(1981-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，講師。研究方向：車身覆蓋件成型。