关键字：板料冲压成型|回弹

　　摘要：金属板料冲压成型由于板料冲压成型过程十分复杂，使得对其成型控制非常困难，随着有限元模拟技术的迅速发展，利用有限元软件模拟金属板料冲压成型过程及分析其回弹量已成为可能，本文介绍了利用有限元软件Ansys对金属板料冲压成型过程进行模拟和回弹分析的方法。

　　金属板料冲压成型是利用金属塑性变形的特点，通过对金属板料施加压力，使其产生塑性变形从而获得所需要的形状[1]。由于板料冲压成型过程包含大位移、大变形等十分复杂的物理现象，使得对其成型控制非常困难，以前更多的是通过反复试验的方法制造出合乎要求的产品，其过程需要花费大量的时间和经费[2]。随着有限元模拟技术的迅速发展，利用有限元软件模拟金属板料冲压成型过程及分析其回弹量已成为可能，本文介绍了利用有限元软件Ansys对金属板料冲压成型过程进行模拟和回弹分析的方法。

　　1 Ansys软件分析回弹问题的流程

图1 Ansys软件分析回弹问题的流程图

　　有限元软件Ansys分析回弹问题的流程如图1所示[3]，是利用显示——隐式顺序求解技术来分析回弹问题，为了要得到最终的结果，需要先进行显式计算，然后将显式计算的最终结果输入到隐式模型中进行隐式计算。

　　2 有限元分析

　　2.1有限元模型

　　建立有限元模型是模拟板材成形工艺过程的基础，具体的有限元模型要根据工件、模具的实际结构形状来建立，要能够反映出实际加工过程中被成形板材、模具之间的相对位置，以及它们之间的相对运动关系。本文主要讨论的是实现冲压成型回弹分析的模拟方法，故采用比较简单的模型来说明这个问题，模型如图2所示，凸模和凹模表面为非均匀的样条曲线，板料为规则的长方形薄扳。由于是板材，建模时只需建为平面，厚度在定义单元时再输入。

　　2.2单元和材料及网格剖分

表1 材料性能参数表

　　在实际成型加工时，相对于板材的变形，模具的变形可以不作考虑，除非研究问题是计算模具的应力、应变，在这种条件下，输入材料参数时可以把凸模、凹模定义为刚体，这样处理可以减小很多的计算量，并且计算精度不会差多少，但材料的弹性模量、泊松比仍需按真实值定义，不能够认为是刚体就需要定义为很大的值，否则会在计算时出现不收敛的情况，材料的力学参数如表1所示，采用Plastic -Kinematic材料模型。

　　凸模、凹模使用LS_DYNA中的soild164三维实体单元，被加工板材使用shell163壳单元，板料厚度为1mm。每种单元都有很多种算法可以选择，选择适合的算法可以提高计算的速度和精度。在定义沿板厚度方向积分点参数时，如果仅仅是作冲压成型分析，建议设定为3个积分点;如果要做回弹分析，建议选择设定为7个积分点，这样分析的结果更精确，但计算时间也会增加。网格划分采用软件自适应网格划分，模型网格划分如图3所示。

　　2.3 定义接触面

　　凸模和凹模与板材的接触都采用面—面接触方式，并选择自动接触类型，摩擦系数取0.1。需注意，板材必须定义为从面。

　　2.4 施加载荷

　　有限元数值模拟时要尽量反映成型过程中的真实工艺情况，有了真实有效的工艺参数才能保证数值模拟结果的正确，按照实际加工时的参数来设定凸模的速度，求解时间为0.1秒，结果输出文件.RST，输出步数为100。

　　2.5 成型计算结果

图4 显式计算结果

　　实现显式求解计算有两种方式[4]，一种可以直接在Ansys软件中调用Ls_Dyna显式求解器计算，优点是比较快捷方便，缺点是对前面所有步骤的设置不能重新编辑、修改。另一种方式是在DOS状态下，通过DOS命令来调用Ls_dyna求解器来计算。但这种方式必须使用Ls_Dyna特定的文件格式——关键字文件，关键字文件可以通过Ansys软件导出，关键字文件的修改和编辑可以通过操作系统中的写字板功能来完成。板料冲压成型显式计算的结果如图4所示，分别给出了板料的变形图、变形云图、板料的Von-Mises应力云图和板料上节点node2的位移随时间变化的曲线。通过这些图可以显示出在冲压成型的过程中，板料上应力、应变及位移的变化量。node2位移曲线显示了板料的运动已经逐渐变小，足以进行隐式回弹分析。如果在求解结束时有一个大的振荡运动, 应该使用一定形式的阻尼重新进行显式分析，否则后面的隐式分析会出现计算不收敛而得不到结果的现象，其原因可能是载荷的不真实或是其它的原因导致无限大的加速度。

　　利用Ls-dyna求解器计算的结果文件有两种，一种是以.rst和.his为结尾的Ansys的数据文件;另一种是d3plot和d3thdt的Ls_dyna的结果文件。可以通过Ansys软件的通用后处理器、时间历程处理器和Ls-Dyna模块自带的Ls-post后处理器来分别查看结果。

　　3 回弹计算

　　调用Ansys软件隐式求解器进行回弹计算的步骤为：

　　(1)更改文件名，以免后面计算的结果文件将前面显式求解的结果文件覆盖。

　　(2)将显式单元类型转换为具有适当属性的隐式单元类型。在Ansys中，有相应的显式和隐式单元类型，在回弹计算时，所有的单元必须转化为相应的隐式单元类型，前面的单元类型Shell163、Solid164转化为Shell183、Solld185单元类型。

　　(3)利用Ansys软件隐式求解器进行回弹分析时，只能激活线弹性材料特性，因此在显式分析部分板材使用的塑性材料特性必须被删除。

　　(4)关闭单元的形状检查，因为成型过程中板材单元可能承受极大的变形，为了得到结

　　果必须关闭单元的形状检查。

　　(5)在前面显式分析时，使用到了刚性单元，在隐式计算时不需要，故需删除。

　　(6)重新定义边界条件，由于显式分析和隐式分析对板材约束条件不同，所以板材的边

　　界条件需要重新定义。

　　(7)将软件中几何非线性开关打开，因为在隐式求解的开始，板材一般都有较大的几何变形。

　　完成以上的步骤后，进行隐式回弹求解。在隐式回弹求解中，其分析的起点是显式求解的最后变形形状。

图5板料回弹后应变云图

　　4 回弹计算结果分析

　　板材回弹计算后的应变等值线云图如图5所示，图6是板料的节点分布示意图,为了比较板料回弹量在总变形中所占的比值，选取图6中沿板料长度方向直线上的33、41、49、57、65节点为研究对象，分别将各节点在显式求解后变形量、隐式求解后的变形量及两者的比值在表2中列出，可以比较出，这些节点在显式求解后和隐式求解后的节点位移值及回弹应变相对于总应变的比值如表所示：

图6板料节点分布示意图

表2 各节点变形量及弹性变形与总变形量比值

　　在选择的节点中，Node65最大的弹性变形占总变形的比值为45.3%，其它所选节点变形比值也在10%以上，可见回弹的存在会严重影响板料的最终形状，因此在模具设计阶段，应充分加以考虑。

　　5 小结

　　本文以一个简单的模型为例，介绍了利用有限元软件Ansys模拟金属板料成型过程以及回弹分析的方法，该方法不仅可以预测成型缺陷，而且可以对一些工艺参数进行比较和优化。但在实际加工过程中，各种产品模型形状复杂度和成型工艺参数都不相同，利用Ansys软件提供的参数化设计语言(APDL)和用户界面设计语言语言(UIDL )进行二次开发，开发出相应的模拟模块，可以很大的提高分析效率，是今后的发展趋势。

　　参考文献

　　[1]王孝培.冲压设计资料.重庆大学出版社.1983年.

　　[2]钟志华.薄板冲压成形过程的计算机仿真与应用.北京理工大学出版社.1998年.

　　[3]任重.ANSYS实用分析教程.北京大学出版社.2003年6月.

　　[4]北京理工大学ANSYS/LS-DYNA算法基础和使用方法北京理工大学.1999年3月.