基于有限元模擬的板料成形回彈過程優(yōu)化設計方法研究.pdf

1、回彈是板料成形過程的主要缺陷之一，嚴重影響著成型件的尺寸精度。傳統(tǒng)上基于試錯法對回彈補償進行模具設計，由于不同成型件的差異較大，因而設計周期長，成本高。近年來，基于安全性、經(jīng)濟性和環(huán)保要求，車身覆蓋件中大量采用高強鋼和鋁合金板材。與普通低碳鋼板相比，此類板材具有高的比強度，導致其應用于覆蓋件時回彈問題愈發(fā)突出。
　　 對回彈變形進行準確預測是有效控制回彈、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)的前提?；貜楊A測的一個重要的方法是有限元法。由于有限元理論、塑

2、性力學和材料加工知識的缺乏，目前回彈的數(shù)值預測精確度不高，采用數(shù)值模擬優(yōu)化控制回彈沒有得到有效的應用。有鑒于此，開展基于有限元法的板料成形回彈過程優(yōu)化設計方法研究，論文主要包括以下內(nèi)容：
　　 1)有限元優(yōu)化建模方法首先提出了一個應用于壓邊間隙的起皺判據(jù)，即板料所受橫向壓應力超過材料的臨界失穩(wěn)力發(fā)生起皺。由于采用壓邊間隙，因而板料在剛剛起皺時不受到壓邊力的作用?；诖伺袚?jù)采用不同壓邊間隙對板料壓邊過程的影響進行了研究。發(fā)現(xiàn)間隙增

3、高時，壓邊力增大，這主要由于板料凸緣起皺引起剛度上升所致。與分離力進行比較發(fā)現(xiàn)，壓邊間隙對于此問題可以較準確的進行模擬?；趦?yōu)化的壓邊間隙采用不同的拉格朗日分析方法進行了模擬，表明完全拉格朗日法與更新拉格朗日法的主要區(qū)別在于其對板料大位移和大變形的敏感性?？紤]到板料沖壓過程中發(fā)生大位移和大變形，采用更新拉格朗日法較為符合實際情況，而對于小變形和小位移則兩種方法均可用于成形過程的模擬。采用不同的殼單元(DKT3、DKQ4、DKQ8和Min

4、dlin)的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DKQ4最佳，并可減少計算時間。
　　 2)簡單件彎曲回彈過程的模擬分析首先提出了一個考慮接觸演變的模型對回彈過程進行有限元模擬，并將其應用于NUMISHEET2002自由彎曲標準考題中。研究發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與試驗吻合較好。經(jīng)過模型優(yōu)化后獲得了較高的精度，達到90％以上，遠高于采用Ls-dyna和Ls-niked模擬回彈的精度(約75％)。對應力場的影響因素優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn)，積分點對回彈有較大影響，對成形過程

5、影響較小。單元大小對成形和回彈過程影響均較大，采用模具圓角半徑1/2～1/3大小的單元精度較好。材料模型對回彈角度的影響較大。
　　 將模型應用于NUMISHEET1993 U形彎曲標準考題中。研究發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與試驗吻合較好，獲得了較高的精度。對回彈影響因素模擬分析發(fā)現(xiàn)，壓邊力對回彈有較大影響。隨著壓邊力的增加回彈迅速降低，但是同時板材的最小厚度也下降。模具圓角中凹模圓角對法蘭回彈影響較大。板材的厚度對板材的回彈很大。采用變壓

6、邊力方式對回彈進行控制分析，當變壓邊力的后半部分力較大時，能夠有效降低回彈，反之，回彈較大。因而在設計中應當盡量采用直角梯形和階梯形變壓邊力方式。對實際的壓邊控制方式的比較研究發(fā)現(xiàn)，采用4個平臺和10個平臺的回彈結(jié)果有一定差別。說明壓邊力的控制方式對回彈結(jié)果有影響。
　　 采用階梯形變壓邊力和遺傳算法對U形彎曲回彈過程進行控制。目標函數(shù)采用“回彈+應變”。研究發(fā)現(xiàn)可以很快收斂到最優(yōu)解，且第4代所有個體的回彈與第1代相比大大降低。

7、
　　 3)基于有限元的回彈穩(wěn)健設計板料在軋制過程中受到外界的干擾，材料性能會在一個范圍內(nèi)波動。沖壓過程中潤滑導致的摩擦系數(shù)、壓邊力也會發(fā)生波動。由于上述參數(shù)的影響，導致板料成形連續(xù)性問題。連續(xù)性問題的本質(zhì)是回彈的穩(wěn)健性，因而對回彈的穩(wěn)健設計進行研究。首先分析了回彈的可控與不可控因素，然后采用自由彎曲考題，基于數(shù)值模擬方法對材料波動不可控因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)材料波動對回彈前后都有影響。由于沒有固定的模具形狀，導致自由彎曲回彈的不

8、可控性。對U形彎曲進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)提高阻力可以降低材料和摩擦波動對回彈的影響，提高板料成形的穩(wěn)健性。
　　 4)復雜件回彈模擬與分析基于應變增加降低回彈理論，采用變拉延筋阻力方法對復雜覆蓋件的回彈進行了控制研究?？紤]到拉延筋設計的困難，提出了基于數(shù)據(jù)挖掘進行拉延筋反向設計的思想。采用響應面方法對拉延筋阻力進行了優(yōu)化設計，提出采用未充分變形區(qū)的面積作為目標函數(shù)，通過響應面模型擬合得到了一個優(yōu)化的阻力。采用該阻力進行模擬發(fā)現(xiàn)