機翼前緣蒙皮橡皮成形回彈數值模擬分析

宮林東 韓志仁

（沈陽航空航天大學航空航天學部，遼寧 沈陽 110136）

引言

橡皮成形的有限元數值模擬技術,隨著計算機技術、有限元技術和塑性加工理論的發展日趨成熟,將數值模擬的分析方法應用于橡皮成形,是一種新的研究途徑。目前沖壓過程的計算機分析仿真（CAE）已經能夠在工程實際中幫助解決傳統方法難以解決的模具設計和沖壓工藝的制定等難題，如拉裂的預測，回彈的計算和起皺預測等等。

在成形過程中板料與橡皮均會發生很大的變形，橡皮直接與板料相作用，因此對橡皮變形的精確模擬對于橡皮成形的模擬是非常重要的。

1 橡皮成形中的回彈問題

回彈是板料成形卸載后,彈性變形部分產生回復的一種現象,目前解決回彈問題的有效途徑,是通過有限元軟件,采用數值模擬的方法進行回彈預測、回彈補償,并進行合理修模的方法。因此,回彈的數值模擬預測精度的準確性,將不僅影響成形零件的質量,并對改善航空企業傳統的不修模或通過人工校形的生產方式產生影響。

本文利用ANSYS軟件,對橡皮成形中飛機機翼前緣蒙皮零件進行有限元數值模擬,建立有限元數值模型,對單元積分類型、網格尺寸方案,以及接觸與摩擦等影響因素進行量化研究,旨在提高橡皮成形數值模擬的回彈精度預測,通過模擬結果,獲得在成形與回彈預測的精度上更精準的模型及改進方案。

2 橡皮成形的有限元模擬

2.1 有限元模型

顯式算法基于動力學方程，因此無需迭代；而靜態隱式算法基于虛功原理，一般需要迭代計算。此成形模擬過程采用顯式算法,回彈模擬過程采用隱式算法。

模擬分析的材料參數如下：鈑料為AL2B06-T3，厚度1.5mm，密度為2.87e-6g/mm3，屈服強度為 400MPa,切線模量為100Mpa,泊松比為0.3,楊氏模量為73000MPa。剛性凸模的密度為7.58e-6g/mm3，泊松比為0.3,楊氏模量為2.07 e5 MPa。橡皮的密度為1.15e-6g/mm3，剪切模量為 1040MPa。

鈑料的橡皮成形采用ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬。

2.2 網格尺寸對成形的影響

合理的網格劃分是保證獲得準確模擬結果的前提，單元尺寸的大小會直接影響算精度。網格尺寸可以小一些以保精確的模具表面描述，能充分表示板料的變形特征。Mattiasson發現回彈值與單元尺寸成反比關系,單元尺寸越小,計算的回彈量越大；反之，回彈量越小,甚至可能出現反向現象。

通過模擬分析得到：回彈角與網格尺寸成反比,即網格尺寸越小,計算的回彈角越大，反之，回彈量越小，同時對橡皮成形應力應變的影響極大，導致模擬結果不準確。因此，在保證回彈預測精度的前提下，對模具幾何形狀變化劇烈的地方應劃分尺寸較小的單元，其他地方可采用較大的單元尺寸。

2.3 摩擦系數大小對成形的影響

接觸問題是塑性成形模擬領域的難點問題之一。在板料成形過程中板料上的作用力是通過板料表面與模具表面的接觸來傳遞的。模具表面為主約束表面，板料表面為從表面。如何正確判定主從表面的接觸狀態并選擇合適的位移約束條件和邊界摩擦條件，將直接影響到模擬運算的運行。摩擦對零件回彈的影響較大，隨著摩擦系數的增大，板材回彈減小。但是過大的摩擦系數又會讓鈑料表面質量變壞，網格會撕裂。

2.4 ANSYS回彈求解

板料彎曲及回彈的數值模擬過程是:凸模向下移動壓迫板料彎曲變形,在彎曲成形過程結束后,把顯式單元類型轉變為隱式,刪除材料模型中所有的非線性材料性質,將彎曲后的幾何形狀作為回彈求解的初始構形,從顯式分析的結果中輸入單元應力數據,去除模具,對鈑料施加相關載荷,然后即可求解。圖1為成形零件的mises屈服應力分析云圖,圖2為鈑料的回彈示圖。

圖1 mises屈服應力分析云圖

然后，在y=275面截鈑料所得的曲線上選取有限個節點，根據節點的坐標前后的變化得到其回彈數據圖表。圖3回彈前、后的節點坐標和回彈示圖

圖2 回彈示圖

圖3 回彈前、后的節點坐標和回彈示圖

利用航空手冊上的經驗數據對比模擬回彈數值：

1、模擬的回彈角。回彈前的角度為125°，回彈后的角度為131°回彈角為6°。

2、手冊中的經驗回彈角。回彈前的角度為 125°，回彈后的角度為 131°30′，回彈角為7°10′，回彈角比經驗值小 1°10′。

3 結論

(1)網格尺寸與回彈角成反比,即網格尺寸越小,計算的回彈角越大，要使回彈角小，網格尺寸應該大，但同時網格尺寸越大，對橡皮成形應力應變的影響極大，導致模擬結果不準確。通過模擬我們選擇網格大小為長2mm、寬0.25mm。(2)摩擦對零件回彈的影響較大，隨著摩擦系數的增大，板材回彈減小。但是摩擦系數過大又會讓鈑料表面質量變壞，還有網格會撕裂。經過多次模擬和經驗數據對比得出，選用動摩擦系數:0.15，靜摩擦系數:0.1。(3)回彈角度比手冊經驗值略小，有限元模擬值與試驗經驗值的趨勢基本一致,回彈模擬值比試驗值偏小。可以作為設計模具時的參考依據。

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