基于Dynaform的真實拉延筋高度控制的數值模擬

彭成允，關 婧，曾 英，李 濤

(重慶理工大學 a.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室;b.材料科學與工程學院，重慶 400054)

在板料成形過程中，由于零件形狀結構復雜，板料各部位易出現入模速度不均勻等現象，從而造成拉裂、起皺等質量問題［1］。通過設置拉延筋，并控制拉延筋的高度，可以有效地進行協調，從而改善成形件品質。利用Dynaform對拉延筋的模擬主要有2種方式:等效拉延筋及真實拉延筋。諸多學者已經對等效拉延筋進行了研究［2－4］。真實拉延筋主要有2點優勢［5］:真實拉延筋作為整個模具的一部分，在模擬中參與網格劃分及計算，因此它可以較為精確地模擬拉延筋高度變化對拉延阻力的影響;真實拉延筋圓弧處的模擬效果及模具間隙的變化對成形結果的影響均可以較為突出的呈現。

拉延阻力主要可以通過Dynaform模擬及拉延阻力計算的方法獲得，前者可以直觀地反映板料流經拉延筋時的變形情況，后者能夠較簡單地通過修改拉延筋幾何參數得到相應的拉延阻力［6］。

1 拉延阻力的計算模型

Weidemann［7］將板料流經拉延筋時產生的阻力分為2部分:一部分是經過凸筋接觸弧1，3，5圓弧處與在2，4，6圓弧處分別產生的彎曲－反彎曲的變形抗力;另一部分是在壓邊力的作用下，在接觸弧1～2，3～4，5～6段板料滑動，由于摩擦而產生的摩擦阻力，如圖1所示。因此建立的拉延阻力計算模型［7］為

式中:l為拉延筋長度;μ為摩擦因數;θ為板料彎曲角度;P為單位長度的等效壓邊力;σs為屈服強度;t為初始板厚;Rg(圖中1～2段弧)為凹槽圓角半徑;Rb(圖中3～4段弧)為凸筋圓角半徑。

圖1 板料在拉延筋作用下的模型

2 數值模擬計算

2.1 建立模型

為了使模擬效果更加突出，本研究在UG中建立真實拉延筋造型，再將其導入Dynaform軟件中進行模擬。圖2所示為真實拉延筋在UG中的造型。由于入模口四周板料在長直邊的入模速度較之短直邊的快，因此在造型時僅在長直邊設置拉延筋，從而進一步增加其進料阻力，使入模速度趨于均勻。該盒形件的三維尺寸為100 mm×50 mm×50 mm。

圖2 真實拉延筋在UG中的造型

2.2 數值模擬設置

2.2.1 板料優化設計

在UG中造型后，將模型以iges格式導入Dynaform軟件，將真實拉延筋也參與曲面網格的劃分，利用毛坯求解器求解出所必須的板料，如圖3所示。由于在工程實驗中八角形板料的入模速度更易趨于均勻化，且此盒形件的的深度較深，為了保證成形后的剛度及精度［8］，在保證板料能夠成形所需盒形件深度的基礎上，將求解出的板料形狀添加工藝補充面，并將最終模擬的板料形狀設計為八角形，劃分網格，如圖3所示。

圖3 初始毛坯及劃分網格后毛坯

2.2.2 材料參數及性能

此盒形件采用的材料為冷軋鋼ST14。板料長、寬、厚尺寸為190 mm、170 mm、1 mm。材料主要的物理性能:屈服應力1.603×102MPa;彈性模量2.07×105MPa;強度系數5.371×102;泊松比0.28;各向異性指數1.634。

2.2.3 真實拉延筋高度控制

真實拉延筋高度的控制方法較之等效拉延筋存在顯著的不同。在Dynaform中，等效拉延筋被簡化成為作用在節點上的力，而真實拉延筋是作為模型的一部分［5］。為了達到方便調節拉延筋高度的目的，將筋條看作是剛性模具，相當于2個凸模，1個凹模的結構。在設置運動方式時，通過時間－位移的調節，首先令筋條先向下運動至所需拉延筋的高度，記錄下所需時間，再在此時間后令凸模下行，直到達到最佳拉深深度為止。此沖壓模擬的結構模型如圖4所示。

圖4 真實拉延筋模擬的結構模型

3 拉延筋高度設置的結果分析對比

由于影響拉延阻力的幾何參數主要有凸筋圓角半徑、筋高、凹槽圓角半徑，因此本次實驗使影響拉延阻力較小的凹槽圓角半徑及凸筋圓角半徑恒定，進而對比不同筋高對拉延阻力的影響，并可以通過對比分析，得到最佳的模擬結果。

分別將拉延筋的高度設置為 0 、1、2、3、4、5，數值模擬運算結束后，在后處理中可以得到FLD圖、厚度云圖、拉延深度等結果。圖5所示分別為拉延筋高度為0 mm(無拉延筋)、1 mm(筋高最小)、5 mm(筋高最大)時相應的FLD圖及厚度變化云圖。

圖5 FLD圖及厚度變化云圖

從模擬結果可以看出:隨著拉延筋高度的增加，盒形件最大拉深深度不斷增加。當拉延筋高度增大到一定值時，其最大拉深深度下降，從而出現極限拉深深度。模擬結果的對比數據見表1。

表1 模擬數據

對比不同拉延筋高度所得的模擬結果可知:厚度減薄率最大值為21.2%，即相對于1 mm的板料其厚度減少了0.212 mm，因此其最薄處的厚度為0.788 mm;厚度增厚率最大值為29.5%，即厚度增加了0.295 mm，板料成形后最厚處的厚度為1.295 mm;模擬后其厚度變化率均未超過30%，板料在成形后仍處于安全范圍內［9］。成形后的最厚處部位均出現在盒形件的工藝補充面上，可將其通過修邊去除，不影響成形件的品質。綜合得出:當拉延筋高度H=2 mm時，效果最佳，其存在起皺、破裂趨勢的區域均占很少一部分，安全區域即綠色部分所占比例較大。

4 結束語

采用真實拉延筋高度控制的方法，能夠更加方便、快速有效地調節拉延筋高度。通過對比分析得出:毛坯形狀的適當選擇、拉延筋高度的控制對拉延阻力的影響至關重要，調節這些參數便可以使盒形件達到更好的品質。與此同時，以數值模擬分析替代實際工程生產中的試模與修模，對實際生產具有指導意義。然而，真實拉延筋高度控制的方法雖然便于調節，但在提交計算過程中花費較長的時間，為了使整體模型運算速度提升，對真實拉延筋網格劃分的細節問題有待改進。與此同時，既然2個凸模、1個凹模的模型結構設置便于實現拉延筋高度的調節，應在此基礎上進一步研究如何實現在沖壓過程中變拉延筋高度的有效方法。此外，相比采用等效拉延筋模擬，在真實拉延筋模擬時，拉延阻力值的獲得較繁瑣，數據需要通過曲線讀取，從而造成了一定的偏差，如何在今后的設置中解決這個問題，有待研究。

［1］彭必友，胡騰.基于數值模擬的拉延筋約束阻力計算方法研究［J］.鍛壓技術，2009，34(6):70 －73.

［2］吳磊，韓旭，李光耀，等.一種基于反裘參數的拉延筋解析模型［J］.中國機械工程，2006，17(2):208 －211.

［3］李淑慧，林忠欽，包友霞，等.改進的等效拉延筋阻力模型及其應用［J］.中國機械工程，2002，13(7):558－561.

［4］郭玉琴，姜虹，王小椿.一種等效拉延筋模型的建立及實現［J］.中國機械工程，2004，15(20):1843 －1847.

［5］陳濤，高暉.真實拉延筋參數化建模及其在薄板沖壓仿真中的應用［J］.中國機械工程，2006，17增刊:22－26.

［6］鄭剛，李光耀.一種拉延筋數值迭代分析模型［J］.湖南大學學報，2008，35(9):39 －43.

［7］Weidemann C.Theblankholdingactionofdrawbeads［J］.SheetMetalIndustries，1978(9):984 －989.

［8］郭敏杰，曾珊琪.基于Dynaform的汽車覆蓋件成形中拉延筋的設置與數值模擬［J］.模具技術，2009(6):39－45.

［9］傅建，彭必友.板料成形過程數值模擬［M］.北京:化學工業出版社，2009.