電池盒的多工步沖壓仿真

劉超+石然然

摘要： 針對多工步沖壓過程中材料的流動和應力應變的分布規律相當復雜，用解析方法描述難度較大的問題，采用DYNAFORM對電池盒的6步深拉深沖壓過程進行數值模擬仿真.仿真結果與試驗結果的對比分析驗證有限元仿真模型的正確性，說明數值仿真技術與試驗相結合方法可以有效解決該問題.

關鍵詞： 電池盒； 多步沖壓； 數值模擬； 有限元； DYNAFORM

中圖分類號： TG386文獻標志碼： B

Abstract： As to the issue that the analytical method is difficult to illustrate the law of material flow behavior and stressstrain distribution， DYNAFORM is used to simulate six steps of deep drawing stamping process by numerical simulation. The simulation results and the test results are compared and analyzed and the correctness of the finite element simulation model is verified. It shows that it is effective to solve the issue by the method of combining numerical simulation with test.

Key words： battery case； multistep stamping； numerical simulation； finite element； DYNAFORM

收稿日期： 2015[KG*9〗06[KG*9〗03修回日期： 2015[KG*9〗06[KG*9〗05

基金項目： 北京市科學技術研究院創新團隊項目（IG201203N）；北京市計算中心萌芽項目

作者簡介： 劉超（1985—），女，河北保定人，碩士，研究方向為CAE結構仿真，（Email）liuchao@bcc.ac.cn0引言

板材的沖壓成形技術在機械工業、能源化工和日常生活中都有非常廣泛的應用.然而，板料在成形過程中常出現各種缺陷，如起皺、鼓包和拉裂等，導致成品合格率較低.

目前國內外專家學者均對拉深問題進行大量研究，在拉深工藝、設備和計算機仿真等方面都有很大進展.但是，由于拉深問題的復雜性和工藝理論的不完善，多工步拉深成形規律和工藝參數確定及優化的研究明顯落后于實際生產需要，所以對拉深有關問題的研究很有必要.

在板料拉深成形中，經常遇到零件所要求的變形程度超過材料一次成形所允許的最大變形程度的情況，零件無法一次拉深成形，必須采用多道次拉深成形.[1]相對于形狀非常復雜的多工步沖壓零件，用傳統的解析計算方法很難準確地進行尺寸計算，所以只能用估算的方法進行沖壓工序的初步確定，然后通過反復的試模和修模過程確定最終的沖壓工序.此方法的問題在于如果開始估算不夠準確，很可能導致制造出的模具不合格；同時，反復的修整和試模會延長生產周期且大大增加生產成本.

目前，數值仿真技術常用于沖壓過程中參數的優化，如汽車的車身覆蓋件等大部件，但是大部分應用仍停留在一步沖壓成形的仿真分析階段.多工步沖壓成形過程涉及塑性、大變形、摩擦和接觸等多個非線性因素的耦合分析，相關的理論和實際加工比一次拉深成形要復雜很多，因此多工步拉深成形的研究已經是此領域的難點和熱點之一.[2]

本文采用數值模擬技術對電池盒的前6步深拉深過程進行計算機仿真分析，并與試驗結果進行對比分析，確定有限元模型的正確性.這對于深入研究多工步拉深成形規律有很重要的意義，同時有利于企業縮短研發周期和降低開發成本，有助于進行模具結構的優化創新.

1模型的前處理

1.1CAD模型的建立和單元劃分

采用三維建模軟件UG繪制出6套（前6步）模具的CAD模型，然后將繪制完成的CAD模型導入到大型有限元前處理器HyperMesh 11.0中進行特征簡化和單元剖分.因為模具的倒角對成形過程有較大影響，所以將所有倒角保留并且嚴格控制倒角位置的單元質量.6套沖壓模具的結構見圖1.

1.2材料本構的選擇

電池盒沖壓生產中所用的板材坯料是通過軋制方法生產出來的，由于在軋制加工過程中形成織構等原因，具有各向異性，所以采用各向異性屈服理論進行分析.

目前，在板材的各向異性屈服條件中描述厚向異性的Hill屈服準則和正交各項異性的Barlat屈服準則應用較多.[3]

Hill屈服準則假設屈服函數在每個質點上存在3個互相垂直的各向異性平面，其交線構成3個各向異性主軸 1，2和3，相應的屈服函數為

選取DYNAFORM的求解器LSDYNA中代表Barlat屈服準則材料本構模型的36號材料模型.

1.3單元重新劃分技術

在深拉深工藝過程的數值模擬仿真中，網格的生成與再劃分技術對計算能否順利進行起到至關重要的作用.因為板材的變形程度很大，極易導致由網格畸變引起的計算失效，所以必須采用網格重新劃分技術，并且要完成場變量向新生成網格的傳遞.計算過程中某一時刻重新劃分完成的單元見圖2.

1.4其他設置

在DYNAFORM中建立6步連續沖壓過程仿真模型，考慮沖壓過程中應變的累積和厚度的變化.經過多次計算驗證，虛擬沖壓速度對于板材成形的影響很小，可以忽略不計，所以為節省計算時間，采用2 000 m/s的虛擬沖壓速度.沖壓過程為潤滑狀態，摩擦因數設置為0.125.板材的初始厚度為0.7 mm.接觸類型的關鍵字為*CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE.

計算時間步長對計算過程有較大影響，當設置的計算時間步長較大時，一方面會引入較大的質量增益導致計算的誤差較大，另一方面會引起計算的不穩定，造成計算中止，所以在本分析項目中采用軟件計算出的時間步長進行求解，保證計算的順利進行.

2有限元模型的計算求解

由于此模型連續進行6步沖壓過程仿真，模型規模較大，所以采用高性能計算機進行并行計算.將設置完成的計算模型提交到北京市計算中心開發的HYCLOUD高性能計算平臺上進行求解.

3仿真結果與試驗結果的對比分析

采用PostProcessor進行仿真計算結果的后處理，提取計算機仿真過程中每個沖壓工步結束后工件的FLD成形極限圖和厚度分布圖，并與沖壓試驗每工步結果進行比較見表1，各工步尺寸對比見表2.

由表1可以看出：材料在6步連續的拉深過程中并沒有產生開裂的情況，說明此連續沖壓過程合格；第1步拉深完成后工件基本沒有褶皺產生，第2步工件端口部位有輕微褶皺出現，第3步至第6步工件端口都有明顯的褶皺出現，此現象與對應的實際沖壓過程中的工件相吻合；工件拉深完成之后，越靠近端部壁厚越厚，越靠近底部的壁厚越薄，尤其底部圓角部位最薄，這與沖壓工藝基本理論[56]一致.由此可知，數值模擬的結果與試驗結果在開裂情況判斷、褶皺產生和工件厚度分布等方面都基本吻合.由表2中各步拉深深度的對比可以看出，隨著沖壓步數的增多，存在誤差累積現象，沖壓成形深度的仿真誤差也越來越大.但是，從具體的數據看，此模型的誤差在允許的范圍之內，證明此沖壓過程仿真模型中材料本構、接觸設置和邊界條件等參數的準確性.

4結論

1）采用專業的仿真軟件DYNAFORM能夠較好地處理大變形問題，完成多步沖壓工藝的仿真，數值模擬的結果與試驗結果基本吻合，證明模型的準確性.

2）經過軋制加工制造出的金屬板材，在某種程度上已經不再具有各項同性的性質，在數值模擬過程中采用描述各向異性材料失效的Barlat屈服準則，能合理地描述板材的屈服行為.

3）采用數值模擬技術與試驗相結合的方法，既能縮短模具的設計周期，又能大幅度降低試模成本，是制造行業發展的趨勢.

參考文獻：

[1]楊建華， 潘偉， 何丹農， 等. 板料多道次拉深成形規律和性能的研究[J]. 鍛壓技術， 2002， 27（5）： 2223.

YANG Jianhua， PAN Wei， HE Dannong， et al. Research on forming laws and deformability in multistage sheet metal drawing[J]. Forging & Stamping Technol， 2002， 27（5）： 2223.

[2]苑澤冰. 多道次拉深試驗與有限元模擬[D]. 沈陽： 沈陽航空航天大學， 2012.

[3]喻祖建. 板料多次拉深過程數值模擬分析[D]. 重慶： 重慶大學， 2005.

[4]BARLAT F， LIAN J. Plastic behavior and stretchability of sheet metals， Part I： A yield function for orthotropic sheet under plane stress conditions[J]. Int J Plasticity， 1989， 55（4）： 51.

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[6]成虹. 沖壓工藝與模具設計[M]. 成都： 電子科技大學出版社， 2002.（編輯武曉英）