基于JSTAMP/NV的沖壓模具變形分析

許劍　林滔

摘要： 隨著高強度鋼在汽車車身上的廣泛應用，沖壓模具結構變形問題也日益突出.采用JSTAMP/NV和HyperMesh，對沖壓成形和模具結構進行解耦有限元分析，研究模具各部件在成形過程中的應力分布規律和變形結果.結果表明：最大等效應力發生在曲率比較大的區域，而且不一定發生在模具的最終閉合階段.該分析結果為優化模具結構設計和模具疲勞校核提供參考.在沖壓成形仿真過程考慮模具結構變形的影響，結果顯示模具結構的變形對材料的流入有很大影響，最終影響制品的成形精度.

關鍵詞： 高強度鋼； 模具結構； 模具變形； 沖壓仿真； 接觸力映射

中圖分類號： TG386.1文獻標志碼： B

Analysis on deformation of stamping die based on JSTAMP/NV

XU Jian， LIN Tao

（Institute of Industry Technology， Guangzhou & Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 511458， China）

Abstract： With the wide application of highstrength steel in automobile body， the issue of die deformation becomes prominent. Using JSTAMP/NV and HyperMesh， the decoupling finite element analysis is performed on the stamping process and die structure， and the stress distribution and deformation results of the die components during the forming process are studied. The results show that the maximum equivalent stress occurs in the region with large curvature， and do not necessarily occur in the final closure of the die. The analysis results provide reference for the optimization of die structure design and die fatigue check. The effect of die structure deformation is considered in the process of stamping， and the results show that the deformation of the die structure has a great influence on the material flow and ultimately affect the forming accuracy of the products.

Key words： highstrength steel； die structure； die deformation； stamping simulation； contact force mapping

0引言

隨著汽車的輕量化，高強度鋼和超高強度鋼被大比例應用于車身件上.然而，高強度鋼的大量使用給汽車模具設計、制造和使用帶來諸多問題.高強度鋼的強度比傳統低強度鋼有很大的提高，而且高強度鋼板的硬度是傳統低強度鋼板的4～5倍，因此模具失效和非正常損毀變得越來越頻繁，如：模具強度不夠造成壓裂，模具變形導致零件精度下降和生產質量不穩定，模具磨損嚴重，以及壽命變低等.[12]目前的模具設計基本上是在傳統基礎上選擇更好的模具材料或增大模具尺寸，這樣必然導致材料的浪費，以及制造成本和搬運成本的增加，因此，模具的受力變形分析變得十分必要.

采用傳統的彈塑性模型有限元法分析耦合模具變形和沖壓成形，有限元模型增大，通常的計算機設備很難支撐，分析時長也很難被設計人員接受.本文借助JSTAMP/NV軟件的模具變形分析模塊，快速實現模具變形分析以及考慮模具變形的沖壓成形分析.

1JSTAMP/NV模具變形分析關鍵技術

1.1JSTAMP/NV介紹

JSTAMP/NV是由日本JSOL公司開發的基于LSDYNA求解器的板材沖壓成形仿真軟件包，可以很方便地進行多模具、多工序的復雜沖壓工序設置，充分考慮現場加工各因素的影響，參數設定集成JSOL公司為各大企業提供咨詢的經驗.[3]

JSTAMP/NV模具變形分析功能是軟件的高級模塊，包含接觸力映射變換和位移映射變換，可實現沖壓成形和模具變形的解耦分析.

1.2接觸力映射變換

接觸力映射變換是實現沖壓成形和模具變形解耦分析的關鍵技術.由于板料成形數值模擬要求模具盡可能貼合模具成形模面，包括很多細小的、對成形性影響較大的幾何特征，所以在劃分網格時，細小特征處網格較密.對于模具結構分析，為保證分析精度，體單元的網格盡量保持均勻，同時為減少單元和節點數量，模具上的一些細小特征會被忽略.[4]用于板料成形分析的模面網格和用于模具結構分析的體單元外表面拓撲信息和節點坐標可能不同，需要將板料成形分析得出的板料與模具之間的接觸力施加到用于結構分析的模具體單元表面節點上.

接觸力映射變換是通過將沖壓結果殼網格節點上的力投影到結構分析的體網格表面上，然后通過數值插值方法得到體單元上的載荷力.[5]

1.3位移映射變換

通過模具結構分析，得到模具的變形結果.為提高仿真精度，需要在沖壓仿真模型中考慮模具變形結果的影響.位移映射變換是將結構分析得到的體單元表面節點位移量投影并插值，得到變形后的沖壓模面.

2模具變形案例分析

2.1分析流程

模具變形分析流程見圖1.通過JSTAMP/NV沖壓分析，可以輸出每一時間步模具與板料的接觸力（d3intf）文件.利用JSTAMP/NV模具變形分析中的接觸力映射變換，把單一時間步的接觸力映射到體單元網格上，并施加邊界條件和計算控制信息.采用LSDYNA進行求解計算，得到模具變形結果.利用JSTAMP/NV模具變形分析中的位移映射變換，把模具的變形結果映射到沖壓分析的殼單元上.導出殼單元網格，用于沖壓分析.

2.2有限元模型

利用HyperMesh對模具進行網格劃分，考慮模具結構的復雜性，采用四面體單元，網格模型見圖2a.上模、凸模和壓邊圈材料為FCD600，下模座材料為FCD300，采用彈塑性材料模型，并根據實際工況添加節點約束以及計算控制關鍵字.在JSTAMP/NV中建立沖壓仿真模型，見圖2b，零件材料為HS590，板厚為0.8 mm，壓邊力為30 t，摩擦因數為0.15.計算自動輸出每一個時間步的模具接觸力文件d3intf數據.通過JSTAMP/NV模具變形功能把d3intf每一步的數據分別加載到模具體單元上，采用LSDYNA隱式求解，得到沖壓分析每一時間步的模具變形結果.a）實體單元模型

b）沖壓模型

2.3仿真結果

沖壓的運動過程見圖3.工具與坯料的接觸區域隨成形位置的變化而變化.從截面的運動結果可知：壓邊過程中，4個角處有折彎成形，所以在壓邊圈與凹模閉合的過程中，4個角處有較大的接觸作用；下模與坯料的接觸區域主要發生在R角以及凸臺特征區域，而上模在快到下死點（5 mm）附近才與坯料有接觸，對應的壓邊圈和下模接觸區域分布見圖4和5.

將每一時間步的接觸力通過JSTAMP/NV模具變形模塊功能映射到模具體網格表面上當作外載荷，在模具運動的每個位置進行靜載分析.沖壓下死點時刻，模具的接觸應力映射變換結果見表1.在模具結構三維設計時，本例上下模以及壓邊圈采用統一的上模基準，沒有偏置一個料厚，所以在映射時，節點上的總接觸力有較大差異，可以通過手動修改接觸力縮放的倍率調整最終的映射結果.在本例中，保持原始的映射結果.

凹模和凸模閉合時，模具的最大等效應力和變形結果見圖6和7.最大應力分布在曲率較大的區域，該區域容易產生應力集中.凹模、凸模和壓邊圈的最大等效應力分別為187.2，236.0，和251.0 MPa.壓邊圈的變形比較大，有0.07 mm.從仿真的統計結果可以看出，最大的等效應力不一定發生在模具的最終閉合位置.在本案例中，壓邊過程存在局部折彎成形，所以在壓邊圈閉合階段（離下死點40 mm），出現比較大的等效應力.

a）截面位置

b）SEC1離下死點60.0 mm

c）離下死點50.0 mm

d）離下死點10.0 mme）離下死點5.0 mmf）離下死點2.5 mmd）離下死點1.0 mm圖 3沖壓過程仿真

Fig.3Simulation on stamping process

a）離下死點60 mm

b）離下死點50 mm

不同材料時模具的最大等效應力值見表2.仿真分別采用270，590和780 MPa抗拉強度的材料，結果表明：隨著材料抗拉強度的提升，模具的受力顯著增大；本例中，上模到達下死點時，凸模局部應力急劇加大，材料抗拉強度越大，凸模應力集中更加明顯.a）離下死點10.0 mmb）離下死點5.0 mmc）離下死點2.5 mmd）離下死點1.0 mm圖 5下模的接觸分布

沖壓過程考慮與不考慮模具變形時，材料流入的區別見圖8.當考慮模具變形時，在xy面內，上邊的材料流入明顯比下邊的多，原因是由于模具變形導致坯料壓邊接觸存在差異，上邊的間隙偏大，所以材料從上邊流入的更多.

3結論

借助JSTAMP/NV模具變形分析模塊，對沖壓仿真和模具結構進行解耦分析，可快速得到模具結構應力分布和變形結果.

通過模具變形分析結果可以看出，模具最大等效應力不一定發生在最后階段，隨著制品材料抗拉強度的提高，模具受力明顯變大，在校核模具結構剛強度時，應該考慮成形整個過程的受力情況.

由考慮模具變形的沖壓仿真結果可知：模具變形會造成工具閉合時不同區域的間隙不在一個料厚，所以坯料壓邊時的受力分布不均勻，從而導致材料的流入存在比較大的差異，最終影響到成形精度.參考文獻：

[1]陳亮， 陳軍， 張貴寶， 等. 高強度鋼板拉深模具結構有限元分析與試驗研究[J]. 塑性工程學報， 2008， 15（2）： 425.

CHEN L. CHEN J， ZHANG G B， et al. Reaearch of finite element modeling & experiment of the die structure for highstrength steel sheet metal stamping[J]. Journal of Plasticity Engineering， 2008， 15（2）： 4245.

[2]范樂. 先進高強鋼沖壓模具的疲勞分析與結構優化[D]. 長沙： 湖南大學， 2014.

[3]李彥波， 劉紅武. 基于Jstamp/NV的數值模擬技術在汽車車身件成形中的應用[J]， 模具制造， 2011（10）： 46. DOI： 10.3969/j.issn.16713508.2011.10.014.

LI Y B， LIU H W. Application of numerical simulation based on JSTAMP/NV in stamping process of auto body parts[J]. Die & Mould Manufacturing， 2011（10）： 46. DOI： 10.3969/j.issn.16713508.2011.10.014.

[4]張貴寶. 高強度薄板拉深模具結構分析關鍵技術研究及應用[D]. 上海： 上海交通大學， 2008.

[5]陳亮. 高強度鋼沖壓模具受力分析有限元模擬與實驗研究[D]. 上海： 上海交通大學， 2008.

（編輯武曉英）