沖壓工藝仿真中界面接觸壓力計算精度研究

文／霍會榮·上汽通用五菱汽車股份有限公司

由于高強鋼沖壓會帶來嚴重的模具磨損，因此，在成形模具設計階段需要進行模具磨損評估。為了揭示成形工藝仿真參數選擇對板料—模具界面接觸壓力技術精度的影響，本文基于Dynaform 軟件，參數化研究了有限元單元尺寸、積分點個數和沖壓速度對仿真結果的影響。研究結果表明：對比于積分點個數和沖壓速度，板料網絡和模具網絡更明顯地影響著仿真結果；而積分點個數和沖壓速度帶來的波動范圍很小。

與普通鋼板相比，先進高強鋼板沖壓時會引起更大的板料—模具界面接觸壓力，加劇成形模具的磨損。為此，在成形模具設計階段需要進行模具磨損評估，對模具壽命進行預判，為選擇合理的模具材質和熱處理方案提供科學依據。

板料―模具界面接觸壓力場和溫度場等物理量是影響模具磨損的關鍵參數。為了精確計算這些物理量，借助數值模擬的技術方法已經成為一種有效的手段。Boher、Pereira、Wagoner、高晶等研究了高強鋼板沖壓過程中凹模圓角處界面接觸壓力分布，并討論了接觸壓力與模具磨損的關系?；诔尚芜^程數值仿真結果，Wagoner、Altan 指出先進高強鋼沖壓成形時界面溫升可達到100℃以上。Groche 利用數值模擬方法揭示了成形時界面的溫度峰值與模具表面粘模的直接關系。最近，Pereira 建立了熱力耦合沖壓過程數值仿真，揭示了DP780 冷沖壓成形的界面摩擦熱和塑性變形熱分布特征。目前，為了更為精確計算板料―模具界面接觸壓力，大多數是采用細小的實體單元等技術處理，這種精細仿真模型，雖然保證了計算精度，但也大大增加計算耗時，這種仿真模型難以滿足沖壓工程需求。

在成形模具磨損評估上，一般利用工藝仿真結果，基于磨損預測公式，例如Archad 模型，對給定沖壓工藝和模具幾何輪廓下模面磨損量進行評估。然而，在沖壓工藝仿真中，為了兼顧計算精度和效率，采用殼單元，且單元大小也更為粗大。這些計算處理方面的差異，將引起界面接觸壓力計算誤差，進而影響模具磨損評估的可靠性。

本文基于Dynaform 軟件，討論沖壓工藝仿真中網格大小等參數對板料―凹模界面接觸壓力計算精度的影響，并與已有的ABAQUS 精細仿真結果對比，獲得二者在接觸壓力上的差異，為工程設計仿真參數提供技術手段。

數值仿真模型

為了對比分析，Dynaform 軟件中成形過程建模時，材料和幾何參數與ABAQUS 數值模型相一致。本研究采用U 形件彎曲成形，其中圓角半徑為5mm，成形深度50mm，模具間隙設定為板料厚度的5%。如圖1 所示，由于U 形件的幾何形狀以及施加載荷的對稱性，本模型只建立二分之一U 形件，并通過板料寬向邊界約束設置，實現平面應變狀態下的彎曲。

圖1 有限元仿真模型

板料選取冷軋雙相鋼DP590，板料厚度為2mm。按照汽車沖壓件工藝仿真的常規設置，鋼板假定為彈塑性材料，模具設定為剛性。由于已知磨損主要發生在凹模圓角半徑處，因此網格細分過程只改變板料和凹模圓角處的網格大小。壓邊力按照12MPa 施加，板料―模具間庫倫摩擦系數假設為0.15。

結果與討論

圖2 是從所建立模型中獲得的界面接觸壓力分布圖，最大接觸壓力主要發生在凹模圓角區附近。本研究所涉及的界面接觸壓力都是從該區域提取的最大值。由于U 形件彎曲過程中磨損主要發生在凸模完全進入凹模腔體直壁段之后(即穩定階段)，因此，仿真中接觸壓力取行程在22 ～27mm 和39 ～45mm的兩段，共20 幀數據，其平均值認為是穩定階段凹模圓角上的接觸壓力值。

圖2 凹模圓角區界面接觸壓力分布

關鍵的材料、工藝和模具幾何參數對板料―凹模圓角界面接觸壓力的影響已在文獻研究中討論過。這里，基于Dynaform 軟件，僅討論仿真中殼單元類型、板料和模具網格大小、厚向積分點和虛擬沖壓速度對板料―凹模圓角界面接觸壓力的影響。通過更改這些參量的類型或參數，考察其對穩定階段界面接觸壓力的影響。

單元類型的影響

殼單元是基于板殼理論，在厚度方向尺度遠小于其他方向的尺度時，把單元從3D 簡化成2D 就可以簡化大量預算而獲得比較準確的解。實體單元不引入板殼理論，直接計算位移、變形和力，當結構比較復雜時運算量非常大，但應用實體單元運算更為準確。

表1 是在相同條件下工藝過程仿真中常用的BT殼單元和實體單元兩種單元得到的界面接觸壓力仿真數值，可以看出，兩種不同類型單元得到的結果幾乎相同。兩種單元得到相同的結果說明：在薄板仿真中，單元類型的選擇對界面接觸壓力仿真結果沒有影響。因此工程設計中滿足板殼理論的結構件可以直接采用默認的BT 殼單元進行仿真，節省模型計算時間。

表1 Dynaform 單元類型與接觸壓力的關系(單位：MPa)

板料網格大小的影響

圖3 是不同板料網格大小情況下板料―凹模圓角界面接觸壓力對比情況，其他條件為壓邊力12MPa，BT 殼單元，網格大小為0.25mm，采用5 個積分點，虛擬沖壓速度2000mm/s。實踐表明：凹模圓角小于5mm 時，先進高強鋼沖壓過程可能過早出現開裂；通過預先計算證明，DP590 鋼所需最小壓邊力為12MPa，故本研究采用12MPa。從圖3 可以看出，網格板料網格大小對接觸壓力仿真精度影響明顯，呈現出隨著板料網格變大，界面接觸壓力值也隨之增加的規律。從界面接觸壓力的原始數據中還可以看到：即使在平穩階段，界面接觸壓力并不連續，這表明Dynaform 仿真結果并不精確，只能在工程設計中用平均結果預估磨損情況。

圖3 板料網格大小對接觸壓力的影響

模具網格大小影響

圖4 為凹模圓角區網格大小對界面接觸壓力的影響，其他條件為壓邊力12MPa，BT 殼單元，板料網格0.25mm，采用5 個積分點，虛擬沖壓速度2000mm/s。同樣可以看出：模具網格大小對板料―凹模圓角區界面接觸壓力計算精度存在顯著的影響。網格劃分越小，精度越高，且呈現出隨著模具網格變大界面接觸壓力值也隨之減小的規律。

圖4 模具網格大小對接觸壓力的影響

上述研究表明：凹模和板料網格大小都對板料―凹模圓角區界面接觸壓力有顯著影響，為此，在用工藝仿真結果預測模具表面磨損量時，應該合理選擇凹模和板料網格尺寸。基于正交試驗方法，可以獲得的網格尺寸對板料―凹模圓角區界面接觸壓力有影響，如圖5 所示，可以用于補償不同板料和模具網格尺寸條件下界面接觸壓力計算偏差。

圖5 網格大小對接觸壓力的影響

積分點個數的影響

圖6 是分別采用5、7、9 個積分點條件下界面接觸壓力分布演化情況。從圖中我們可以看出：三種情況下板料―凹模圓角區界面接觸壓力仿真結果相差無幾，說明積分點個數對于界面接觸壓力仿真的精度幾乎沒有影響，缺省值5 得到的仿真結果就已經可以保證足夠的精度，這個積分點數值也是沖壓工藝過程仿真中的缺省值。這是因為積分點個數是殼單元厚度方向的積分，可指定為任意奇數，默認數值為5。對于性質均勻的殼單元，5 個截面積分點已經足夠處理大多數非線性問題了。因此，工程設計中可以不必考慮積分點這一參數，默認值5 就已經能達到很好的仿真效果。

圖6 厚向積分點對界面接觸壓力的影響

虛擬速度的影響

在Dynaform 中，分別采用2000mm/s、3000mm/s、4000mm/s、5000mm/s 的虛擬沖壓速度進行工藝過程數值計算，得到的板料―凹模圓角區界面接觸壓力如圖7 所示。從圖7 中可以看出：仿真中虛擬沖壓速度對板料―凹模圓角區界面接觸壓力沒有顯著的影響。這主要是由于在Dynaform 仿真中，板料沒有采用與相關材料本構模型和熱力耦合沖壓過程數值仿真模型。

圖7 虛擬沖壓速度對接觸壓力的影響

虛擬仿真中沖壓速度對接觸壓力沒有影響，并不意味著實際生產中沖壓速度對模具磨損量沒有影響。在實際成形中，隨著沖壓速度的提高，鋼板材料一方面會產生一定程度的應變硬化，使材料流動應力得到升高，界面接觸壓力有所提高；另一方面，模具上熱量累積效果加強，模具溫升效應顯著，加劇了模具表面粘?，F象。這兩方面都會降低模具的抗磨損能力。

從上述結果可以看出，與ABAQUS 界面接觸壓力計算結果相比，Dynaform 計算結果普遍偏低，這就需要在模具磨損預測結果上給以一定的補償因子，提高評估的可靠性。從Archard 磨損預測模型上看，除了要正確輸入接觸壓力外，獲得準確的材料―模具配副件磨損因子k 值，對于精確評估模具表面磨損也是至關重要的。

結束語

在成形模具表面磨損預測中，界面接觸壓力是影響數值評估結果是否可靠的一個重要的因素。本文探討了Dynaform 工藝仿真中關鍵仿真參數對模具磨損嚴重區域(凹模圓角區)上界面接觸壓力計算精度的影響。研究表明：網格大小對仿真精度影響顯著，隨著板料網格尺寸增加和模具網格減小，界面接觸壓力仿真結果隨之升高；而殼單元種類、積分點和虛擬沖壓速度對仿真精度基本沒有影響。