薄板冲压回弹仿真计算及应用技术研究

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1、湖南大学博士学位论文薄板冲压回弹仿真计算及应用技术研究姓名：刘迪辉申请学位级别：博士专业：车辆工程指导教师：钟志华20051201博士学位论文摘要回弹现象是冷冲压成型过程中不可避免的物理现象。回弹问题的存在造成零件的形状及尺寸与设计要求不符，直接影响冲压件的品质，包括外观质量、装配性能和使用可靠性等。如何准确的预测回弹后零件的形状、设计出准确的型面以补偿回弹，在目前还是模具工业中的实际难题。采用数值方法准确的预测零件的回弹量对最终解决回弹问题至关重要。有限元方法是一种广泛应用于冲压成型仿真的数值方法，该方法已经被证实可用于回弹仿真计算，但由于回弹计算结果受到很多因素的影响，目前有

2、限元方法对回弹预测精度还不理想，回弹问题有待进一步的研究。本文针对影响回弹预测精度的三个主要因素：仿真模型中的单元尺寸、材料参数和等效拉延筋模型，开展了薄板冲压回弹仿真计算及其应用技术的研究，研究的目的在于提高回弹预测的精度。主要研究工作如下：（1）研究了翻边回弹仿真中板料过模具圆角时的单元尺寸问题，证实了在翻边仿真中板料过模具圆角时采用较小的单元尺寸是取得合理的回弹预测结果的必要条件之一。通常认为板料过模具圆角时采用的单元数目在模具圆角大的情况下可以采用较大的单元尺寸，本文研究中发现该观点并不能应用于翻边回弹仿真。本文建立了凹模圆角半径不同的三个翻边试验的仿真模型，比较了在模型

3、中采用不同单元尺寸时的回弹仿真与试验结果。研究表明，不论模具圆角半径大小，板料在过圆角的部分采用较小的单元尺寸时，回弹的预测结果才能够与试验结果较为一致。（2）研究了在U型冲压仿真中单元尺寸对回弹的影响机理，解释了令许多研究者困惑的回弹预测结果偏小问题。本文进行了U型冲压的试验，并把U型冲压仿真分为成型中期与成型末期两个阶段，分别研究了两个阶段中单元尺寸对回弹的影响机理。研究表明，在成型仿真过程中期，板料弯曲部分出现“应力松弛”现象，即板料中的应力逐渐下降。在不同单元尺寸下，“应力松弛”程度不同，导致了板料在回弹计算前的应力不同，最后导致了在回弹仿真中预测结果不同。在这种情况下，

4、单元尺寸越大，“应力松弛”越严重，回弹预测结果越小。在成型仿真过程末期，由于板料和模具之间的间隙小，板料和模具之间不可避免的发生“穿透现象”，这种“穿透现象”导致的接触力对回弹值所起的效果与有底凹模弯曲中的“校正力”所起的效果相同。有底凹模弯曲中的“校正力”大小不同，零件的回弹量就有较大差异。仿真中不同单元尺寸下该“校正力”大小不同，导致了回-I-薄板冲压回弹仿真计算及应用技术研究弹预测结果的差异。在这种情况下，单元尺寸越大，板料受到的“校正力”越大，回弹预测结果越小。本文还提出了在以上这两种情况下减少单元尺寸对回弹预测精度影响的措施。（3）提出了一种基于不带肩试样拉伸试验反求材

5、料参数的新方法。材料参数精度取决于其对材料力学性能的描述精度，它对回弹预测结果有较大的影响。反求方法可用于确定材料参数，但如果反求采用的试验所对应的仿真模型很复杂，反求会很费时。采用修正的LM优化算法和有限元软件ANSYSLS-DYNA相结合的反求方法在不带肩试样拉伸试验基础上反求材料参数，具有收敛快、反求省时的特点。算例表明，该方法能确定Barlat1989模型和Barlat1991模型中的材料参数，反求方法得出参数能够比较准确的描述材料的力学性能。在本文反求方法基础上还提出了一种基于板料在拉伸试验过程颈缩变形反求出实际应力应变曲线的方法。该方法能够求出较大应变范围内的实际应力

6、应变曲线，避免常规方法只能较小应变范围内的实际应力应变曲线的缺陷。（4）研究了拉延筋对回弹的影响机理，提出了修正的等效拉延筋模型。在仿真中常用到等效拉延筋模型，但仿真中采用等效拉延筋模型对回弹预测的影响还不清楚。本文在拉延筋影响试验和翻边试验基础上，分析了拉延筋对回弹的影响机理。研究表明，板料过拉延筋后的应力和材料的硬化对回弹影响很大，板料的厚度变化对回弹也有一定的影响。目前的等效拉延筋模型即使能提供准确的拉延阻力，也不能满足准确预测回弹的要求。为了克服目前的等效拉延筋模型在回弹预测方面的缺陷，本文提出了一个修正的等效拉延筋模型，该模型除了能够准确描述拉延筋约束阻力外，还能够准确

7、描述板料过拉延筋后的应力、材料的硬化和几何尺寸的变化。本文还提出了确定该模型参数的试验方法、理论计算方法和仿真计算方法，以及其在简单回弹问题上的应用方法。算例表明，采用修正的等效拉延筋模型，可显著提高回弹的预测精度。关键词：回弹;有限元;反求;各向异性;等效拉延筋模型-II-博士学位论文AbstractSpringbackisacommonphysicalphenomenoninthemetalsheetforming.Thespringbackproblem,whichmake