AYSYS分析綜合報告

前言板料沖壓成形是一個非常復(fù)雜的過程，包括接觸碰撞、摩擦磨損、彈塑性大變形以及大位移大轉(zhuǎn)動等，故在成形過程中會產(chǎn)生很多缺陷，如拉裂、起皺及回彈等，其中回彈問題最為復(fù)雜。回彈是沖壓件在成型后，彎曲角度和彎曲半徑產(chǎn)生復(fù)原的現(xiàn)象，由材料的內(nèi)應(yīng)力分布不均導(dǎo)致變形不均勻引起的?；貜棇Ξa(chǎn)品的精度影響較大,在沖壓件的后續(xù)裝配工藝中,由于相鄰零件的尺寸不一致,給裝配帶來困難,影響裝配效率,并可能造成過大的裝配殘余應(yīng)力,從而影響焊裝件的使用可靠性。因此在模具設(shè)計階段應(yīng)給予補(bǔ)償。傳統(tǒng)的方法主要是通過不斷地修模、試模來補(bǔ)償,這樣需花費(fèi)大量的人力、物力。如果在設(shè)計模具時能準(zhǔn)確掌握材料的回彈規(guī)律及回彈值大小,在設(shè)計模具時就可以預(yù)先在模具結(jié)構(gòu)及工作部位尺寸上采取措施,簡化修模、試模的過程,節(jié)約大量人力、物力。因此,在沖壓成形工藝設(shè)計中,準(zhǔn)確預(yù)測回彈量和掌握回彈規(guī)律,進(jìn)而控制回彈量就顯得尤為重要。沖壓件回彈的兩個組成部分是:彈性回彈和塑性回彈。彈性回彈指的是沖壓成形中的彈性變形,主要是由于凸、凹模之間的間隙比板料厚度大的緣故。回彈角可能會很大,這將導(dǎo)致嚴(yán)重的形狀偏差。塑性回彈是指塑性變形區(qū)殘余應(yīng)力的釋放導(dǎo)致應(yīng)征偏差與回彈現(xiàn)象。彎曲時的回彈,傳統(tǒng)的研究方法是采用彈塑性力學(xué)理論,建立應(yīng)變與彎矩,彎矩與幾何參數(shù),幾何參數(shù)與回彈角、應(yīng)力的關(guān)系方程,解方程求出回彈量。近年來,本領(lǐng)域的研究采用變分方法和采用最小勢能與最小余能方法,得到了理論解,但是這些方法對實際接觸摩擦條件考慮不夠。拉深成形時的回彈,一般無法采用彎曲成形時研究回彈的方法,原因是受力、變形關(guān)系太復(fù)雜。但是,實際工程又必須掌握回彈的規(guī)律,為控制回彈服務(wù)。有限元仿真技術(shù)的發(fā)展,使解決這一問題成為可能。為此,本文對彎曲成形的變形過程及回彈進(jìn)行了研究。由于工件的最后形狀是其整個成形歷史的累積效應(yīng),影響回彈的因素很多,對于復(fù)雜的板料,在理論上準(zhǔn)確計算回彈值比較困難。這里借助有限元仿真技術(shù),研究和分析關(guān)鍵因素對彎曲回彈的影響。彎曲回彈值的理論計算工業(yè)生產(chǎn)中，板料在沖壓過程中會發(fā)生彎曲變形，彎曲變形和所有的塑性成型工藝一樣，均伴有彈性變形。通過了解實際生產(chǎn)過程，板料沖壓過程中會發(fā)生回彈現(xiàn)象，而回彈現(xiàn)象產(chǎn)生于彎曲變形結(jié)束后的卸載過程。彎曲卸載后，由于中性層附近發(fā)生彈性變形，且內(nèi)層受拉應(yīng)力、外層受壓應(yīng)力引起彎曲內(nèi)外層總變形中彈性變形部分的恢復(fù)，使得彎曲件的彎曲中心角和彎曲半徑和模具尺寸不一致，由此發(fā)生回彈現(xiàn)象。彎曲件的回彈主要與材料的力學(xué)性能、相對彎曲半徑r/t、彎曲中心角α，彎曲方式、工件形狀及模具間隙有關(guān)。材料的屈服強(qiáng)度σs越高、彈性模量E越小、相對彎曲半徑r/t越小、彎曲中心角α越大，彎曲變形的回彈也越大，當(dāng)然模具凸、凹模間隙減小，回彈也相應(yīng)減小。彎曲為了更直接的說明回彈現(xiàn)象，我們引入回彈值來表示回彈的大小。設(shè)卸載過程結(jié)束時，毛坯外表面金屬因回彈產(chǎn)生的彈性應(yīng)變?yōu)棣舠p，由此εsp=εbe式中，εbe——卸載前的總應(yīng)變值；εsp——卸載εre——卸載后的殘余應(yīng)變又εbe=t2ρ，εsp=Mt2EI，εre1ρ-1ρ對式（1-2）變換得：ρ,=ρEIEI-Mρρ=ρ,EIEI+M式中，ρ,——彎曲件應(yīng)變中性層回彈后ρ——彎曲件應(yīng)變中性層回彈前的曲率半徑；E——彈性模量；I——彎曲毛坯斷面慣性矩；M——卸載彎矩，值為加載時的彎矩值；將I=bt312，M=Wσsp=bt36σsp及r=2r,r,=2rt式中，r——彎曲件回彈前的內(nèi)彎曲半徑；r,——彎曲件回彈后的內(nèi)彎曲半徑σsp——卸載彎矩引起的卸載應(yīng)力，σ除此之外，我們還可以用彎曲回彈前后的回彈角來度量回彈的大小，回彈角可表示為：?α=α-α,（1由于卸載前后彎曲件應(yīng)變過程中性層長度不變，所以有ρα=將其代入式（1-7）得：?α=ρα(1ρ-在將式（1-2）代入上式得：?α=MEIρα將I=bt312，M=Wσsp=bt36?α=或?α=LS-DYNA顯——隱式分析概述目前常用的板料沖壓成形CAE數(shù)值模擬軟件有：Dynaform、Pamstamp、Lsdyna、Autoform等，隨著計算機(jī)模擬技術(shù)的快速發(fā)展，有限元分析計算板料成形的精度也有了很大的提高。本文中主要采用LS-DYNA對板料成形進(jìn)行數(shù)值模擬。完整的回彈數(shù)值模擬分為2步：沖頭落下板料成形的過程模擬和去除沖頭等工具板料回彈的過程模擬。第1步是回彈過程模擬的基礎(chǔ),為其提供應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，該計算的準(zhǔn)確與否將直接影響回彈計算的精度。第2步計算可分別采用不同的算法。數(shù)值模擬主要有2種算法：靜力隱式算法和動力顯式算法。2種算法的區(qū)別在于靜力隱式算法需要構(gòu)造和求解剛度矩陣，每一步迭代都要進(jìn)行接觸判斷，往往會出現(xiàn)迭代不收斂的情況，計算速度慢，但計算精度高；而動力顯示算法不需要構(gòu)造和求解剛度矩陣，因此該算法的最大優(yōu)勢是計算速度快。實踐證明，動力顯式算法計算的應(yīng)力是不準(zhǔn)確的，而殘余應(yīng)力恰恰是造成回彈現(xiàn)象的關(guān)鍵所在，因此認(rèn)為在回彈模擬的第1步采用動力顯式算法是不合適的。雖然動力顯式算法在計算以接觸為主的問題時速度相當(dāng)快，但是當(dāng)其用于不存在接觸并且以低頻率方式變形的柔性結(jié)構(gòu)時，為保證算法的穩(wěn)定性，分析時間常常比模擬成形過程所要的時間還要長。質(zhì)量加大技術(shù)雖然可以加速成形模擬過程，但它對回彈第2步計算是毫無幫助的，因為加大質(zhì)量的同時也加大了達(dá)到靜平衡的時間。為預(yù)測回彈后零件的形狀，我們采用靜力隱式算法。模型計算與分析應(yīng)用彈塑性和有限元理論,利用ANSYS/LS-DY-NA非線性動力有限元程序的顯式-隱式連續(xù)求解功能,模擬了薄板沖壓成形及回彈分析過程。本文仿真采用的板料和模具參數(shù)為：不銹鋼鋼板尺寸（）密度（）彈性模量（）79302.06E11泊松比屈服極限()切線模量()0.292061E10表一板料和模具參數(shù)使用模具尺寸如下圖圖一模具圖紙Ansys軟件分析回彈問題的流程定義單元和材料及網(wǎng)格劃分建立有限元模型定義單元和材料及網(wǎng)格劃分建立有限元模型分析題目定義接觸面定義接觸面顯性分析結(jié)束成型計算結(jié)果施加載荷顯性分析結(jié)束成型計算結(jié)果施加載荷進(jìn)入隱性分析進(jìn)入隱性分析建立有限元模型建立有限元模型是模擬板材成形工藝過程的基礎(chǔ)，具體的有限元模型要根據(jù)工件、模具的實際結(jié)構(gòu)形狀來建立，要能夠反映出實際加工過程中被成形板材、模具之間的相對位置，以及它們之間的相對運(yùn)動關(guān)系。本文主要討論的是實現(xiàn)沖壓成型回彈分析的模擬方法，故采用比較簡單的模型來說明這個問題，模型如圖三所示，凸模和凹模表面為非均勻的樣條曲線，板料為規(guī)則的長方形薄扳。由于是板材，建模時只需建為平面，厚度在定義單元時再輸入。在實際成型加工時，相對于板材的變形，模具的變形可以不作考慮，除非研究問題是計算模具的應(yīng)力、應(yīng)變，在這種條件下，輸入材料參數(shù)時可以把凸模、凹模定義為剛體，這樣處理可以減小很多的計算量，并且計算精度不會差多少，但材料的彈性模量、泊松比仍需按真實值定義，不能夠認(rèn)為是剛體就需要定義為很大的值，否則會在計算時出現(xiàn)不收斂的情況，材料的力學(xué)參數(shù)采用Plastic-Kinematic材料模型。凸模、凹模使用LS_DYNA中的soild164三維實體單元，被加工板材使用shell163殼單元，板料厚度為2mm。每種單元都有很多種算法可以選擇，選擇適合的算法可以提高計算的速度和精度。在定義沿板厚度方向積分點(diǎn)參數(shù)時，如果僅僅是作沖壓成型分析，建議設(shè)定為3個積分點(diǎn)，這樣分析的結(jié)果更精確，但計算時間也會增加。建模的方法為由點(diǎn)生成線、由線創(chuàng)建面、由面拉伸成體。通過已知的數(shù)據(jù)創(chuàng)建一系列的點(diǎn)，如圖二。由點(diǎn)生成線，如圖三。由點(diǎn)生成面，如圖四。圖二創(chuàng)建點(diǎn)圖三由點(diǎn)生成線圖四由點(diǎn)生成面圖五劃分網(wǎng)格定義單元類型和材料材料及網(wǎng)格剖分整體模型我們選擇先劃分一個面，然后由面擠出形成體。如圖六。圖六劃分網(wǎng)格后的模型圖七板料的變形情況施加載荷成型計算結(jié)果實現(xiàn)顯式求解計算有兩種方式，一種可以直接在ANSYS軟件中調(diào)用Ls_Dyna顯式求解器計算，優(yōu)點(diǎn)是比較快捷方便，缺點(diǎn)是對前面所有步驟的設(shè)置不能重新編輯、修改。另一種方式是在DOS狀態(tài)下，通過DOS命令來調(diào)用Ls_dyna求解器來計算。但這種方式必須使用Ls_Dyna特定的文件格式——關(guān)鍵字文件，關(guān)鍵字文件可以通過Ansys軟件導(dǎo)出，關(guān)鍵字文件的修改和編輯可以通過操作系統(tǒng)中的寫字板功能來完成。板料沖壓成型顯式計算的結(jié)果如圖七所示，分別給出了板料的變形圖、板料的Von-Mises應(yīng)力云圖和板料上節(jié)點(diǎn)node59、114和169的位移隨時間變化的曲線。通過這些圖可以顯示出在沖壓成型的過程中，板料上應(yīng)力、應(yīng)變及位移的變化量。node59、114和169位移曲線顯示了板料的運(yùn)動已經(jīng)逐漸變小，足以進(jìn)行隱式回彈分析。如果在求解結(jié)束時有一個大的振蕩運(yùn)動,應(yīng)該使用一定形式的阻尼重新進(jìn)行顯式分析，否則后面的隱式分析會出現(xiàn)計算不收斂而得不到結(jié)果的現(xiàn)象，其原因可能是載荷的不真實或是其它的原因?qū)е聼o限大的加速度。圖八Von-Mises應(yīng)力云圖圖九節(jié)點(diǎn)的位移隨時間變化的曲線利用Ls-dyna求解器計算的結(jié)果文件有兩種，一種是以.rst和.his為結(jié)尾的Ansys的數(shù)據(jù)文件;另一種是d3plot和d3thdt的Ls_dyna的結(jié)果文件。可以通過Ansys軟件的通用后處理器、時間歷程處理器和Ls-Dyna模塊自帶的Ls-post后處理器來分別查看結(jié)果。由此生成的動畫附在文件夾中?；貜椨嬎?1)更改文件名，以免后面計算的結(jié)果文件將前面顯式求解的結(jié)果文件覆蓋。(2)將顯式單元類型轉(zhuǎn)換為具有適當(dāng)屬性的隱式單元類型。在Ansys中，有相應(yīng)的顯式和隱式單元類型，在回彈計算時，所有的單元必須轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的隱式單元類型，前面的單元類型Shell163、Solid164轉(zhuǎn)化為Shell183、Solld185單元類型。(3)利用Ansys軟件隱式求解器進(jìn)行回彈分析時，只能激活線彈性材料特性，因此在顯式分析部分板材使用的塑性材料特性必須被刪除。(4)關(guān)閉單元的形狀檢查，因為