拉伸成形

拉伸成形是對成型模卸件結構的改進的一種技術，其優點在彈簧的作用下能自動的卸件，提高卸件效率，並不損壞零件，模具結構簡單，降低製造成本，縮短製造周期，使用、維護方便。

基本介紹

• 中文名：拉伸成形
• 外文名：Stretch forming
• 優點：彈簧的作用下能自動的卸件
• 提高：成型模卸件效率
• 結構簡單：拉伸成型模
• 學科：冶金工程

簡介

板料在載荷的作用下, 受模腔形狀的約束, 其邊界不斷發生變化。在整個變形過程中, 材料的某些邊界部分可能逐漸與模具接觸而變為約束邊界,同時, 有些本已受約束的材料表面可能會脫離與模具表面的接觸而重新成為自由邊界, 這是一個動態的變化過程。為得到可信的結果, 在用有限元數值模擬板料成形過程, 必須用恰當的方法來描述模型的幾何形狀, 選擇合適的接觸算法, 選擇合適摩擦模型。

優點

拉伸成形是對成型模卸件結構的改進的一種技術；它提高成型模卸件效率，並能使拉伸成型模結構簡單；拉伸成型模是由凹、凸模，壓邊圈，頂件板，彈簧，螺釘構成；其優點是：在彈簧的作用下能自動的卸件，提高卸件效率，並不損壞零件，模具結構簡單，降低製造成本，縮短製造周期，使用、維護方便。

模型幾何形狀的數學描述

三維模型幾何形狀的數學描述通常有解析法、參數曲面法、有限元格線描述等幾種描述方法, 選擇不同的數學描述方法對仿真精度和效率有很大的影響。解析法對一些基本的圖形描述精確, 動態邊界處理中的有關算法也較為簡單, 無須疊代, 但當解析式的階次增加, 相應的算法則變得異常複雜, 而且無法對過渡表面和空間自由曲面進行準確靈活地描述。目前CAD 技術曲面造型技術和相應的算法都比較成熟, 採用參數曲面法描述模型幾何形狀和動態邊界處理精確合理、效率較高。有限元格線描述僅是把模型的表面離散成結構最為簡單的三角形平面,採用這種方法處理問題簡單方便。

模型表面有限元格線(僅是三角形格線) 的生成也要基於模型的實體造型和曲面造型, 格線的密度也要因表面形狀的急劇變化程度而實現自動加密。下面所述主要針對有限元格線描述法而言。

接觸本身是一種很普通的非線性行為, 它是狀態變化非線性類型中一個特殊而重要的子集, 是一種高度非線性行為。一般的接觸分為剛體—柔體接觸、柔體—柔體接觸。ANSYS 軟體支持3 種接觸方式: 面—面接觸, 點—面接觸, 點—點接觸。板料拉伸成形過程中板料發生大變形、模具與板料發生大滑動。為了得到更好的接觸結果和建立模型的方便, 現採用柔體—柔體接觸的面—面接觸來模擬板料拉伸成形過程。

1 目標面的生成

在板料拉伸成形過程中模具的剛度很大, 變形很小,因此把模具的某些表面定義成目標面,用一系列目標單元TARGE170來劃分目標面。對於柔性目標面, 這些目標單元是覆蓋在已用實體單元劃分好的實體的表面, 而且可以在TARGE170 單元上直接施加位移、溫度、力和力矩。對於任何的目標面, 其目標單元的節點的序列號對處理接觸問題是非常關鍵的, 節點號必須是按一定的順序排列的, 以便可以用右手定律來判別目標面的外法線方向, 即單元節點的序列要與下面的實體單元或殼單元的節點序列號一致, 以保證單元的正法線方向指向目標面,這對於殼單元、梁單元尤為重要。

2 接觸面的生成

在板料拉伸成形過程中, 當板料剛度相對較小時, 成形過程中會發生大變形、大應變, 因此可把板料的上下兩表面定義為接觸面, 用CON TA174 單元(或CON TA173 單元) 來劃分目標面。這種單元適合於分析3D 結構和耦合熱結構接觸問題, 它與下面的實體單元或殼單元有相同的幾何形狀, 當單元表面與目標面上的某個目標單元發生穿透時接觸便隨之發生。而且要求單元的序列號要與下面實體單元或殼單元的序列號一致, 以使接觸單元的外法線方向指向目標面。

3 接觸對的生成

目標面和接觸面是通過一系列共用的實常數號聯繫在一起的, 這個實常數系列包括了所有的目標單元和接觸單元的實常數。無論是目標面還是接觸面, 可以把許多單元組成同一個接觸面或目標面, 但這樣做計算機計算起來特別費時, 效率比較低, 如果把目標面和接觸面分成多個目標面和接觸面, 則計算機的計算效率大大提高。而且當接觸面的同一區域與多個目標面發生接觸時, 應定義多個接觸對(使用多組覆蓋層接觸單元) , 每個接觸對有不同的實常數號(即使實常數沒有變化) 。

接觸算法的選擇

接觸面必須給目標面一定的約束條件才能滿足接觸相容性, 由於這些約束條件隨狀態的改變而改變, 一般採用增量疊代法進行求解。目前求解接觸問題常用的算法有罰函式法和拉格朗日乘子法,這2 種方法的共同點是將有約束條件的變分問題轉化為無約束條件的變分問題求解。拉格朗日乘子法是通過在泛函式中引用拉格朗日乘子項精確地滿足接觸約束條件。與罰函式相比拉格朗日乘子法模擬出的結果更為準確, 而且對接觸剛度係數不敏感。但是由於拉格朗日乘子法引入了大量的乘子,使系統的剛度矩陣不對稱, 需要很多的疊代次數才能收斂, 而且對變形大的單元收斂尤為困難。罰函式法是將兩接觸體的接觸條件, 即板料與模具不得相互透入這一約束條件作為懲罰項引入到方程中,接觸壓力假定正比於主動體侵入從動體的量值, 在這個假設下, 採用罰函式法得到的方程僅以位移作為基本未知數, 因此罰函式控制方程的階數和頻寬都小於拉格朗日乘子法。但是罰函式法的因子的取值對計算結果的精度影響很大, 必須根據滲透情況多次進行調整, ANSYS 軟體推薦使用罰函式法和拉格朗日組合型求解接觸問題。當板料與模具面—面接觸時, 為滿足接觸邊界不相互過大透入, 在ANSYS 中使用罰函式與拉格朗日的組合法, 使其發揮各自的優越性。

兩表面之間穿透量的大小取決於接觸剛度, 一般來說,應有足夠大的接觸剛度,以保證接觸穿透小到可以接受,但接觸剛度也不能太大,以使不引起總剛度矩陣的病態而保證收斂性。

接觸摩擦模型的選擇

為滿足力的相容性, 必須在目標面的切向施加一個摩擦力, 摩擦力的大小與選擇的摩擦類型有關。考慮到板料拉伸成形過程中的接觸和變形情況,選擇庫侖摩擦模型(其示意如圖3) 。在基本的庫侖摩擦模型中, 2 個接觸面在開始相互滑動之前是粘合狀態,庫侖摩擦模型定義了一個等效剪應力,一旦剪應力超過此值後,2 個表面之間將開始滑動。粘合/ 滑動計算決定什麼時候一個點從粘合狀態到滑動狀態或從滑動狀態到粘合狀態。

計算實例

用ANSYS5. 7 軟體對圓筒件的拉伸成形過程進行模擬(見圖4) ,因其對稱性,取模型的1/ 4 ,毛坯尺寸為150mm ×150mm , 拉伸的深度為26mm , 一次拉伸即可成形。套用具有大變形特徵的V IS2CO107 單元離散板料, 用CON TA174 單元離散接觸面, 用SOL ID45 單元離散模具, 用TARGE170單元離散目標面。假設材料為各向同性,且應力、應變關係按雙線性等強度變化, 材料性質及部分工藝參數如下:

材料彈性模量100GPa

屈服應力70MPa

塑性硬化模量112MPa

板料厚度1. 0mm

凸、凹模的間隙2mm

凸、凹模的圓角半徑10mm

摩擦係數0. 1

在這個算例中,通過1 個載荷步, 126 個子載荷步完成載入。經過多次調整係數F KN (接觸剛度) 和F TOLN ( 允許穿透量) , 最後選定F KN = 0. 05 ,F TOLN = 0. 5。在此條件下收斂速度較快, 同時也能比較準確地模擬板料拉伸過程。

總結

因ANSYS 軟體在處理板料拉伸成形時採用了靜力隱式算法, 對每一個子載荷步都需要多次平衡疊代,計算量很大。而且ANSYS 軟體給出的接觸剛度的選擇範圍很大, 接觸剛度對收斂性和計算精度影響很大, 在選擇時需要特別認真對待。介紹了處理接觸問題的幾種方法, 最後還通過用有限元軟體ANSYS5. 7 模擬圓筒件拉伸成形過程,模擬過程與實際情況基本相符。這說明只要接觸剛度選擇得合適,收斂速度較快,用ANSYS 模擬板料成形是可行的。