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冲压件坯料的优化设计方法研究

冲压件坯料的优化设计方法研究 2011年12月09日 来源： 摘要：本文较为系统地介绍了冲压件坯料的优化设计方法，并比较分析了各自的优缺点。相比于其他方法，一步模拟方法效率高、适应面广、功能较强，可以在产品的设计之初提供较为丰富的信息，因此，该方法有着较好的前景。文章中一步模拟方法采用CST薄膜单元和DKT6板壳单元，这样，既可以考虑到面内薄膜内力的作用，也可以叠加弯曲效应对单元的影响，具有较高的精确度。最后采用实例验证了该方法的有效性和可靠性。 关键词：板料成形；坯料优化；一步模拟 1 前 言 在产品设计初期，如何方便快捷地获得坯料较为准确的形状尺寸，估计工件的应力应变及厚度分布,预测板金的成形性能，已经愈来愈受到人们的关注。借助这些信息，设计人员可以对工件的形状尺寸、工艺条件等进行规划，使得坯料的变形较为均匀，减少凸耳及切余量，以期达到良好的成形性能及品质要求。目前已经涌现许多方法，但是其中各有优缺点。本文首先介绍了其中的主要方法，然后引出目前较为有效的优化方法，并作了验证。 2 常用的优化设计方法 2.1 经验方法 该方法主要基于一些经验计算公式，所以其应用范围受到影响，主要应用于形状比较简单的可展冲压件（如旋转形件、弯曲件、或由这些简单形件组合而成的冲压件）。总的来说，由经验展开板类件自由曲面的方法都是属于凑合性质的方法，其精度受到使用者经验的丰富程度、所采用的经验公式及具体工艺参数的选择等诸多因数的影响，其准确度有待进一步提高。 2.2 滑移线法[1-3] 滑移线法的基本假设为：板料法兰厚度不变，且处于平面应变状态，材料各向同性，无硬化，不考虑摩擦力分布对塑性流动的影响。 从对滑移线法的叙述表明，只有形状相对简单的冲压件才能建立相应的滑移线场。并且只有在特别简单的边界条件下才能从特征方求解中给出滑移线的数学表达式。一般情况下，需利用特征方程的数值积分，根据给定的边界条件，逐点递推，求得近似滑移线场，这种方法是以变换特征线微分方程为有限差分关系式，并利用滑移线的特征作为基础的。因此滑移线法由于数学运算比较复杂而较难在实际生产中推广应用。 2.3 几何映射法 该方法首先由R.Sowerby[4]等提出，他们认为，可以不考虑变形力、应力-应变关系及边界摩擦等边界条件，根据某些假设实现工件到坯料的映射。首先将木制模型进行网格划分，利用坐标测量仪获取节点的位置坐标。或者由CAD模型在计算机中直接划分网格。假设工件在成形过程中厚度不变，变形前后网格的面积恒定，将三维空间网格向二维平面进行映射，由此可以推知初始坯料形状和工件的应力分布。后来J.C. Gerdeen和P.Chen[5]对其进行了进一步研究，将有限元思想引入几何映射，对每个单元实现映射，并开发了两套程序AXIFORMH和FEPFORM分别用来处理轴对称和非对称情况。 在国内北京航天航空大学的席平教授对此进行了较深入的研究，她把板材自由曲面离散成一系列的直纹面[6,7]，对每一直纹面进行了三角形离散，然后确定一基准面对每一空间三角形进行展开。其展开精度与直纹面、三角形离散精度有关，因此确定合理的离散精度直接影响到计算机的计算速度及展开精度。 2.4 模拟法 模拟法是在一定的假设条件下，根据许多物理问题数学描述的相似性，通过数学相似理论，采用其它物理介质构成的模型来模拟板料法兰的金属流动。Laplace和Poission方程被广泛用于板料的成形当中。 粱炳文等[8] 的电模拟法，利用电解液槽装置，测量等势线，可得到一定深度的拉深件的毛坯外形，进行测量的工作时间在10min内。此方法需要设计电解液装置及数据测量，因而其精度受到人为因数的影响。 另外一种是流体模拟法，它通过简单的流体模拟试验和计算机辅助模拟，来求解多种不规则形状拉深件的合理毛坯形状。粱炳文等[9]根据虚点汇流动模型，实现了一种计算机辅助模拟，用理想流体的点汇场模拟寻求虚点汇场的解，使用微机自动绘制了不同形状、不同高度的拉深件合理毛坯外形，并以半圆头矩形件为例做了实验验证。流体模拟法对模拟介质的要求很严格，它要求介质连续均匀，各向同性，易于流动且粘度大于某一定值。 粱炳文等[10-12]用二维无内热源稳态热传导来进行模拟，建立了相对于凸缘应力场的温度场模拟模型。并根据热传导模拟模型编制的FEMBLC程序，可不必象一般求板材自由曲面冲压件的毛坯尺寸一样，先设一个外形线上的点。它可由计算机根据所输入的冲压件的几何尺寸，可以自动按所定的精

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