有限元分析方法在冲压模具设计课程教学中的应用

张 洋 段 磊 于 强 徐超辉

天津职业技术师范大学 天津 300222

有限元分析方法在冲压模具设计课程教学中的应用

张 洋 段 磊 于 强 徐超辉

天津职业技术师范大学 天津 300222

介绍了DYNAFORM有限元分析软件在冲压模具设计教学中的应用，以板料拉深成形工艺为例，将冲压模具设计的教学与DYNAFORM的数值模拟技术紧密结合在一起，从而使教学中的概念更具体化和形象化，能让学生更好地理解和掌握相关理论和基本概念，较大地提高了教学质量。

有限元分析；冲压模具设计；DYNAFORM；板料成形

冲压模具设计课程是我校材料成型及控制工程(模具方向)本科专业的一门主干专业课程。通过该课程的学习要求学生掌握冲压变形的基本理论；掌握冲裁模、弯曲模和拉深模的结构特点及其设计方法；掌握冲压工艺的制定方法；能够正确地设计一般冲压模具结构和冲压模具几何参数；了解冲压新工艺、新型模具及冲压技术的发展方向，为毕业后从事模具设计与制造等相关技术工作奠定必要的基础。

由于冲压模具设计是一门知识涵盖面宽、实践性强、综合性强的课程，涉及模具从设计、制造、安装、调试、维护到操作整个工艺流程的各个环节，无工程背景的大学生大多不了解什么是模具，什么是冲压模具。如果在教学过程中仍然沿袭传统的以灌输知识为主的教学模式，必然会使学生产生厌学情绪，学生学得累，有枯燥难懂的感觉，加上学时有限，教师感觉时间紧，往往不能在重要知识点上进行深化，严重影响教学效果，使该课程难以达到其应有的培养目标。因此，在冲压模具设计课程的教学过程中，教师应当不断地探索一些先进的教学方法，使一些抽象的理论和工艺方法能够达到深入浅出的目的，加强学生的感性认识，提高学生的学习积极性，以获得良好的教学效果。我们结合教学和科研工作经历，简述有限元分析方法在冲压模具设计课程教学中的应用。

一、有限元分析软件简介

目前国内外广泛用于冲压模具有限元分析的软件主要有AUTOFORM，LS-DYNA3D，FORMSYS，PAMSTAMP，ROBUST以及ETA/DYNAFORM等。在本文中，将采用ETA/DYNAFORM作为冲压模具设计课程的辅助教学软件。ETA/DYNAFORM是由美国工程技术联合公司(Engineering Technology Associates，简称ETA公司)和Livemore软件技术公司(简称LSTC公司)联合开发的基于LS-DYNA求解器和ETA/FEMB前、后置处理器完美组合并用于板料冲压成形CAE分析的专业软件包，它综合了LS-DYNA960、970强大的板料冲压成形分析功能以及自身强大的前、后处理功能，应用于板料冲压成形工业中模具的设计和开发。

二、ETA/DYNAFORM分析的一般步骤

ETA/DYNAFORM软件系统包括：前置处理模块、提交求解器进行求解计算的分析模块以及后处理模块。前置处理模块主要完成典型冲压成形CAE分析FEM模型的生成与输入文件的准备工作，求解器进行相应的有限元分析计算，求解器计算出的结果由后置处理模块进行处理，用于模具设计及工艺控制研究。运用ETA/DYNAFORM软件进行板料冲压成形CAE分析的一般步骤如图1所示。

图1 板料冲压成形CAE分析的一般步骤

三、有限元分析软件的教学应用实例

在冲压模具设计课程教学中，拉深工艺是一种重要的板料成形工艺(如图2所示)，在凸模1的作用下，置于凹模4和压边圈2之间的毛坯3的环形部分产生塑性变形，并不断被凸模拉入凸模与凹模之间的间隙内而形成零件。毛坯在变形区III的切向(变形圆周方向)为压缩变形，径向为伸长变形。切向的压缩变形使得变形区III在拉深过程中易出现褶皱。径向的伸长变形使得变形区II在拉深过程中易出现破裂。以上内容在授课过程中对于缺乏感性认识的学生来说，抽象的文字描述和简单的图片很难使学生印象深刻。为此，本文以厚度为1.0mm，材料为ST16的带凸缘圆筒形制件为例，运用ETA/DYNAFORM软件模拟拉深成形过程。通过模拟结果及动画演示帮助学生亲身感受和直观理解概念，理论联系实际，提高了授课效果。

图2 拉深工艺

带凸缘圆筒形制件简图如图3所示，根据拉深工艺计算制件的毛坯尺寸D≈201mm，并判断需要加压边圈且拉深次数为一次。

图3 带凸缘圆筒形制件图

利用三维CAD软件建立凸模和毛坯的实体模型，并导入ETA/DYNAFORM软件中，划分网格，定义毛坯、工具，设置工艺参数，定义工具运动曲线与力曲线，建立的有限元模型如图4所示，设置分析参数并提交求解计算。

得到制件的FLD图如图5所示，制件的壁厚分布如图6所示，制件的应力分布如图7所示。从模拟结果可以直观地看出，拉深的变形区较大，金属流动性大，拉深过程中位于凸缘部分的材料受到拉应力和压应力作用而有起皱趋势；凸模底部的材料变形很小，拉深不充分；处于凸模圆角区的材料因受到径向拉深而减薄较大，但未发生破裂。说明制定的制件冲压工艺是合理的。模拟结果和冲压模具设计教学中拉深工艺的相关内容十分吻合，由此可以使学生生动地理解板料拉深变形时各个区域的应力应变情况，壁厚和硬度的变化情况，破裂和起皱的形成原因等，避免了传统教学中的不足，不仅使学生容易接受，而且印象非常深刻。

图7 制件的应力分布

四、结束语

将有限元分析方法与冲压模具设计课程教学有机结合，利用ETA/DYNAFORM的模拟分析和直观的动图显示功能，把拉深工艺中抽象的理论和概念用十分直观的形式表达出来，使学生更易于理解和掌握，培养了学生的学习兴趣，有效地解决了教学中的一些疑难问题。并在一定程度上使学生理论联系实际，不仅学到了先进的模具设计技术，还提高了计算机运用能力，增强了分析问题、解决问题的能力，为以后的工作打下了坚实的基础。

[1]安家菊，罗朝玉.冲压工艺及模具设计创新教学模式探索[J].科技资讯，2009，34：196

[2]龚红英.板料冲压成形CAE实用教程[M].北京：化学工业出版社，2010

[3]成虹.冲压工艺与模具设计[M].北京：高等教育出版社，2002

2010-07-03

张洋，硕士，助理研究员。段磊，硕士，讲师。