基于Dynaform的真实拉延筋高度控制的数值模拟

彭成允，关 婧，曾 英，李 涛

(重庆理工大学 a.汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室;b.材料科学与工程学院，重庆 400054)

在板料成形过程中，由于零件形状结构复杂，板料各部位易出现入模速度不均匀等现象，从而造成拉裂、起皱等质量问题［1］。通过设置拉延筋，并控制拉延筋的高度，可以有效地进行协调，从而改善成形件品质。利用Dynaform对拉延筋的模拟主要有2种方式:等效拉延筋及真实拉延筋。诸多学者已经对等效拉延筋进行了研究［2－4］。真实拉延筋主要有2点优势［5］:真实拉延筋作为整个模具的一部分，在模拟中参与网格划分及计算，因此它可以较为精确地模拟拉延筋高度变化对拉延阻力的影响;真实拉延筋圆弧处的模拟效果及模具间隙的变化对成形结果的影响均可以较为突出的呈现。

拉延阻力主要可以通过Dynaform模拟及拉延阻力计算的方法获得，前者可以直观地反映板料流经拉延筋时的变形情况，后者能够较简单地通过修改拉延筋几何参数得到相应的拉延阻力［6］。

1 拉延阻力的计算模型

Weidemann［7］将板料流经拉延筋时产生的阻力分为2部分:一部分是经过凸筋接触弧1，3，5圆弧处与在2，4，6圆弧处分别产生的弯曲－反弯曲的变形抗力;另一部分是在压边力的作用下，在接触弧1～2，3～4，5～6段板料滑动，由于摩擦而产生的摩擦阻力，如图1所示。因此建立的拉延阻力计算模型［7］为

式中:l为拉延筋长度;μ为摩擦因数;θ为板料弯曲角度;P为单位长度的等效压边力;σs为屈服强度;t为初始板厚;Rg(图中1～2段弧)为凹槽圆角半径;Rb(图中3～4段弧)为凸筋圆角半径。

图1 板料在拉延筋作用下的模型

2 数值模拟计算

2.1 建立模型

为了使模拟效果更加突出，本研究在UG中建立真实拉延筋造型，再将其导入Dynaform软件中进行模拟。图2所示为真实拉延筋在UG中的造型。由于入模口四周板料在长直边的入模速度较之短直边的快，因此在造型时仅在长直边设置拉延筋，从而进一步增加其进料阻力，使入模速度趋于均匀。该盒形件的三维尺寸为100 mm×50 mm×50 mm。

图2 真实拉延筋在UG中的造型

2.2 数值模拟设置

2.2.1 板料优化设计

在UG中造型后，将模型以iges格式导入Dynaform软件，将真实拉延筋也参与曲面网格的划分，利用毛坯求解器求解出所必须的板料，如图3所示。由于在工程实验中八角形板料的入模速度更易趋于均匀化，且此盒形件的的深度较深，为了保证成形后的刚度及精度［8］，在保证板料能够成形所需盒形件深度的基础上，将求解出的板料形状添加工艺补充面，并将最终模拟的板料形状设计为八角形，划分网格，如图3所示。

图3 初始毛坯及划分网格后毛坯

2.2.2 材料参数及性能

此盒形件采用的材料为冷轧钢ST14。板料长、宽、厚尺寸为190 mm、170 mm、1 mm。材料主要的物理性能:屈服应力1.603×102MPa;弹性模量2.07×105MPa;强度系数5.371×102;泊松比0.28;各向异性指数1.634。

2.2.3 真实拉延筋高度控制

真实拉延筋高度的控制方法较之等效拉延筋存在显著的不同。在Dynaform中，等效拉延筋被简化成为作用在节点上的力，而真实拉延筋是作为模型的一部分［5］。为了达到方便调节拉延筋高度的目的，将筋条看作是刚性模具，相当于2个凸模，1个凹模的结构。在设置运动方式时，通过时间－位移的调节，首先令筋条先向下运动至所需拉延筋的高度，记录下所需时间，再在此时间后令凸模下行，直到达到最佳拉深深度为止。此冲压模拟的结构模型如图4所示。

图4 真实拉延筋模拟的结构模型

3 拉延筋高度设置的结果分析对比

由于影响拉延阻力的几何参数主要有凸筋圆角半径、筋高、凹槽圆角半径，因此本次实验使影响拉延阻力较小的凹槽圆角半径及凸筋圆角半径恒定，进而对比不同筋高对拉延阻力的影响，并可以通过对比分析，得到最佳的模拟结果。

分别将拉延筋的高度设置为 0 、1、2、3、4、5，数值模拟运算结束后，在后处理中可以得到FLD图、厚度云图、拉延深度等结果。图5所示分别为拉延筋高度为0 mm(无拉延筋)、1 mm(筋高最小)、5 mm(筋高最大)时相应的FLD图及厚度变化云图。

图5 FLD图及厚度变化云图

从模拟结果可以看出:随着拉延筋高度的增加，盒形件最大拉深深度不断增加。当拉延筋高度增大到一定值时，其最大拉深深度下降，从而出现极限拉深深度。模拟结果的对比数据见表1。

表1 模拟数据

对比不同拉延筋高度所得的模拟结果可知:厚度减薄率最大值为21.2%，即相对于1 mm的板料其厚度减少了0.212 mm，因此其最薄处的厚度为0.788 mm;厚度增厚率最大值为29.5%，即厚度增加了0.295 mm，板料成形后最厚处的厚度为1.295 mm;模拟后其厚度变化率均未超过30%，板料在成形后仍处于安全范围内［9］。成形后的最厚处部位均出现在盒形件的工艺补充面上，可将其通过修边去除，不影响成形件的品质。综合得出:当拉延筋高度H=2 mm时，效果最佳，其存在起皱、破裂趋势的区域均占很少一部分，安全区域即绿色部分所占比例较大。

4 结束语

采用真实拉延筋高度控制的方法，能够更加方便、快速有效地调节拉延筋高度。通过对比分析得出:毛坯形状的适当选择、拉延筋高度的控制对拉延阻力的影响至关重要，调节这些参数便可以使盒形件达到更好的品质。与此同时，以数值模拟分析替代实际工程生产中的试模与修模，对实际生产具有指导意义。然而，真实拉延筋高度控制的方法虽然便于调节，但在提交计算过程中花费较长的时间，为了使整体模型运算速度提升，对真实拉延筋网格划分的细节问题有待改进。与此同时，既然2个凸模、1个凹模的模型结构设置便于实现拉延筋高度的调节，应在此基础上进一步研究如何实现在冲压过程中变拉延筋高度的有效方法。此外，相比采用等效拉延筋模拟，在真实拉延筋模拟时，拉延阻力值的获得较繁琐，数据需要通过曲线读取，从而造成了一定的偏差，如何在今后的设置中解决这个问题，有待研究。

［1］彭必友，胡腾.基于数值模拟的拉延筋约束阻力计算方法研究［J］.锻压技术，2009，34(6):70 －73.

［2］吴磊，韩旭，李光耀，等.一种基于反裘参数的拉延筋解析模型［J］.中国机械工程，2006，17(2):208 －211.

［3］李淑慧，林忠钦，包友霞，等.改进的等效拉延筋阻力模型及其应用［J］.中国机械工程，2002，13(7):558－561.

［4］郭玉琴，姜虹，王小椿.一种等效拉延筋模型的建立及实现［J］.中国机械工程，2004，15(20):1843 －1847.

［5］陈涛，高晖.真实拉延筋参数化建模及其在薄板冲压仿真中的应用［J］.中国机械工程，2006，17增刊:22－26.

［6］郑刚，李光耀.一种拉延筋数值迭代分析模型［J］.湖南大学学报，2008，35(9):39 －43.

［7］Weidemann C.Theblankholdingactionofdrawbeads［J］.SheetMetalIndustries，1978(9):984 －989.

［8］郭敏杰，曾珊琪.基于Dynaform的汽车覆盖件成形中拉延筋的设置与数值模拟［J］.模具技术，2009(6):39－45.

［9］傅建，彭必友.板料成形过程数值模拟［M］.北京:化学工业出版社，2009.