船体典型零件冲压成形回弹机理仿真分析

罗之军

(贵州广播电视大学，贵州贵阳550004)

船体典型零件冲压成形回弹机理仿真分析

罗之军

(贵州广播电视大学，贵州贵阳550004)

摘要:为研究结构回弹现象，以某船用电子设备罩壳为研究对象，根据弹塑性材料模型建立冲压回弹有限元模型。计算结果表明:板料4个角落距离模具中心距离较大，导致摩擦力较大，使得板料四周材料滑动特性产生较大区别。冲压过程中材料不同的滑动特性会使得材料受力不均匀，使其应变分布产生较大的差异，这是结构局部回弹的主要因素。在实际冲压过程中，可以首先将板料冲剪成圆角形式，使板料四周材料分布较为均匀，使压边力较为一致，使材料在冲压过程中受力均匀，减少结构回弹量。

关键词:冲压成形;结构回弹;有限元;罩壳

Analysis of springback of typical ship parts stamping forming simulation

LUO Zhi-jun
(GuiZhou Radio TV University，Guiyan 550004，China)

Abstract:In order to study the rebound phenomenon，we use a marine electronic equipment shell as the research object，and established the springback finite element model based on the elastic-plastic material model．The calculation results show that: the distance of the four corner from the mold center is larger，this will result a greater friction force，and finally make the material around the sheet had a greater sliding properties difference．The stamping process of the sliding characteristics of different materials will make the material stress，the strain distribution have great difference，which is the main factors of local spring structure．In the actual stamping process，it is of great importance to form the sheet with a rounded connery，so that the sheet around the material distribution is more uniform，this will make the blank holder force to be consistent，so that the material in the stamping process will have a uniform stress，reduce the springback．

Key words:stamping springback; structure; finite element;shell

0　引言

冲压加工方法具有加工效率高、工件尺寸一致性好等优点。目前，冲压方法主要用于薄壁结构的冲剪加工，如:汽车蒙皮、骨架、船舱、小型五金件等。冲压加工方法对于加工精度要求不高的零件时，能够很好地满足要求，然而，对于加工精度要求较高的零部件而言，具有一定的挑战性。主要原因是冲压加工方法总是不可避免地存在着结构回弹现象，使得加工出的零件外形与原设计存在着较大误差。这种形状误差会使零件的装配受到较大影响，一方面，容易导致加工出的零件存在装配误差。另一方面，装配出的结构会存在较大的残余应力，有时甚至会导致零件无法装配。

工程实践中，为了消除结构回弹现象的影响，使加工出的零件与原设计的形状误差较小，往往需要反复试模。也就是，不断地测试冲压出的零件形状误差，根据零件形状误差对模具进行修改。由于模具钢往往采用优质钢，刚度、硬度均较大，模具反复修改会产生较大的试模费用。为了减少结构回

弹导致的反复试模费用，很有必要对结构回弹现象进行研究，找出一定的规律性，使得设计人员在模具设计过程中便能预测到结构的回弹量，便能在设计过程中对模具进行相应的修正。这样能够大幅减少模具试验次数，不仅能够减少试模费用，也能显著加快产品开发过程以及提高产品设计质量。

近年来，结构回弹问题得到了广泛关注，并且成为一个十分具有挑战性的课题。谢晖［1］借助有限元法，对结构回弹因素进行探索研究，研究了结构倒角大小、材料摩擦系数、压边力、加强筋高度、材料厚度等因素对结构回弹量的的影响大小。通过研究表明，采用较大的压边力时，冲压出的结构光整性较好，但是结构回弹量较大，减小压边力能够有效抑制结构冲压回弹。徐丙坤等［2］基于静力显式以及动力显式格式对冲压过程进行数值建模，并编写数值计算软件，通过实例计算，比较静力显式与动力显式格式对冲压问题计算精度的影响，并给出了不同冲压问题回弹量分析的建议参数。闫康康等［3］采用KMAS回弹分析平台对Benchmark回弹标准为研究对象，研究多种钢材料的冲压回弹特性，并对KMAS软件计算精度进行校正，并给出补偿方案。最终，基于KMAS软件探索了一种CAD/CAE/ CAM一体化的结构设计、分析、加工方案。这种方法能够使结构回弹量较少87%左右，起到了较好的结构改进效果。陈炜等［4］基于静态有限元以及动态有限元法，对多步冲压回弹问题进行详细研究。有限元每一步加载均是以上一步冲压回弹为基础，通过相应的实验对比研究，证明了该方法的有效性以及可靠性。李文平等［5］研究了一种高效冲压回弹修正方法，主要思路为:首先有限元过程返回的冲压结构与原设计进行比较，并制定结构修改方案。根据冲压结构形状误差以及模具修改方案对模具结构自动进行修改，然后对新的模具结构进行冲压模拟，并一直重复上述过程，直到结构形状误差满足加工要求。研究表明，该方法能够有效加快设计流程，并且结构设计质量较好。可见，采用有限元法处理结构回弹问题，具有较好的可行性、可靠性。

船舶结构中存在着大量的薄壁结构，尤其是船舱结构蒙皮，以及相应附属设备外壳均采用冲压工艺加工，并通过铆接工艺连接［6］。这类结构的回弹会使铆钉孔相互错位，使得结构在铆接过程中操作不便，并且会使铆钉受到额外的轴向拉力或者横向剪切力，影响连接的可靠性。因此，有必要对船舶常用零件进行冲压回弹分析，并为模具设计提供参考，以改进结构设计、装配质量。

本文以有限元法为理论基础，以船舶某电子设备罩壳为研究对象，对其进行冲压回弹计算，研究结构回弹因素，并为工程实践提供参考。

1　有限元模型

首先基于三维CAD软件建立冲压几何模型如图1所示，主要包括上模、下模、压板、板料。其中上模与下模分别通过产品零件对称偏置获得，偏置距离为板料厚度的一半。

图1　模具几何结构Fig. 1　 Geometry of the die structure

采用Hypermesh软件，对上述建立的冲压模型进行结构离散。为了便于后续参数设定，上模、下模、板料、压板网格均采用用各自COMPONENT集合器进行存放，有限元模型如图2所示。

图2　冲压回弹有限元模型Fig. 2 Springback finite element model

为减少冲压过程计算量，本文只建立冲压模型的半个部分，将该问题转变为平面对称有限元计算。在处理平面对称有限元问题时，只需对板料边界条件进行处理，如图3所示。板料在对称面上的材料在面内无转动自由度，并且无法沿着对称面法向移动，因此最终约束对称面上节点1，5，6自由度，分别代表x轴方向位移、绕y、z轴的转动自由度。

图3　板料边界条件处理Fig. 3　 Boundary conditions of sheet metal

在冲压过程中，上模与下模的结构刚度相对板料而言很大，在计算过程中可以只考虑板料的弹塑性变形，而忽略模具本身的结构变形，本文在处理模具刚性问题时，采用一维刚性单元reb－2对上下模进行处理，将上下模具表明各节点作为reb－2刚性单元的从节点，主节点则采用自动计算的方法，实际上为各从节点的几何中心，如图4所示。

图4　模具刚性处理Fig.4　Rigid processing of the die

2　冲压计算

如图5所示，当应力幅为300 MPa以下时应力与应变为线性关系，当应力幅超过300 MPa时，二者呈非线性关系。在冲压仿真计算过程中，上模向下运动，接触到材料后带动材料一同向下运动。当材料与下模接触后开发发生弹性变形，在该阶段应力与应变均在线弹性范围以内，建立刚度矩阵时引用线弹性范围以内的关系进行插值。随着冲压过程的不断进行，材料将逐渐出现塑性变形现象，子在该阶段内应力与应变的关系采用非线性部分的曲线进行插值，并构造刚度矩阵。

图5　材料蠕变特性Fig.5　The creep properties of materials

基于DEFORM软件对冲压回弹有限元模型进行设置，其中上模属性设为die，下模属性设置为punch，板料属性设置为sheet，压板属性设置为binder。将材料蠕特性设置为如图5所示。由于本文建立的为罩壳结构的半个部分，因此需要对平面对称边界条件进行处理，设置symmetry属性为－x，即对称面为yz平面，并且另半个部分在－x轴方向。设置完毕后，调用初始化程序对上模、下模、板料、压板位置进行复位计算，使各结构处于计算的最初位置。

通过计算，获得了冲压过程中各力学参数随时间变化的特点。图6为冲压各载荷步中材料位移，由位移值的变化过程可知，材料冲压计算过程收敛，没有出现位移畸变现象。

图6　冲压过程计算Fig.6　Stamping process calculation

由图6可知，板料边缘在拉伸过程中会快速收缩，在收缩过程中，由于压板力的存在，材料会在材料平面内发生较大的塑性变形。对于矩形板而言，变形最严重的是板料中间部分，只要原因是板料4个角落相对模具中心距离较大，摩擦力呈逐渐增大的趋势。因此板料4个角落的位移较

小。而板料中间部分由于距离模具中心较近，摩擦力较小，因此出现了整体滑移收缩的情况。当上模与下模接触时，也就是冲压过程的最后一步，板料4个角落与中间部分材料的变形产生了较大差别。

板料拉伸过程中，应变分布如图7所示(限于文章篇幅，本文只给出板料出现较为明显应变以后的应变云图)。

图7　结构应变分布Fig.7　Structure strain distribution

板料应变云图表明，板料在整个拉伸过程中，角落的应变首先出现，并最终成为最大值。由于结构应变是材料弹塑性变形的主要特征，结构回弹主要是由于结构残余应变恢复过程导致的。因此，为了减小材料回弹现象，可以通过减小材料应变峰值的方法减少结构回弹。上述分析表明:板料在角落处应变值最大，这主要是由于板料4个角落的摩擦力过大，导致的材料滑动受到较大的阻力，使得板料4个角落产生了较大的弹塑性变形。

在实际冲模过程中，可以首先对板料进行处理，将4个方角冲剪呈圆角形式，这样可以保证板料四周材料分布较为均匀，使压边力较为一致，使材料在冲压过程中受力均匀，减少结构回弹量。

3　结语

1)为了研究结构回弹现象，建立了某船用电子设备罩壳冲压回弹有限元模型，基于弹塑性材料模型对其进行计算。

2)计算结果表明，板料4个角落距离模具中心距离较大，导致摩擦力较大，使得板料四周材料滑动特性产生了较大的区别。冲压过程中材料不同的滑动特性会使得材料受力不均匀，使其应变分布产生较大的差异，这是结构局部回弹的主要因素。

3)在实际冲压过程中，可以首先将板料冲剪成圆角形式，使板料四周材料分布较为均匀，使压边力较为一致，使材料在冲压过程中受力均匀，减少结构回弹量。

参考文献:

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作者简介:罗之军(1977－)，男，硕士，讲师，研究方向为机械设计及理论。

收稿日期:2014－10－09;修回日期: 2014－12－28

文章编号:1672－7649(2015) 07－0192－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.045

中图分类号:U664．21

文献标识码:A