板材成形有限元仿真技术的应用

贾卫星

摘要：随着近几年我国不断提高的汽车设计和开发技术，有限元仿真技术的应用越来越广泛，在未来汽车新车型的试制和研发过程中也发挥了很大的作用。本文对有限元仿真技术进行简要分析，同时也对板材成形中有限元仿真技术的应用进行探索，为我国汽车行业的发展奠定基础。

关键词：有限元仿真；板材成形；应用分析

在我国国民经济的构成中，汽车行业占据着极其重要的地位，板材成形随着汽车行业的发展也得到了很大的进步。为了满足新时代汽车对板材越来越高的质量要求，钢铁行业加大了对生产技术改进和完善的力度，同时也以不同用户的需求进行了不同特点冷轧薄板系列化产品的设计。通过对用户不同需求的深入了解，如何实现选材和用材的合理性已经是现阶段中钢铁行业继新产品开发后的又一重点项目。

1有限元仿真技术发展分析

在板材形成所采用的技术中，有限元仿真是较为先进的一种，在汽车和钢铁等各个行业中得到了广泛应用。有限元仿真技术具备一定的柔性和经济性，能将企业设计、生产成本大幅度降低，还能完成大部分常规试验手段无法完成的数据测量任务，使企业对新产品研发和市场竞争的能力得到有效提升。

当前，国外有大部分汽车制造公司将冲压成型过程的有限元仿真研究与新车型的设计和开发共同进行，使汽车设计的智能化和生产的快速化得到了很大的助力。在汽车制造公司对车型开发和研制的过程中也有部分钢铁行业以先期介入的模式同步参与其中。在对车辆零部件冲压成型有限元仿真全面开展的基础上，结合用户需求与产品结构特性将汽车零部件的选材的科学性实现，从而为新车型投入生产后零件与用材对路供应的实现提供了技术保障。

2成形过程有限元仿真关键技术

在对仿真软件应用的过程中，对冲压成形仿真技术难点的了解和掌握有着极其重要的作用。这是因为计算机仿真理论和方法以及仿真程序即便完全正确、可靠，但是在冲压成形和工艺中仿真计算的应用是否成功无法得到有效保证[1]。这就要求仿真软件操作人员必须具备充足的理论知识，如有关冲压成形的计算力学知识、计算机应用知识、基础力学知识、有限元方法知识、材料与冲压工艺知识等。

2.1有限元仿真求解方法

板材成形的过程通常为准静态，而传统的模拟计算方法在求解时是利用静力隐式算法进行的。该算法有着严格的理论性，然而由于较差的迭代收敛性和较大的整体刚度矩阵带宽两个缺点存在于计算过程中，影响了多重非线性和大规模工程问题的分析。为了完善该过程，自20世纪90年代起，大量研究人员便在三维板料成形的仿真中如何利用动力学方程中心差分显示积分方法来完成展开了研究，也取得了一定的研究成果。

动力显式解法与静力隐式解法有着相似的应力应变计算、单元类型的选择和材料本构模型的确定，而这两者在求解方程、回弹计算、接触处理和时间步长的选取等方面存在着一定的差别。动力系统通过过渡后的静力解和稳态解根据动力松弛法原理而言是相同的，所以在对静力问题分析时也可采用动力显式算法。在动力显式计算模型中，实际上对速度、加速度等运动变量进行了考虑，约束模具与工件之间接触的条件不但和位移有一定的关系，同时也要与两接触点之间速度和加速度保持協调关系。所以从某一方面而言，动力显式算法相对于静力隐式解法与冲压过程的本质更为靠近。

2.2几何模型的描述

通常情况下冲压零件都是以拉深、扩孔、切边、胀形、整形和翻边等工序组成整个生产过程，冲压成型仿真可将任意一道零件冲压生产的工序进行仿真。在仿真时需要对其工艺过程回溯，将产品设计信息变成有关中间过程的信息。因此在进行板料成形有限元仿真时，模具几何形状的准确有效描述是重要的基础。在板料成形有限元计算中，对模具型腔曲面的几何形状进行描述多以有限元网格进行。而近年来大型三维CAD软件得到了很大的进步，用参数曲面的方法对CATIA，Unigraphics软件系统完成几何模型的建立进行描述，借助IGES文件格式传至CAE软件从而将网格描述模型生成。因此，影响仿真计算结果的因素中，板料有限元网格模型的建立是极为重要的一种。

2.3接触处理

在板材成形计算机仿真领域中，接触问题是重难点。板料成形过程中通过板料表面接触模具表面可以传递板料的作用力。模具表面是主表面，而板料表面是从表面。仿真计算是否能够正常进行，对主从表面接触状态的判断以及位移约束条件与边界摩擦条件的选择有着决定性作用。

罚函数法和拉格朗日乘子法在接触算法中较为常用。通过拉格朗日乘子法可将约束接触节点位移的条件引入刚度方程，从而精确的在总刚度方程中将几何约束条件满足。但是需要将乘子引入每个接触节点中，故而拉格朗日乘子法会导致未知量加大。而罚函数法则是将两接触体接触过程中约束材料不能互相覆盖的条件当为惩罚项引入方程，接触压力假定正比于主动体侵入从动体的量值。在这个假定下。采用罚函数法得到的方程不包括拉格朗日乘子。仅以位移作为基本未知数，因此罚函数法控制方程的阶数和带宽都小于拉格朗日乘子法。但是。罚函数法的精度强烈依赖于所用罚因子的精度，且罚因子数值较大时收敛性变差。

2.4边界条件的设置

板料成形过程中与边界条件的摩擦和接触等有着必然的联系，国际上目前已有大量研究小组、学术机构对板料成形中摩擦接触问题开展了研究。冲压过程实质上是力学分析中复杂的多体接触问题，在板料成形途中，模具不断接触并分离与板料，呈相互引导、约束从而将板料成形。而现阶段中对接触进行计算的方法多为罚函数法、拉格朗日乘子法等，不但对接触力进行了考虑，也不会将系统的自由度增加，在冲压成形中对摩擦和润滑的计算是极其重要的关键因素[3]，也可能会是对冲压零件质量造成影响的因素。由于该问题极为复杂以及重要的特性，促使大量研究人员投入到该问题的研究当中，所涉及的研究范围包含多体间摩擦润滑模型中静、动态摩擦系数的确定等。

而有限元仿真计算中还包括压边力的加载曲线、压力机的运动曲线和拉深筋的布置方式等。并且，冲压成形具有饶度、变形极大的塑性变形性，涉及金属板在拉深和弯曲的复杂应力状态下的塑性流动、塑性强化，以及引起的回弹、起皱和开裂等问题。

2.5材料模型

板料成形有限元分析过程中，是否正确的板材屈服准则对于结果的分析有着极其重要的影响。大部分成形过程中，板料都有各向异性的体现，而1948年由Hill提出的二次各向异性屈服准则在板金属成形有限元分析中的应用极为广泛，Hill，Gotoh，Hershey，Bassani，Hosford和Logan以及Budianski也提出部分有关非二次屈服的准则。但是，这些屈服准则都有一定局限性存在。最近几年，Hill和Barlat再次提出了更为简单、使用的屈服准则，促使板料成形有限元分析与实际冲压结果的吻合度更高。

3结语

板材成形有限元仿真技术至20世纪90年代起开始了研究，现阶段将其应用到实际过程中。通过对材料成形特性、计算机仿真和冲压过程摩擦等各类技术的研究，汽车制造过程中对毛胚形状、材料性能和冲压工况以及模具几何形状产生的影响进行了更深层次的分析，而这些工艺技术也因此得到了很大的改进，使汽车制造工艺与钢铁行业之间实现了最佳匹配。

参考文献：

[1]马琳伟，莫健华.基于有限元仿真的金属板材单点渐进成形分析[J].塑性工程学报，2007，（06）：96-100+104.

[2]邱晓刚，卢国清，陈文龙，骆中云.板材成形有限元仿真技术的应用[J].钢铁钒钛，2003，（01）：54-60.

[3]罗亚军.板料成形中的有限元数值模拟技术[J].金属成形工艺，2000，（06）：1-3.endprint