基于ANSYS、UG的板材三维成形仿真分析(论文)

?论文简述

(武昌车辆厂产品开发部,湖北武汉  430062)
摘 要:采用ANSYS和UG软件建立板材成形CAE系统,并对某铁路保温车侧墙板压筋成形进
行了仿真计算,分析了板材应力、应变分布,并提出了一种新的压筋端部结构。
关键词:板材;三维成形;仿真分析

1 前言
金属板材的三维成形过程一般都要经历复杂的变形,影响成形的因素很多,如材料性能、模具的形状、毛坯形状和尺寸、边界条件、模具和板料之间的摩擦和润滑。板材成形模具和工艺设计就是通过协调这些因素,合理控制金属的流动,从而获得加工产品的模具和工艺条件。
传统的设计方法依赖于经验和直觉,其中有很多是在生产中调整的。近年来,随着数值计算技术和塑性成形理论的发展,特别是计算机技术的飞速发展,使得生产前对成形过程进行数值模拟成为可能,从而发现可能会出现的质量问题,达到缩短产品开发周期,降低成本的目的。
板材成形的有限元解法,已成为板材三维成形分析最有效的方法。基于板材成形有限元解法的三维仿真技术在国外已得到广泛应用,国内也有许多企业先后将此项技术应用于冲压工艺分析及模具设计中,并取得了良好的效果。在市场经济条件下,为了提高产品质量,提高工厂的竞争实力,武昌车辆厂投入力量,有计划地开展了此项工作,初步建立了自己的板材三维成形仿真系统。

2 系统的结构及功能
实用的三维成形仿真系统必须具备复杂曲面造型功能以及强有力的有限元分析能力。为此建立了如图1所示的仿真系统。该系统以SGI工作站和HP工作站连网组成的混合硬件平台为基础,集成了三维造型软件UG和有限元分析软件ANSYS,通过UG、ANSYS软件自带的读入、读出模块,使数据可自由传递。

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2.1 几何建模
ANSYS和UG都有建模功能。ANSYS作为专业的CAE软件,强项在于它的分析功能,对复杂模具的几何造型却十分困难,而UG建模功能强大,因此建模用UG,分析用ANSYS是十分必要的。此外,为了减小计算规模,合理简化模型也是十分必要的。常用手段有充分利用轴对称、面对称条件,添加适当的边界条件,将大模型转化为小模型等。
2.2 有限元分析计算的前处理
在前处理过程中,首先应进行有限元网格划分。为了保证计算的精度,应预先估算出板材变形较剧烈的区域,细化此区域的网格,以保证有足够的单元反映出该区域的变形情况。
其次,前处理过程中,要对每一部件设置材料参数,杨氏模量E、泊松比_、板材的真实应力-应变关系等,有时还需要考虑板材的各向异性。同时还需确定满足板材三维成形工艺要求的约束条件、边界条件、接触条件,如模具运动规律、润滑条件等参数。这些参数是根据实际冲压设备、模具状况和冲压工艺条件确定的。
2.3 有限元分析计算
板材三维成形仿真系统的核心是有限元分析计算。目前板材弹塑性变形分析方法主要有小变形有限元法、大变形有限元法、刚塑性有限元法等。虽然板材的三维变形大多属于冷加工塑性成形,但弹性变形在材料总变形中也是不可忽视的,并且成形前后板材的几何形状变化较大,因此采用大变形弹塑性有限元法对其进行分析。
此外,为了对有限元分析计算过程进行动态控制,计算前还需要设定计算控制参数和计算终止参数等。
2.4 分析结果的后处理过程
ANSYS的后处理功能十分强大,可以方便地动态显示模具、板材的运动情况,成形过程中各时刻的板材变形,应力和应变分布,板材厚度变化以及起皱等情况,并可以等色图或精确量化的形式得到。这些计算结果将为工艺设计人员和模具设计人员确定工艺方案、进行模具设计提供可靠的理论依据。
3 计算实例
本例采用集成的仿真系统对某铁路保温车侧墙板压筋成形进行仿真计算。
3.1 分析对象
针对生产中压筋端部(又称筋头)压形出现的问题(如图2所示):当b值较大时,板材起皱,b值较小时,板材不起皱,选择了如下两种分析对象。分析用板材材质为Q235 – A (实际为09CuPTiRE),板坯厚度为2 mm ,屈服强度为235
MPa,延伸率为27% ,应变硬化指数为0.17,强度系数为750 MPa,弹性模量为1.9× 105 MPa,模具与
板坯的摩擦因数为0.1。
通过添加适当的边界条件,将大模型转化为小模型,利用UG建模,再通过Parasolid文件交换接口,把模型传入ANSYS。并利用其进行有限元网格划分。图3为b=13 mm时网格划分后的有限元计算模型,该模型共有12322个单元,4 893个节点。b=23 mm时的计算规模与b=13 mm时的相当。

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3.2 计算结果
通过计算,b=13 m m和b=23 m m的板材成形后,其内的应力分布,在厚度方向的塑性应变分布如图4~图7所示。

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在不同b值条件下,板材的内应力、起皱和变薄趋势如表1所示

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3.3 结果讨论
由上述分析结果可知:当b=13 mm时,最大应力发生在压筋端部,此处为双向拉伸状态,有拉裂的趋势,厚度为1.69 m m;最大压应力发生在压筋端部边缘的中心线处,为494.549 MPa,此处为单向压缩状态,有变厚的趋势,不发生起皱,但板材沿筋的中心线处内缩1.73 mm。当b=23 mm时,最大应力亦发生在压筋端部,此处有拉裂的趋势,厚度为1.54mm;压筋端部的中心线处起皱,波峰与波谷距离为3.46 mm。压筋端部的成形从理论上可近似看作球形拉深,上述计算结果与球形拉深理论分析(定性)是一致的。
3.4 压筋端部的新结构
尽管计算材质与实际材质不一样,但理论上变形趋势是一致的。将上述计算结果与生产实践相比较,可以看出,计算结果与生产实际比较吻合(定性)。因此,上述计算分析是正确的,该计算分析方法可以用于生产实践。据此,当b=23 m m时,新的压筋端部结构如图8所示。

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压筋端部成形分析结果如图9~图10所示。

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从上述计算结果可知:当b=23 m m时,采用新

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的端部结构,成形过程中,此处底部最大应力为501MPa,小于原结构的591.242 MPa,且无塑性起皱。因此新结构的成形性能优于原结构的。
4 结束语
国内外有关板材三维成形仿真技术的研究及应用都达到了一定的水平。武昌车辆厂刚刚开始此项工作,还有许多工作要做,如板材成形性能的试验研究、冲压回弹计算、多步成形等技术还需不断学习和摸索。此外,板材三维成形仿真分析涉及到CAD、CAE、金属塑性变形理论、材料科学等学科,因此为了使这项技术在生产实践中发挥巨大作用,还需要多学科的交流与合作。

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