板料冲压成形回弹的数值模拟

板料多步冲压回弹的数值模拟研究作者：江苏大学陈炜王晓路高霖摘要：回弹是板料冲压成形过程中一种常见但很难解决的现象。

首先研究了板料弯曲变形中卸载回弹的原理，然后以依维柯侧壁上内板为例，采用动态和静态算法相结合的方法，在考虑每道工序板料回弹的基础上，对其进行多步冲压回弹的数值模拟，最后对模拟结果和实验结果进行比较，验证该模拟方法提高回弹计算精度的有效性，为板料冲压成形工艺的制定提供科学依据。

关键词：回弹；多步冲压；数值模拟中图分类号：TG386.41 文献标识码：A 文章编号：1 前言通常，一个完整的冲压过程要经过拉延、整形、修边、冲孔、翻边等多步工序才能完成。

在这一过程中，回弹是板料成形工艺制定中要考虑的关键因素，零件的最终形状取决于成形后的回弹量，当回弹量超过允许容差后，就成为成形缺陷，影响零件的几何精度。

特别是近几年来由于高强度薄钢板和铝合金板材的大量使用，回弹问题更为突出。

目前，板料回弹的精确预测以及如何减小回弹量、降低残余应力成为板料成形模拟中的热点问题。

从NUMISHEET’93（第二届板料成形三维数值模拟国际会议）开始，每届会议都有关于回弹预测的标准考题（BENCHMARK），在NUMISHEET’99上，专门有一个关于回弹预测和回弹误差控制的会议专题，其中文章达到10篇，约占全部会议文章的11﹪[1]；而在NUMISHEET’2002上，关于回弹预测和控制的会议专题论文达20篇之多，占到全部会议论文的21﹪以上[2]。

在实际生产中要控制和补偿回弹，提高回弹预测的精度是至关重要的[3]。

通常我们在进行板料多步冲压的回弹预测时，都忽略了板料每道工序后的卸载回弹，未将其回弹考虑到下一道工序的计算之中，然而板料的最终形状是其整个变形历史的累积效应，其变形历史等对残余应力和回弹计算都有一定影响[4]，那么因忽略了每道工序后的回弹而产生的累积误差势必影响最终的回弹预测精度。

本文在进行板料多步冲压数值模拟时以依维柯侧壁上内板为例，采用动态和静态算法相结合的方法[4]来模拟其多步冲压过程，将前一道工序的回弹计算结果作为下一道工序的输入，并通过模拟结果和实验结果的对比来验证该数值模拟过程的正确性及有效性。

板料冲压成形过程的一种数值模拟方法
陈中奎;施法中
【期刊名称】《北京航空航天大学学报》
【年(卷),期】2001(027)003
【摘要】在板料冲压成形过程中存在着大变形、大应变，且几何、物理及边界条件三重非线性相互耦合使得计算过程较为复杂.在虚功原理的基础上对板料冲压成形过程的弹塑性有限元分析方法进行了研究，并将有限变形弹塑性有限元法引入板料冲压成形过程，采用更新拉格朗日(ULM, Updated Lagrange Method) 方法描述，推导了有限元列式，建立了板料成形过程的有限元分析模型，开发了分析程序.通过对汽车油底壳的成形模拟说明了模型的正确性.
【总页数】4页(P340-343)
【作者】陈中奎;施法中
【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院;北京航空航天大学机械工程及自动化学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB115
【相关文献】
1.基于MARC的板料冲压成形过程有限元模拟研究 [J], 甘辉
2.金属板料冲压成形过程有限元分析软件的开发 [J], 陈中奎;施法中
3.板料冲压成形过程中有限元计算模型的生成研究 [J], 黄新林
4.板料冲压成形过程摩擦特性数值仿真 [J], 郑燕萍;王列亮;沈思琳
5.板料冲压成形过程有限元分析中的接触搜索法的优化 [J], 冯天飞;施法中;陈中奎因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

SPCC板材冲压成形过程的数值模拟SPCC板材是一种优质的低碳钢板材，常用于制作汽车钣金、电器外壳等产品。

其具有良好的加工性能，但冲压成形过程中容易出现变形和裂纹等问题。

为了提高产品质量和生产效率，数值模拟成为一种重要的工具，可以帮助设计者优化冲压工艺和工装结构。

数值模拟的基本原理是根据材料力学特性和变形规律，通过计算机模拟来预测材料在冲压成形过程中的变形、应力和应变等参数，从而评估产品的质量和可行性。

下面我们以SPCC板材的冲压成形为例，介绍其数值模拟的过程和方法。

一、建立模型数值模拟的第一步是建立三维几何模型，包括产品形状、工艺参数、材料性质等要素。

在SPCC板材的冲压成形中，常见的产品包括箱体、盖板、底板等，需要根据不同产品的尺寸、形状和工艺要求来建立几何模型。

同时，需要设置材料参数，如杨氏模量、泊松比、屈服强度等。

二、网格划分建立几何模型后，需要将其转化为数值网格模型，也称为离散化。

这一过程主要是将复杂的几何体划分成数个小体积或小面积，以便于数值计算和求解。

网格划分的密度和精度决定了数值模拟的精度和速度。

通常，高精度的模拟需要更密的网格划分，但也会增加模拟时间和计算量。

三、建立物理模型在网格划分后，需要建立材料的物理模型，包括材料的本构模型和材料的本构参数。

本构模型是描述材料变形和应力关系的数学模型，常见的本构模型包括各向同性模型、非各向同性模型和弹塑性模型等。

用来描述SPCC板材的本构模型可以使用各向同性的屈服准则或者分段屈服的本构模型。

四、施加载荷和边界条件载荷是指在冲压成形过程中施加在材料表面的力和压力，这些载荷包括空气压力、上下模压力和侧向引伸力等。

边界条件是在数值模拟中必须考虑的约束条件，它们可以限制材料在变形过程中的位移、速度和加速度等。

通常，边界条件包括定位销、卡位、滚动辅助和止口等。

五、数值计算和分析完成模型建立和载荷设置后，就可以进行数值计算和分析。

该过程一般采用有限元分析（FEA）软件来完成，例如ABAQUS、ANSYS等。

第6卷第3期1999年9月塑性工程学报JOU RNAL O F PLA ST I C IT Y EN G I N EER I N GV o l16　N o13Sep t1　1999板料成形回弹模拟Ξ(北京航空航天大学　100083)　张晓静　周贤宾摘　要　本文阐述了板料成形数值模拟中回弹问题的研究历史和发展现状,总结了回弹模拟的算法,从成形过程模拟和回弹计算两方面系统分析了影响回弹模拟准确性和收敛性的主要因素及改进方向,并进一步讨论了模具设计中回弹的补偿算法。

关键词　板料成形　回弹模拟　有限元　动态显式　静态隐式1　前　言在板料成形领域,回弹是模具设计中要考虑的关键因素,零件的最终形状取决于成形后的回弹量。

回弹现象主要表现为整体卸载回弹、切边回弹和局部卸载回弹,当回弹量超过允许容差后,就成为成形缺陷,影响零件的几何精度。

因此,回弹一直是影响、制约模具和产品质量的重要因素。

随着汽车工业和航空工业的发展,对薄板壳类零件成形精度的要求越来越高,特别是近年来由于高强度薄钢板和铝合金板材的大量使用,回弹问题更为突出,成为汽车和飞机等工业领域关注的热点问题。

目前,回弹计算功能及回弹模拟精度,已成为衡量板料成形有限元模拟软件技术水平的重要标志之一。

本文旨在总结板料成形回弹模拟计算的研究历史和发展现状,分析影响回弹模拟精度的主要因素及存在问题,希望能对板料成形有限元数值模拟技术的研究者提供一些启发,也为工艺和科研人员更好地利用现有的有限元分析软件,解决工程实际问题提供一些帮助。

2　研究历史与发展现状在过去几十年间,世界各国在回弹的预测及减小方法方面作了大量的工作,建立了一些描述和预测零件回弹的数学模型。

早期的工作主要基于解析法对一些简单零件纯弯曲或拉弯成形的回弹进行分析[1,2]。

M ai H uang和Jam es C.Gerdeen[3]总结了1994年以前板料成形回弹问题的研究状况,分析了双曲度可展曲面零件的回弹规律,并介绍了大约90篇参考文献。

第41卷第10期　2007年10月上海交通大学学报J OU RNAL OF SHAN GHA I J IAO TON G UNIV ERSIT YVol.41No.10　Oct.2007　收稿日期:2006211207作者简介:王　鹏(19802),男,河南新乡人,博士生,主要研究方向为金属塑性加工过程数值模拟及优化.董湘怀(联系人),男,教授,博士生导师,电话(Tel.):021*********;E 2mail :dongxh @. 文章编号:100622467(2007)1021590204U 型件冲压成形回弹过程的数值模拟及参数优化王　鹏,　董湘怀(上海交通大学国家模具CAD 工程研究中心,上海200030)摘　要:以有限元软件ABAQU S 为平台,分别运用有限元动力显式和静力隐式方法模拟U 型件成形及卸载后的弹性回复过程,分析了压边力、摩擦以及板料厚度对回弹量的影响.以控制回弹为优化目标,结合有限元数值模拟运用基于Pareto 策略的非支配排序遗传算法(NSGA 2II )对工艺参数进行了优化设计.关键词:板料成形;回弹;数值模拟;非支配排序遗传算法;参数优化中图分类号:T G 38 文献标识码:AThe Numerical Simulation of U 2channel Springbackand Optimization of Forming ParametersW A N G Peng ,　DO N G X i ang 2huai(National Die &Mold CAD Eng.Research Center ,Shanghai Jiaotong Univ.,Shanghai 200030,China )Abstract :U sing a commercial FE software ABAQU S ,t he forming process including springback of a U 2channel was simulated by static implicit and dynamic explicit FEM respectively.The influence of blank holder force ,f riction conditio n and sheet t hickness o n sp ringback was investigated.To minimize spring 2back ,t he p rocess parameters were optimized by Non 2dominated Sorting Genetic Algorit hm (NSGA 2II )on Pareto combining wit h FEM simulation.Key words :sheet metal forming ;springback ;numerical simulation ;non 2dominated sorting genetic algo 2rit hm (NSGA 2II );process parameters optimization 回弹是板料冲压成形中的主要缺陷之一,回弹的存在使零件尺寸精度降低,从而增加了试模、修模和校形工作量,导致生产周期的延长及生产成本的提高.这就迫切需要深入研究回弹问题,从而有效地控制回弹,发展精确成形技术.由于影响回弹的因素颇多,且影响规律复杂[1,2],很难确定优化的工艺参数以有效控制回弹.因此,致力于将数值模拟与优化方法相结合,在分析回弹影响因素的基础上进行回弹控制的优化设计具有十分重要的学术意义和实用价值.鉴于U 型件成形是板料成形的一种典型工艺,又因为回弹现象在该工艺过程中较为显著,本文以有限元软件ABAQU S 为平台,综合运用动力显式和静力隐式有限元方法对U 型件成形的加载和卸载回弹过程进行数值模拟,基于模拟结果分析压边力、摩擦和板料厚度对回弹量的影响.进而结合数值模拟运用基于Pareto 策略的非支配排序遗传算法(NSGA 2II ),以减小回弹为优化目标对工艺参数进行优化设计,得到了优化的工艺参数.1　有限元模型及数值模拟条件1.1　有限元方法对板料成形和卸载回弹过程分两步进行数值模拟.第1步板料成形过程的模拟计算是回弹过程模拟的基础,为回弹计算提供应力、应变等数据,该步计算的准确与否将直接影响回弹计算的精度.动力显式算法不需要构造和求解刚度矩阵,在求解成形过程复杂接触问题时计算效率高、稳定性好[3,4].时间t i时物体的运动方程为M¨x i=F ext i-F int i+F H i(1)式中:M为对角化质量矩阵;x为位移;F ext为外力;F int为内力;F H为沙漏力.为得到t i+1时的物体状态,运用中心差分法:x i+12= x i-12+¨x iΔti+1+Δt i2(2)x i+1=x i+Δt i+1 x i+12(3)由此可由板坯初始几何构形逐步求出新的几何构形.第2步对回弹过程进行模拟.虽然静力隐式算法在求解包含接触的强非线性问题时效率低、收敛性差,但是在处理不存在接触并且以低频率方式变形的结构动力学问题时(最典型的是回弹模拟计算),计算稳定性好,求解效率极高[5],往往经过1步或数步迭代即可完成计算.针对U型件成形的特点,零件与冲压成形模具脱离过程中,接触边界条件非线性的影响不大,采用无模法求解回弹.无模法即在成形结束时,去除模具代之以逐步减小的接触反力作用于节点,进行迭代计算,直到节点力为零.回弹位移增量的计算公式为:KΔU=ΔF(4)ΔF=F ext-F int(5)式中:K为刚度矩阵;ΔU为节点速度增量.1.2　有限元模型模拟过程中,板料采用4节点四边形单元进行离散化,模具、压边圈及工件的几何构型与参数如图1所示.将问题视为平面应变问题,为了提高有限元模型求解的效率,取对称轴右侧的一个条状区域进行有限元建模.工件的材料参数为:弹性模量E=206GPa,泊松比ν=0.3,密度ρ=7800kg/m3,屈服应力σ0= 167.0M Pa,硬化系数A=560M Pa,硬化指数n= 0.25.模具/工件之间的摩擦力由库仑摩擦模型确定,其表达式为F f=μp(6)式中:F f为摩擦力;p为接触正压力;μ为摩擦系数.图1　板料及模具(mm)Fig.1　The sheet metal and forming die(mm)1.3　回弹角定义U型件成形后有两个约90°的弯曲,以工件卸载后两个弯角超出90°的部分θ1和θ2作为回弹角以衡量回弹量的大小,回弹角愈大说明回弹量愈大,如图2所示.回弹角的计算公式为:θ1=90°-α(7)θ2=90°-α-β(8)式中:α为工件直壁部与水平方向的夹角;β为工件法兰部与水平方向的夹角.图2　回弹角定义Fig.2　Definition of the springback2　模拟结果分析2.1　压边力对回弹的影响取摩擦系数μ=0.15,板料厚度δ=0.8mm,改变压边力F进行模拟计算.由图3(a)可见,θ1始终大于θ2.在F较小时,随着F的提高,θ1显著增大, F>1kN时,随着F的增加,θ1有缓慢减小的趋势.θ2随F的增大而显著增大,增大的幅度逐渐减小,在F>2.5kN时,θ2有所减小.在板料中的弯曲应力相对较高时,由于卸载时弯曲应力的释放导致较大的回弹,但是随着压边力的增大,压边圈与板料之间的摩擦力增大,材料流入凹模愈加困难,材料的拉伸应力占据优势,回弹量将有所下降.2.2　摩擦对回弹的影响取F=1.5kN,δ=0.8mm,改变μ进行模拟计算.由图3(b)可见,θ1始终大于θ2.随μ的增大,θ11951　第10期王　鹏,等:U型件冲压成形回弹过程的数值模拟及参数优化 呈缓慢减小趋势,θ2呈缓慢增大趋势.摩擦对抑制回弹起有利的作用[6],但在凹模圆角处,较大的摩擦阻止材料流动,使得变形不能均匀地传递到板料的所有截面,从而出现应力集中,导致在卸载后的回弹量增大,当这些不利影响大于摩擦对回弹的有利影响时,就体现为随摩擦的增大回弹呈增大的趋势.2.3　板料厚度对回弹的影响取F =1.5kN ,μ=0.15,改变δ进行模拟计算.由图3(c )可见,在δ改变过程中,θ1仍始终大于θ2.随着δ的增加,θ1缓慢增加,并且有小幅的波动.θ2随δ的增加逐渐减小.δ增加会减小卸载后的回弹量[7],但是随着δ的增加,在模具的直壁部板料与模具的间隙减小,材料与模具间的摩擦力有所增大,这将抑制材料的流动,导致凸模圆角处的变形量增大,卸载后应力的释放导致回弹有增大的趋势,所以θ1随δ的变化而有所波动.图3　工艺参数对回弹角的影响Fig.3　The influence of process parameters on springback 由分析可知,各种参数的改变对回弹量的影响错综复杂,实际生产中很难精确控制工艺参数以有效减小回弹,开展以减小回弹量为目标的参数优化设计十分必要.3　优化设计3.1　优化模型以所定义的回弹角θ1和θ2最小为优化设计目标,因此优化问题属于多目标优化的范畴.建立优化目标函数为f (θ1)=min {θ1}f (θ2)=min {θ2}(9)选用对回弹量有复杂影响的F 、μ以及δ为优化设计变量.根据在工程实际中各工艺参数的调节范围,对各设计变量施加不等式约束如下:500N ≤F ≤3kN 0.1≤μ≤0.20.6mm ≤δ≤1mm (10) 特别指出,本文是以研究各参量对回弹的影响为出发点的,对板料厚度的预选取及优化设计完全从控制回弹的工艺性考虑,而没有考虑工件的承载能力等产品要求.由此,所构造的优化问题包括2个目标,3个变量,3个约束.3.2　优化方法对于多目标优化问题,常常以加权因子等方法转化为单目标优化问题进行处理,以避免复杂的多目标优化算法的应用.但却引入了新参数,不仅新参数的选择成了一个优化问题,而且只能求出与该参数有关的一个解,这与多目标优化问题的本质是相违背的.基于Pareto 策略的多目标遗传算法着眼于在多目标优化的基础上,得到均匀的Pareto 最优解集,依据不同的设计要求和意愿,从其中选择最满意的设计结果.Pareto 解是指多目标问题的1个“不坏”的解,也叫非劣解或可接受解,所有Pareto 解的集合形成Pareto 最优解集.Pareto 方法是在多目标优化的基础上,一次性获得优化问题对应的不同权重分配情况下的所有最优解集.NSGA 2II 是一种基于Pareto 最优概念的多目标遗传算法[8].首先,随机生成父代种群,根据每个非支配解的分级水平和排挤距离为其指定虚拟适应度值.进行复制、杂交、变异等遗传运算生成具有大量个体的子代种群,父代和子代混合利用精英策略构造出新的种群,并重复循环.3.2.1　适应度值计算　Pareto 遗传算法是根据点的适应度值来判断其位置的好坏.对种群按照个体的非劣性进行快速非胜出排序,这个过程持续到整个群体的次序排列完为止.除按不受支配排序外,还需计算目标空间上的每一点与同等级相邻两点之间的排挤距离.NSGA 2II 算法中,根据每个非支配解的分级水平和排挤距离为其指定虚拟适应度值.2951上　海　交　通　大　学　学　报第41卷　3.2.2　精英策略　将群体按适应度值逐一选取个体,将这些个体中适应度最高者保存到下一代群体中,直到个体总数等于种群数量.为了防止由于选择误差或交叉和变异的破坏作用而导致当前群体的最佳个体在下一代丢失,对适应度最高的个体不进行交叉和变异,而直接复制到下一代中.这样既保证了子代中的个体在解空间中较好的分散性,又使子代中的个体具有较大的适应度.3.2.3　约束条件处理　在非线性优化算法中,约束处理是一个很关键的问题.NSGA 2II 算法采用的是基于锦标赛选择的方法来处理约束.可行解根据目标函数值定的非胜出排序水平和排挤距离给定适应度值,具有较小约束违反量的解具有优先的排序,,可以方便地为个体指定适应值,不需要罚函数.运用NSGA 2II 算法选取的主要运行参数为:种群50,染色体长度6,交叉概率0.9,变异概率0.18,运行代数为8.3.3　优化结果讨论对于所建立的优化模型,以各设计变量的约束范围中点取值为优化计算前的初始迭代点,运用NSGA 2II 算法经过约6代的优化计算,即得到趋于稳定的优化目标值.优化计算过程中目标函数之间的优化关系如图4所示,可见随着优化计算过程中的参数改变,回弹角θ1和θ2有一致的减小趋势,所得的Pareto 最优解集相对集中.说明通过对参数的调整可以有效地减小回弹角θ1和θ2,从而精确控制回弹量.图4　回弹角θ1与θ2的优化关系Fig.4　The relationship of springback angle θ1and θ2 通过对优化前后工件成形终了时内部等效应力的分布比较可以看出(见图5),采用优化参数进行成形,工件的应力值较优化前总体有所减小,尤其在工件弯角处应力值均有减小,这对于减小卸载后的回弹是有利的. 优化前采用各参数的约束范围中点取值,即F =1.5kN ,μ=0.15,δ=0.8mm ,得到回弹角θ1=(a )工件单元选取及编号(b )选取单元应力值对比图5　优化前后成形终了时工件应力分布比较Fig.5　The stress distribution comparison at the end offorming before and after optimization11.89°,θ2=7.3°.优化计算得到基于Pareto 的最优解集,可根据工艺、产品、成本等不同要求和意愿从其中选取最优结果.该优化问题得到的Pareto 最优解集相对集中,即选择两个目标函数都最小的一个解为最优解.优化后采用参数分别为F =537.36N ,μ=0.11,δ=0.998mm ,得到回弹角θ1=5.49°,θ2=0.196°.优化后目标值较优化前分别减小53.8%和97.3%,总计减小70.4%,优化效果明显.4　结　语综合运用有限元显式和隐式方法分别对U 型件的加载成形和卸载回弹过程进行数值模拟,可有效地兼顾计算效率和精度.基于模拟结果通过构造回弹角衡量回弹的大小.回弹现象不可避免,U 型件的回弹量受压边力、摩擦及板料厚度等诸多因素的耦合作用,影响规律错综复杂,难于精确控制.基于Pareto 策略的多目标优化算法NSGA 2II ,适应性强,收敛性好,在结合有限元数值模拟解决板料回弹控制的优化计算问题时,收到了理想的效果.但是由于遗传算法本身具有优化步数较多的特点,另外在与有限元模拟相结合时需每步调用有限元计算,所以其求解效率受有限元模型复杂程度的影响较大.(下转第1597页)3951　第10期王　鹏,等:U 型件冲压成形回弹过程的数值模拟及参数优化 续挤压过程中随道次的增加而呈增加趋势.参考文献:[1]　Lowe T C,Valiev R Z.Producing nanoscale micro2structures through severe plastic deformation[J].JOM,2000,52(4):27-28.[2]　Valiev R Z,Islamgaliev R K,Alexandrov I V.Bulknanostructured materials f rom severe plastic deforma2tion[J].Progress in Materials Science,2000,45(2):103-189.[3]　Ferrase S,Segal V M,Hartwig K T,et al.Micro2structure and properties of copper and aluminum alloy3003heavily worked by equal2channel angular extru2sion[J].Metallurgical and Materials T ransactions,1997,28A(4):1047-1057.[4]　Mabuchi M,Iwasaki H,Yanase K,et al.Low tem2perature superplasticity in an AZ91magnesium alloyprocessed CA E[J].Scripta Materialia,1997,36(6):681-686.[5]　DeLo D 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汽车复杂梁形件冲压成形及回弹数值模拟刘晓晶;刘博;陈晓晓;潘强荣;张彦燊【摘要】回弹问题是影响高强钢板进一步应用的原因之一,为了降低回弹影响,通常可以通过设置合理的工艺参数的方法减小回弹.以材料为高强钢的复杂型面汽车后边梁为例,对成形过程进行数值模拟分析,采用设置等效拉延筋及改变压边力大小的方法优化零件的成形结果,并最终确定后边梁成形时的等效拉延筋位置分布、拉延筋阻力和压边力的大小.利用计算出偏移最大的节点之间距离的方法对后边梁的回弹量进行测量.采用局部增大拉延筋阻力以及减小压边力的方法,对后边梁成形后所产生的卸载回弹及修边回弹进行控制,等效拉延筋阻力与压边力进行合理配比使回弹减小到较小的范围.最后将模拟所得到的结果与实验结果对比,即零件回弹较小,成形精度较高,进而得出该回弹控制方法可用于指导实际生产的结论.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2015(020)001【总页数】5页(P75-79)【关键词】板料成形;数值模拟;回弹;拉延筋【作者】刘晓晶;刘博;陈晓晓;潘强荣;张彦燊【作者单位】哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040【正文语种】中文【中图分类】TG386高强度钢板具有较高的屈服强度和抗拉强度[1],符合汽车轻量化[2-3]的发展需求,目前已逐渐应用于汽车覆盖件的生产．但高强度钢较高的屈服强度引起的回弹是高强钢汽车覆盖件冲压成形中的主要成形缺陷[4]．对回弹大小控制的准确性与否将严重影响冲压件的成形质量和尺寸精度[5-6]．高强钢冲压成形中的回弹控制是学术研究和工业生产中共同关注的热点问题[7-10]．目前,国内外学者进行了许多基于数值模拟技术的板材回弹问题的研究,主要是针对简单形状零件的回弹规律及控制方法的研究[11-14],对三维立体复杂零件的回弹研究相对较少．本文基于有限元法[15-16],对复杂型面汽车覆盖件进行成形及回弹研究,通过对成形工艺的优化,对复杂型面零件进行回弹的控制,从而得到成形质量及精度较高的汽车后边梁零件[17-20]．材料为先进高强度钢板DP590[21],板坯几何尺寸为1 500×430 mm,厚度为1.8 mm,材料参数如表1所示．板坯采用Belytschko—Tsay薄壳单元．毛坯与工具之间的接触类型为单面接触,材料模型采用弹塑性材料模型,符合Barlat屈服准则[22]．将后边梁曲面模型导入Dynaform软件,对后边梁曲面进行网格划分,网格采用自适应划分技术,最大自适应网格等级为3．板坯采用16号全积分壳单元公式,厚向积分点个数取7．板料成形模拟时,摩擦系数为0.125、压边圈闭合的最大虚拟速度设置3 000 mm/s、最大虚拟冲压速度设置为2 000 mm/s、模具间隙为1.1t 即1.98 mm．后边梁有限元模型如图1所示．次将压边力设置为1 800 kN、1 900 kN、2 000 kN、2 100 kN进行运算,其他参数不变,后边梁模型在拉延后都基本成形,没有发生拉裂,但是总体成形效果较差,由于材料失稳,所以导致出现了大片的起皱区域,同时存在许多没有得到充分拉深成形的区域．成形质量达不到工艺要求．后边梁成形模拟时,采用多组拉延筋成形方案进行模拟得到的成形效果如表2所示．成形模拟应用的拉延筋布置方案如图2所示．图3所示的成形极限对比图中直观的反映了每组工艺的成形效果和缺陷产生的位置．由于在不采用拉延筋的情况下,压边力增大至2 100 kN时R1区的起皱现象仍然很严重,第1组未充分拉延的两端按照方案A布置了拉延筋,成形后虽然R1区的起皱得到控制,但是却出现了多处拉裂,坯料整体的拉延程度也未得到改善;第2组改变了拉延筋布置,提高压边力降低拉延筋阻力进行模拟,坯料得到了充分拉延,并且消除了R1区和R2区的破裂;第3组模拟调整拉延筋布置,按照前几组成形效果重新分配拉延筋阻力,坯料拉延非常充分,只在R3区仍然存在拉裂;第4组对拉延筋布置进行微调,拉裂和起皱得到完全消除．后边梁的最终回弹量为卸载回弹和修边回弹的综合结果,将两次回弹最大偏移区域的节点坐标和回弹前的节点坐标进行对应,计算区域内每一节点在修边回弹后的位移取其最大值,即得到精确的后边梁最大回弹位移．如图4(a)所示为卸载回弹、测得节点最大位移发生在后边梁下端的侧壁入料口处,此处回弹造成的距离偏差达到了4.1 mm．图4(b)所示为修边回弹、测得节点位移最大偏移量仍然发生在下端部侧壁入料口处,回弹量为1.10 mm．按照第4组的成形工艺,后边梁的最大回弹位移约为5.2 mm．对于第4组的成形工艺,由于拉延筋阻力和自身型面复杂对回弹的抑制作用,后边梁中部的回弹并不突出,但是在下端部的回弹量较大．后边梁的下端接近U形梁的形状,是与前纵梁等零件装配的接合处,这一部位的回弹将引起严重的装配问题．前面的成形结果表明,增大后边梁下端部的拉延筋阻力,将会导致R3区的破裂．为减小后边梁回弹,采用降低压边力并细化拉延筋布置的措施对成形工艺进行优化．拉延筋布置方案如图5所示．第2次优化采用拉延阻力数据如表4所示．本次工艺优化后,成形极限图如6(a)所示,未出现起皱和拉裂缺陷,侧壁拉延充分,底边虽然存在未拉开区域,但并不影响后边梁的使用性能,符合成形要求．回弹计算得到的卸载回弹和修边回弹节点位移最大偏移量如图7所示．图6(b)为最终零件的厚度变化图,零件最薄厚度出现在R1区附近的胀形区,该区因胀形产生的厚度减薄属正常范畴．侧壁处的最小厚度大于1.31 mm,符合变薄率低于30%的要求．经过优化后,后边梁两次回弹的最大节点位移都小于1 mm,且卸载回弹的最大位移偏移出现在了型面中间位置的边缘,该处属于余料部分,修边后剩余边缘的二次回弹量非常微小．修边回弹的最大位移偏移仍然出现在下端部侧壁入料口处,但此处的卸载回弹的局部节点最大位移不到0.4 mm,总回弹量得到有效控制,符合了2 mm 工程的装配要求．采取工艺优化方案指导实际生产进行试模,经过切边和冲孔程序之后的模拟结果图与试模件的对比如图8所示,零件未有起皱和破裂缺陷,减薄率、未充分拉延区和起皱倾向区与模拟结果吻合,回弹量较小,实现了回弹的有效控制,验证了模拟结果的的准确性．1)针对复杂型面汽车后边梁零件,建立了有限元分析模型,进行了补充面及压边面的型面优化．2)在汽车后边梁模拟成形分析中,采用设置等效拉延筋及优化压边力的方法优化零件的成形结果,确定了后边梁的等效拉延筋位置分布及拉延筋阻力大小,得到了成形质量较好的后边梁零件．3)在回弹模拟分析中,确定了回弹模拟参数及回弹测量方法,通过采用局部增大拉延筋阻力以及减小压边力的方法,对回弹进行控制,等效拉延筋阻力与压边力进行合理配比使回弹减小到较小的范围．4)将模拟卸载回弹及修边回弹的最大总回弹量由优化前的约5.1 mm优化至约1.7 mm．5)采用优化工艺进行实验,得到了成形质量较高的汽车后边梁零件．将模拟结果与实验结果对比,零件回弹较小,成形精度较高．该回弹控制方法可用于指导实际生产．【相关文献】[1] 林建平,王立影,田浩彬, 等. 超高强度钢板热冲压成形研究与进展[J].热加工工艺,2008,37(21):140.[2] 汪文奇, 陈菊霞. 车身材料及制造轻量化技术的应用及挑战[J]. 汽车工艺与材料, 2010, 04: 4-5.[3] 亚楠, 温龙飞. 浅谈汽车材料的轻量化发展态势[J]. 汽车工业研究, 2007, 3: 33-35.[4] PAPELEUX L, GOHY S, COLLARD X etc. Springback Simulation in Sheet Metal Forming Using Implicit Algorithms[C]. 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