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复杂截面型材二维拉弯回弹数值模拟研究

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第10卷󰀁第14期󰀁2010年5月1671󰀁1815(2010)14󰀁3475󰀁05󰀁科󰀁学󰀁技󰀁术󰀁与󰀁工󰀁程ScienceTechnologyandEngineering󰀁Vol󰀂10󰀁No󰀂14󰀁May2010󰀁2010󰀁Sci󰀂Tech󰀂Engng󰀂

复杂截面型材二维拉弯回弹数值模拟研究

周󰀁欢󰀁贺尔铭*󰀁王红建󰀁王永军1󰀁邱智学2󰀁康齐正2

(西北工业大学航空学院,机电学院1,西安710072;宁波信泰机械有限公司2,宁波315800)

摘󰀁要󰀁基于非线性有限元软件MSC.Marc对某汽车门框复杂截面型材的二维(2D)拉弯回弹进行了数值模拟研究。首先通过对拉力控制方式下张臂式拉弯机构的运动原理进行分析,提出了一种夹具端边界条件加载方法,该方法克服了拉弯成形过程中夹具轨迹不易确定的难点。然后研究了单元类型、圆角单元尺寸对回弹模拟准确度的影响,并得到了半径回弹量随预拉力变化的规律。模拟结果表明:对于此种复杂截面型材的拉弯回弹模拟,采用实体壳单元模型得到的半径回弹预测值更准确;在一定圆角单元尺寸范围内,随着圆角单元尺寸的减小,回弹模拟准确度提高;半径回弹量随着预拉力的增大而逐渐变小,当预拉力增大到一定值时,预拉力对回弹的影响不明显。关键词󰀁复杂截面型材󰀁󰀁拉弯成形󰀁󰀁回弹󰀁󰀁数值模拟

中图法分类号󰀁TG376.53;󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码󰀁A

2010年3月2日收到第一作者简介:周󰀁欢(1985󰀂),男,汉族,湖南株洲人,硕士研究生,研究方向:结构有限元分析。E󰀁mai:lzhouhuan_china@yahoo.com.cn。*通信作者简介:贺尔铭(1964󰀂),男,汉族,陕西西安人,博导,教授,研究方向:结构力学有限元分析。E󰀁mai:lheerming@nwpu.edu.cn。󰀁󰀁型材在弯矩、扭矩和纵向拉力联合作用下被压

入模具的成形过程称之为拉弯成形。拉弯成形精度高、回弹小[1],能够制造尺寸大、截面复杂的变曲率挤压弯曲件,在飞机制造和汽车生产中得到了广

泛的应用。目前,很多研究者针对简单截面型材进行了拉

弯成形有限元数值模拟,得到了与工程实际相符合的规律。但是对于复杂截面型材拉弯成形,由于几

何截面的复杂性和非对称性,使得有限元模拟具有很大的挑战性,如易发生较大的扭转变形、出现贴

模错误、初始接触错误、计算量过大等[2]。因此,对复杂截面型材拉弯成形的有限元数值模拟方法进

行研究有重要现实意义。夹钳边界问题是型材拉弯有限元数值模拟的技术难点之一[3],因此首先通过对拉力控制方式下

张臂式拉弯机构的运动原理进行分析,基于MSC.Marc软件,得到了数值模拟过程中夹具端边界条件的加载方法;然后研究了单元类型、圆角单元尺寸

对回弹模拟准确度的影响,并得到了半径回弹量随

预拉力变化的规律。

1󰀁张臂式拉弯成形机理分析

图1、图2所示为某通用张臂式拉弯机,主要由

工作台、张臂、升降臂、拉伸臂、夹具、模具等组成。工作台为模具的定位面,是拉弯机初始参数校正的

基准。张臂可以在与工作台面平行的平面上绕张

臂轴旋转。升降臂通过滑板与张臂相连,可使固定

于升降臂的拉伸臂产生垂直于工作台面的升降运

动。滑板可控制升降臂的位置,以使拉弯机适应不

同长度的型材。升降臂与拉伸臂铰接,夹具接头固定于拉伸臂,拉伸臂带动夹具对型材毛料产生轴向

拉伸变形和轴向扭转变形。由上述分析可知,此通

用张臂式拉弯机主要有如下4个控制参数:张臂轴

转角、夹具转角、夹具拉伸量、升降臂位移量。

张臂式拉弯成形过程通常包括三个阶段:预拉、弯曲成形以及补拉阶段。型材拉弯成形过程中

拉伸变形量控制主要有拉力控制模式和位移控制

模式。很多文献[3󰀂5]对位移控制模式下夹具运动轨迹进行了研究,但是对于拉力控制模式,由于轴向

图1󰀁张臂式拉弯机主视简图

图2󰀁张臂式拉弯机俯视简图

变形量不易估计,故夹具在拉弯成形过程中的位置

很难精确给定。针对拉力控制方式下2D张臂拉弯

成形,提出了一种夹具端边界条件加载方法。

2󰀁夹具端边界条件的确定

张臂式拉弯机构运动原理可简化表示为图3所

示。o1为拉弯机左右对称中心,o2为张臂轴点,o3为升降臂位置(对于2D成形,升降臂位置固定),o4为型材接触包覆模具位置,J为夹具位置。

图3󰀁2D张臂式拉弯机构运动原理

在型材拉弯成形过程中,o3位置轨迹由张臂轴夹角󰀁决定。由此可知,张臂轴夹角󰀁与型材接触包角󰀂有对应关系,而型材接触包角󰀂可以由模具

的特征线得到。夹具位置J由于受成形时轴向拉力大小控制,在型材包覆切线的方向上移动,其运动

轨迹很难精确给定。假设o2的坐标(xO2,yO2),o4的

坐标(xO4,yO4),型材毛料长度与拉伸臂初始长度之和为L,张臂长度o1o3为lZ,型材已包覆长度为

s(󰀂),则󰀁与󰀂有如下关系式:

xO2+lZcos󰀁=xO4+[L-s(󰀂)]cos󰀂

yO2+lZsin󰀁=yO4+[L-s(󰀂)]sin󰀂(1)

由式(1)可知,o3位置与夹具在切向的具体位

置无关,由张臂轴夹角唯一确定。因此,将夹具端

边界条件加载在o3位置即可克服成形过程中夹具位置不易确定的难点。利用MSC.Marc中的LINKS

约束条件,成功实现了此种夹具端边界条件加载

方法。

3󰀁复杂截面型材拉弯有限元模型

某汽车门框型材的横截面形状如图4所示,截

󰀁图4󰀁型材毛料横截面形状面复杂且不对称,存在层

叠。型材毛料长度为

1.4m,横截面各处的圆角半径在2.5mm左右。

模具最小弯曲半径为160

mm,弯曲角度为90 ,其形状如图5所示。由于

型材拉弯成形具有对称

的特点,只取一半建模,最后建立的拉弯成形有

限元模型如图6所示。

图5󰀁模具的有限元模型3476科󰀁学󰀁技󰀁术󰀁与󰀁工󰀁程10卷

图6󰀁拉弯成形有限元网格模型

型材材料为SPCD钢。材料特性由标准单拉试

验获得,其真实应力󰀁应变曲线如图7所示。

图7󰀁真实应力󰀁应变曲线

模拟过程中不考虑材料的各向异性效应,采用

VonMises屈服准则,随动硬化法则。型材成形和回

弹计算都采用静力隐式的方法。拉弯成形夹具端边界条件采用图3方法实现。

4󰀁回弹评价指标描述

型材拉弯半径回弹通常是成形的重要性能指

标,因此分别采用型材成形回弹前后曲率半径变化来描述回弹大小。回弹表示如图8所示,其中R为

回弹前半径,R!为回弹后半径值。

图8󰀁回弹表示5󰀁数值模拟与试验结果对比分析

近年来,实体壳单元的研究引起了学者的兴

趣[6󰀂9]。实体壳单元具有以下优势[7,8]:不需要计算转动自由度,易于更新构型;可采用全三维的本构

关系;计算厚度方向应力、应变。

图9给出了此复杂截面型材2D拉弯成形数值模拟中,不同平面网格尺寸划分下,基于Mindlin假

设的壳单元与具有减缩积分、假设应变技术的实体

壳单元之间回弹模拟与试验结果误差的对比。由

图9可以看出,具有减缩积分、假设应变技术的实体壳单元具有较好的回弹模拟精度。

图9󰀁两种单元类型对回弹模拟准确度的影响

对于复杂截面型材拉弯成形,不同圆角网格划分会对成形过程中内部应力、应变分布造成影响。

图10给出了半径回弹量误差随圆角单元尺寸变化

的关系。通过图10也可以看到,过大的圆角单元尺寸得到的半径回弹量误差较大。圆角单元横纵比

一定,且当圆角横截面尺寸与圆角半径之比在25~图10󰀁圆角单元尺寸对回弹准确度的影响347714期周󰀁欢,等:复杂截面型材二维拉弯回弹数值模拟研究󰀁45区间之内时,半径回弹量误差随着比值的减小而减

小。在圆角单元横截面尺寸不变的情形下,横纵比较

小会得到更优的回弹模拟结果。实际模拟中还发现,

单元网格越小,造成接触判断增多,收敛性不易保证。进而建立了采用实体壳单元、圆角单元横截面

尺寸与圆角半径之比为3/5、横纵比为1/2的拉弯

有限元模型,模拟了不同预拉力下的回弹情况。图11给出了半径回弹量随预拉力变化的规律。结果

表明,此复杂截面型材拉弯成形的预拉力规律同简

单截面型材拉弯成形预拉力规律基本一致。随着预拉力的增大,回弹先逐渐变小,当预拉力超过

20000N时,半径回弹量变化不明显。

图11󰀁半径回弹量随预拉力变化曲线

5󰀁结论

基于MSC.Marc软件进行了拉力控制方式下的复杂截面型材2D拉弯回弹数值模拟,主要结论如下。

(1)󰀁提出的夹具端边界条件加载方法是可行的,能够克服拉弯成形过程中夹具轨迹不易确定的难点。

(2)󰀁相对于Mindlin假设壳单元模型,采用实体壳单元模型模拟得到的半径回弹量预测值更

准确。

(3)󰀁回弹准确度随着圆角单元尺寸的减小而增高,但圆角单元尺寸过小,容易造成计算不收敛。

(4)󰀁随着预拉力的增大,回弹先逐渐变小,当

预拉力增加到一定量值时,回弹变化不明显。

参󰀁考󰀁文󰀁献

1󰀁PaulsenF,WeloT.Applicationofnumericalsimulationintheben󰀁dingofaluminium󰀁alloyprofiles.JournalofMaterialsProcessingTechnology,1996;58:274󰀂2852󰀁万󰀁敏,洪振军,李卫红,等.大型异型材拉弯成形有限元模拟技术研究.锻压技术,2008;33(5):160󰀂1643󰀁金朝海,周贤宾,刁可山,等.型材2D拉弯数值模拟建模技术研究.塑性工程学报,2005;12(1):24󰀂284󰀁金朝海,周贤宾,谷诤巍,等.基于位移控制的型材2D张臂式拉弯加载轨迹设计及数控代码生成.塑性工程学报,2009;16(2):66󰀂715󰀁李小强,周贤宾,金朝海,等.型材拉弯数值模拟夹钳边界条件的一种等效模型.塑性工程学报,2009;16(1):64󰀂696󰀁ParenteMPL,FontesValenteRA.SheetmetalformingsimulationusingEASsolid󰀁shellfiniteelements.FiniteElementsinAnalysisandDesign,2006;42:1137󰀂11497󰀁AlvesdeSousaRJ,YoonJW.Ontheuseofareducedenhancedsolid󰀁shell(RESS)elementforsheetformingsimulations.Internation󰀁alJournalofPlasticity,2007;23:490󰀂5158󰀁许江平,柳玉起,杜󰀁亭,等.一种新的实体壳单元在板料成形中的应用.塑性工程学报,2009;16(2):48󰀂529󰀁李丽明,李大永,彭颖红,等.基于实体壳单元的板壳非线性变形分析.上海交通大学学报,2008;42(11):1908󰀂1911

(下转第3489页)3478科󰀁学󰀁技󰀁术󰀁与󰀁工󰀁程10卷

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钣金弯曲回弹计算

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钣金弯曲回弹是在进行金属钣金弯曲加工时，由于材料的弹性特性导致弯曲后形状不完全保持原始的设计形状。这是由于金属材料在受到应力后发生弹性变形，当外力消失时，材料会有一定的回弹，使弯曲后的形状略微改变。

弯曲回弹的计算通常涉及一些复杂的工程数学和试验方法。以下是一种简化的计算方法，但请注意，实际应用可能需要更复杂和准确的方法：

1.弯曲回弹计算公式：

在一些简单的情况下，可以使用下述的弯曲回弹计算公式：

回弹角度=实际弯曲角度−设计弯曲角度

2.材料回弹系数：

对于具体的材料，可以通过试验来确定回弹系数。回弹系数是实际回弹角度与设计弯曲角度之比。它通常是一个材料和弯曲工艺的固有属性。

回弹系数=回弹角度设计弯曲角度

3.实验测定：

通过实验测定具体材料在特定条件下的回弹系数是一种更准确的方法。这通常涉及制作一系列的试样，进行弯曲，并测量回弹的角度。通过分析试验数据，可以得到回弹系数。

4.有限元分析：

在工程实践中，有限元分析等数值方法也可用于更复杂形状的弯曲回弹计算。这种方法考虑了材料的非线性、应变硬化等更为精细的特性。

在实际应用中，因材料的不同、弯曲工艺的不同以及制造条件的不同，回弹效应会有很大的差异。因此，具体的回弹计算需要结合实际情况进行调整和验证。

柔性模具成形的6大关键技术，不是只能做飞机蒙皮零件

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传统的金属板料加工方法主要用模具在压力机上进行冷冲压成形，具有生产效率高、适用于大批量生产的优点。随着市场竞争日趋激烈，产品的更新速度日益加快，新产品成形模具的开发往往成本高、风险大、耗时长、柔性差。因此，迫切需要一种能够降低新产品模具开发成本和风险并缩短研制周期的新技术。

柔性模具技术就是为适应这一趋势而发展起来的一种柔性生产技术。柔性模具技术的基本思想是采用可变形的结构或材料去代替或部分代替传统的刚性模具用来加工制造不同形状的零件。它可以显著降低零件的制造成本，缩短零件的制造周期，是一种越来越受到人们重视的快速制造技术。本文在国内外研究成果的基础上，总结分析了柔性模具的关键技术和发展趋势。

柔性模具成形方法

1.多点刚模成形方法

多点柔性模具技术又称为可重构离散模具技术，它采用若干个规则排列的、高度可调的基本体，通过其端面形成多点可调的包络面，以代替传统刚性模具。在1985到1991年，MIT和Cyril Bath公司及海军研究实验室设计制造了一种新型的可自动调整型面的拉伸成形离散模，使用时其表面覆一层弹性垫层以防止板料表面产生凹坑。模具的结构形式和基本单元体的结构如图1所示。波音、空客等公司都陆续购买、引进了多台蒙皮拉伸成形柔性离散模，进行蒙皮零件的拉伸成形。

国内北京航空制造工程研究所在现有柔性多点模具基础上，针对大型柔性多点模具，采用新型的调形驱动机构及伺服轴离合复用技术，实现与冲头驱动源分合，大大减少了驱动电机的数量，并开发出了具有价格竞争力的蒙皮拉伸成形多点模系统。李明哲从90年代初期就开始进行离散模冲压技术的研究，开发了专用成形设备，取得了一系列的成果，在建筑结构件与装饰件、高速列车流线型车头覆盖件、船体外板及人脑颅骨修复体等产品的成形上发挥了重要作用。

图2（a）是利用片层式离散模进行的拉弯成形实验装置。离散模应用拉弯成形时，由于型材拉弯零件截面复杂不同于板料拉形，因此需要模块化的结构。图2（b）为离散模型材拉弯成形模拟示意图。图2（c）为离散模拉弯成形的试件，在进行离散模型材拉弯成形时，采用强度较高的钢板或者铝板垫层代替传统的聚氨酯板等弹性垫层以防止型材产生截面畸变。图2（d）为离散模型材拉弯截面畸变对比图。图2（e）为国内某公司采用柔性铰连辅助装置的拉弯成形模，用于生产截面复杂的汽车拉弯零件，显著提高了生产效率。

芯棒伸出量对薄壁矩形管弯曲失稳起皱影响的数值模拟

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影响的数值模拟

赵刚要刘郁丽杨合

西北工业大学,西安,710072

摘要:基于动态显式有限元平台ABAQUS/Explicit,建立了3A21铝合金薄壁矩形管绕

弯成形过程的三维有限元模型,模拟分析了芯棒伸出量对薄壁矩形管绕弯成形过程中失稳起

皱的影响规律。结果表明:随着芯棒伸出量的增大,起皱波纹高度逐渐减小,切向压应力极大

值波动的峰值减小,等效应力逐渐减小,并且变化趋于平缓;当芯棒伸出量达到一定值后,随着

芯棒伸出量的增大,起皱波纹高度极大值变化不明显。该研究对薄壁矩形管绕弯成形工艺参

数的确定具有重要的参考价值。

关键词:薄壁矩形管;芯棒伸出量;失稳起皱;绕弯成形;数值模拟

中图分类号:TG386;TP391 文章编号:1004)132X(2006)S2)0035)03

NumericalSimulationofInfluenceofMandrelonWrinklinginBendingof

Thin-walledRectangularTube

ZhaoGangyao LiuYuli YangHe

NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi.an,710072

Abstract:Athree-dimensionalFEMmodelofrotarydrawbendingofthin-walledrectangular

tubeisbuiltundertheABAQUS/Explicitenvironment.Basedonthemodel,asimulationandanalysis

ofrotarydrawbendingforaluminumalloy3A21thin-walledrectangulartubehavebeencarriedout.

Theresultsshowthatthemaximumheightofwrinklingwavedecreasesobviouslywiththeincreaseof

平头弹撞击角度对2A12-T4铝合金板失效特性影响的数值模拟

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胡静;邓云飞;崔亚男;张银波

【摘 要】利用有限元软件ABAQUS建立模拟模型,开展38CrSi钢弹体撞击2A12-T4铝合金板数值模拟研究,分析撞击过程中弹体撞击角度对弹道姿态及靶体失效特性的影响.基于数值仿真和实验结果,分析靶体的失效特性,确立不同撞击条件下靶体主要失效模式的转变规律,以及由此对靶体抗撞击性能的影响.研究结果表明:弹体的弹道极限速度随其撞击角度的增大先减小后增大,弹道极限速度在撞击角度约为15°时达到最小值;弹体撞击角度对靶体失效模式存在很大影响,随着弹体撞击角度的增大,靶体主要失效模式由剪切破坏逐渐过渡到撕裂破坏,靶体的撕裂程度不断加剧;弹体初始撞击角度和速度对其在撞击过程中的弹道姿态存在影响,在弹道极限速度附近表现尤为显著.%A simulation model was established using finite element

software ABAQUS,and the numerical simulations of 38CrSi steel projectile

impacting 2A12-T4 aluminum alloy plates were conducted, then the

influences of impact angles of projectile on the failure characteristics of

target and ballistic attitude of projectile were analyzed.Based on numerical

simulation and experimental results,the failure characteristics of the target

were analyzed,the change laws of the dominant failure modes under