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筒形件FEA分析报告










机械工程学院 Q235 钢筒形件拉深的 FEA 分析报告

班级

xxxxxxxxx

学号

xxxxxx xxxxx

名字

xxxxxxx

>
完成日期

xxxxx



xx



xx



目 录
一、 问题描述 .......................................................................................... 1 二、 FEA 模型确立 ................................................................................. 1 2.1 模型简化与网格划分 ................................................................... 1 2.2 边界和载荷条件 ........................................................................... 2 2.3 接触和摩擦.................................................................................... 3 2.4 材料性能参数 ............................................................................... 5 三、 结果分析与讨论 .............................................................................. 6 3.1 变形机理分析 .............................................................................. 6 3.2 模具和工艺参数影响性分析 ....................................................... 7
3.2.1 凸凹模间隙的影响 .............................................................................. 7 3.2.2 凸模圆角半径的影响 .......................................................................... 8 3.2.3 凹模圆角半径的影响 .......................................................................... 9 3.2.4 凸模和板料摩擦系数的影响 .............................................................. 9 3.2.5 凹模和板料摩擦系数的影响 ........................................................... 10 3.2.6 压边力的影响 .................................................................................... 11

四、 总结 ................................................................................................ 12

一、问题描述
如下图所示为筒形件拉深的示意图,尺寸如下图所示,凸模半径为 50mm, 凹模半径为 51.25mm,压边圈半径为 56.25mm,压边力为 3000N,材料为 Q235, 杨氏模量为 210GPa,泊松比为 0.33,拉深的筒形件深度为 45mm,即凸模行程 向下 45mm。

图 1-1 模型示意图

结果要求: 1. 出一张变形态图 2. 拉深结束应变从杯子心部到法兰边缘的分布图,说明破裂的位置。 3. 模具和工艺参数影响性分析。

二、FEA 模型确立
2.1 模型简化与网格划分
根据几何的轴对称特性选择轴对称模型

1

对称轴

punch

holder 拉深材料

die

图 2-1-1 简化的轴对称模型

图 2-1-2 四边形网格划分

Punch 部分划分成 39 个部分,其中弯曲圆角部分为 15 网格类型:RAX2 Die 部分划分 40 个部分,其中弯曲圆角部分为 10 网格类型:RAX2 Holder 部分划分成 34 个部分 网格类型:RAX2 Blank 部分划分成 40 个部分 网格类型:CAX4R 一共划分成 153 个部分

2.2 边界和载荷条件
边界 Step-1 Punch Die Holder Blank Step-2 Punch Step-3 Blank holder force U1=0, U2=0, UR3=0 固定凸模 U1=0, U2=0, UR3=0 固定凹模 U1=0, UR3=0 约束压边圈 x 方向,y 方向自由 左侧对称面约束 X 方向,U1=0 punching U1=0, U2=-45 , UR3=0 凸模向下运动 45mm remove die U1=0,U2=0,U3=0,固定拉深件
2

Step-4 spring back Blank 计算回弹时右侧上点约束 U1=0, U2=0, UR3=0

图 2-2-1 材料的边界条件

载荷 Holder 加压边力,y 方向加 Concentrate force, CF2=-3000N

图 2-2-2 材料上施加的载荷

2.3 接触和摩擦
Blank 和 punch 接触 摩擦系数为 0.1

3

图 2-3-1 blank 和 punch 接触

Blank 和 die 接触 摩擦系数为 0.08

图 2-3-2 blank 和 die 接触

Blank 和 holder 接触 摩擦系数为 0.1

4

图 2-3-3 blank 和 holder 接触

2.4 材料性能参数
材料:Q235,杨氏模量为 210GPa,泊松比为 0.33,屈服强度为 235MPa. 材料的真实应力应变曲线如下图所示,材料的名义屈服应力为 235MPa,名 义应变为 0.03,从而得知真实应力为 242MPa,真实应变为 0.03,塑性应变为 0. 当材料到达屈服极限时,名义应力为 400MPa,名义应变为 0.15 真实应力为 460MPa,真实应变为 0.14,塑性应变为 1.

图 2-4-1 材料应力应变曲线 参考资料:Q235钢真实应力-应变曲线研究 田芳,刘财喜,刘芳,罗武,邓瑞基,陈胜铭,罗迎社 (中南林业科技大学流变力学与材料工程研究所,湖南长沙410004)

5

图 2-4-2 Q235 成形极限图

三、结果分析与讨论
3.1 变形机理分析
拉深前后相应于筒壁部分的材料周向受到压缩变形,径向受到拉深变形,变 形程度沿筒高方向增长, 且圆角以上部位周向压缩变形大于径向伸长变形。周向 受压的材料向筒壁厚度和高度方向转移,越靠近口部需要转移的材料越多,故壁 厚和硬度越高。筒底圆角稍上部位的材料,拉深开始时处于凸、凹模之间,周向 压缩小,需要转移的材料少,变形硬化程度低,又受不到凸模圆角处的有益摩擦 作用, 故成为筒壁部分承载最弱的部分,该位置成为拉深断裂可能发生的危险截 面。位于凹模圆角部分的材料,周向受压,径向受拉,同时外侧还受到凹模圆角 的顶压作用,沿厚向产生压应力,该区径向拉应力大于周向压应力,当坯料流过 凹模圆角时, 同时受到摩擦、 弯曲和拉直作用, 容易发生起皱现象。 如下图所示:

6

容易起皱位 置

危险截面容易 拉裂位置

图 3-1-1 材料变形应力分布图

3.2 模具和工艺参数影响性分析
3.2.1 凸凹模间隙的影响
凸凹模间隙是拉深模的重要参数,可以从下表中看到,间隙过小时,最小壁 厚最小,容易在危险断面破裂。间隙过大时,最小壁厚较大,拉深时对工件的校 直作用小,影响零件的尺寸精度。

影响因素 凸模 凹模 凸模和 凹模和板 凸凹模 圆角 圆角 板料摩 料摩擦系 间隙 1.25 1.2 半径 半径 擦系数 13 13 5 5 0.1 0.1 数 0.08 0.08

结果 周向压 径向拉 起皱风 压边力 最小壁厚 最大应力 最大应变 3000 3000 0.904715 0.905547
7

应变 0.275 0.273

应变 0.377 0.38

险 无 无

330.201 332.414

0.493 0.499

1.15 1.1 1.05

13 13 13

5 5 5

0.1 0.1 0.1

0.08 0.08 0.08

3000 3000 3000

0.9044482 0.900497 0.897396

324.28 320.503 332.758

0.504 0.51 0.521

0.273 0.273 0.274

0.382 0.386 0.393

无 无 无

表 3-2-1 凸凹模间隙的影响

图 3-2-1 凸凹模间隙对起皱的影响

3.2.2 凸模圆角半径的影响
凸模圆角半径过小时, 会使危险断面附近过度变薄,从而降低了最大承载能 力,发生断裂。
影响因素 凸模 间隙 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 半径 角半径 摩擦系数 8 13 18 23 28 5 5 5 5 5 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 凹模和板 最大应 压边力 最小壁厚 力 3000 0.898863 345.671 3000 0.904715 330.201 3000 0.917544 338.289 3000 0.920613 335.904 3000 0.924686 313.618 数 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 变 0.511 0.493 0.466 0.442 0.413 凸凹模 圆角 凹模圆 凸模和板料 料摩擦系 结果 周向 径向 最大应 压应 拉应 变 变 起皱风险 无 无 无 无 无 0.278 0.385 0.275 0.377 0.273 0.368 0.268 0.354 0.249 0.337

表 3-2-2 凸模圆角半径隙的影响

8

图 3-2-2 凸模圆角对起皱的影响

3.2.3 凹模圆角半径的影响
凹模圆角半径过小时, 会增加滑动阻力以及弯曲和反弯曲力,从而提高拉深 力,引起工件壁部变薄,降低极限变形能力。凹模圆角半径过大时,会减小有效 压边面积,使工件加工精度不高。

影响因素 凸模 间隙 1.25 1.25 1.25 1.25 半径 角半径 摩擦系数 13 13 13 13 5 8 10 13 0.1 0.1 0.1 0.1 凹模和板 最大应 压边力 最小壁厚 力 3000 0.904715 330.201 3000 0.943696 293.933 3000 0.934329 242.619 3000 0.943816 241.496 数 0.08 0.08 0.08 0.08 凸凹模 圆角 凹模圆 凸模和板料 料摩擦系

结果 周向 径向 最大应 压应 拉应 变 0.493 0.443 0.426 0.414 变 变 起皱风险 无 无 无 无 0.275 0.377 0.264 0.342 0.25 0.333 0.236 0.321

表 3-2-3 凹模圆角半径的影响

图 3-2-3 凹模圆角半径对起皱的影响

3.2.4 凸模和板料摩擦系数的影响
当凸模和板料摩擦系数变大时,危险截面变大,容易发生拉裂。

影响因素 凸模 间隙 1.25 1.25 1.25 半径 角半径 摩擦系数 13 13 13 5 5 5 0.08 0.1 0.12 凹模和板 最大应 压边力 最小壁厚 力 3000 0.902952 334.039 3000 0.904715 330.201 3000 0.903235 331.522 数 0.08 0.08 0.08 凸凹模 圆角 凹模圆 凸模和板料 料摩擦系

结果 周向 径向 最大应 压应 拉应 变 0.493 0.493 0.493 变 变 起皱风险 无 无 无 0.274 0.377 0.275 0.377 0.275 0.378

9

1.25 1.25

13 13

5 5

0.14 0.16

0.08 0.08

3000 0.902883 328.556 3000 0.904721 330.396

0.492 0.492

0.275 0.377 0.275 0.377

无 无

表 3-2-4 凸模和板料摩擦系数的影响

图 3-2-4 凸模摩擦系数对起皱的影响

3.2.5 凹模和板料摩擦系数的影响
凹模和板料摩擦系数增大时,危险断裂截面变小,容易发生拉裂。同时存在 起皱的倾向。
影响因素 凸模 间隙 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 半径 角半径 摩擦系数 13 13 13 13 13 5 5 5 5 5 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 凹模和板 最大应 压边力 最小壁厚 力 3000 0.904715 330.201 3000 0.902166 331.85 3000 0.901037 330.456 3000 0.899366 333.522 3000 0.896991 330.24 数 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 变 0.493 0.493 0.494 0.495 0.494 凸凹模 圆角 凹模圆 凸模和板料 料摩擦系 结果 周向 径向 最大应 压应 拉应 变 变 起皱风险 无 无 无 无 无 0.275 0.377 0.274 0.378 0.273 0.379 0.272 0.38 0.271 0.381

表 3-2-5 凹模和板料摩擦系数的影响

10

图 3-2-5 凹模摩擦系数对起皱的影响

3.2.6 压边力的影响
增大压边力,提高了凸缘的流动阻力,使拉深力增大。但是过大的压边力可 能导致危险截面拉裂。
影响因素 凸模 间隙 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 半径 角半径 摩擦系数 13 13 13 13 13 5 5 5 5 5 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 凹模和板 最大应 压边力 最小壁厚 力 1000 0.962886 341.48 1500 0.963515 341.399 2000 0.906292 333.273 2500 0.905424 329.76 3000 0.904715 330.201 数 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 变 0.449 0.448 0.492 0.492 0.493 凸凹模 圆角 凹模圆 凸模和板料 料摩擦系 结果 周向 径向 最大应 压应 拉应 变 变 起皱风险 无 无 无 无 无 0.246 0.324 0.246 0.324 0.274 0.377 0.274 0.377 0.275 0.377

图 3-2-6 压应力对起皱的影响

11

四、总结
基于 FEA 分析可以得出,拉深前后相应于筒壁部分的材料周向受到压缩变 形,径向受到拉深变形,变形程度沿筒高方向增长,且圆角以上部位周向压缩变 形大于径向伸长变形。 周向受压的材料向筒壁厚度和高度方向转移,越靠近口部 需要转移的材料越多,故壁厚和硬度越高。筒底圆角稍上部位的材料,拉深开始 时处于凸、凹模之间,周向压缩小,需要转移的材料少,变形硬化程度低,又受 不到凸模圆角处的有益摩擦作用,成为拉深断裂可能发生的危险截面。位于凹模 圆角部分的材料,周向受压,径向受拉,同时外侧还受到凹模圆角的顶压作用, 沿厚向产生压应力,该区径向拉应力大于周向压应力,当坯料流过凹模圆角时, 同时受到摩擦、弯曲和拉直作用,容易发生起皱现象。 在拉深过程中: 1、在拉深过程中,凸模圆角过渡区存在危险断裂截面,凹模圆角过渡区容 易发生起皱现象 2、凸模的圆角半径影响较小,凹模圆角半径影响较大 3、凸凹模间隙值应取的适宜,不易过大或过小 4、凸模与板料的摩擦系数越小越好 5、压边力要取得适宜。过大会会拉裂,过小会起皱。

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