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基于Dynaform软件的板料冲压成形仿真操作指引


基于 Dynaform 软件的板料冲压成形仿真操作指引
常用仿真术语定义: 1 常用仿真术语定义: 冲压成形:用模具和冲压设备使板材产生塑性变形获得形状、尺寸、性能合乎要求的冲压件的加工方 法。多在室温下进行。其效率高,精度高,材料利用率也高,可自动化加工。 冲压成形工序与工艺: 剪切 冲裁 修边 弯曲 拉深 胀形 翻边

分离工序 冲压成形 成形工



剪切: 剪切:将板材剪切成条料、块料或具有一定形状的毛坯的加工工序称为剪切。分平剪、斜剪和震动剪。 冲裁: 冲裁:借助模具使板材分离的工艺。分为落料和冲孔。 落料--从板料上冲下所需形状尺寸坯料或零件的工序; 冲孔-- 在工件上冲出所需形状孔的工序。 弯曲: 弯曲:在弯曲力矩作用下,使平板毛坯、型材、管材等产生一定曲率和角度,形成一定形状冲压件的方法。 拉深: 拉深:冲裁得到的平板毛坯成形成开口空心零件的冲压加工方法。 拉伸参数: 拉伸参数: ? 拉深系数m :拉深零件的平均直径 d 与拉深前毛坯 D 之比值m, m = d/D; ? 拉深程度或拉深比:拉深系数 m 的倒数 1/m; 拉深程度或拉深比: ? 极限拉深系数:毛坯直径 D 确定下,能拉深的零件最小直径 d 与D之比。 极限拉深系数: 胀形: 胀形:指将材料不向变形区转移,只在变形区内产生径向和切向拉深变形的冲压成形方法。 翻边: 翻边:在毛坯的平面或曲面部分的边缘,沿一定曲线翻起竖立直边的成形方法。 板材冲压成形性能评价指标: 板材冲压成形性能评价指标:硬化指数n、厚度方向系数γ、成形极限图。 成形极限: 成形极限:是指冲压加工过程中所能达到的最大变形程度。 仿真分析 分析目的及流程 2 Dynaform 仿真分析目的及流程 ETA/DYNAFORM 5.7是由美国工程技术联合公司(ENGINEERING TECHNOLOGY ASSOCIALTES, INC.)开发的 一个基于LS-DYNA的板料成形模拟软件包。作为一款专业的CAE软件,ETA/DYNAFORM综合了LS-DYNA强大的 板料成形分析功能以及强大的流线型前后处理功能。它主要应用于板料成形工业中模具的设计和开发,可 以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间和试模周期。基于Dynaform软件的仿真结果,可以预测板 料冲压成形中出现的各种问题,如破裂、起皱、回弹、翘曲、板料流动不均匀等缺陷,分析如何及时发现 问题,并提供解决方案。Dynaform仿真分析分析的步骤和流程如下图:

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数值模拟分析流程总的来说分为前处理、求解计算和后处理三个主要部分。其中,前处理可细分为读 入零件几何模型、有限元网格划分、定义成形工具、生成及定义毛坯、定义拉延筋和设置成形参数等几个 部分。前处理的好坏直接影响到求解计算,关系到数值模拟结果的精确性。 一、前处理 1. 读入零件模型。Dynaform软件可以直接读入由UG、CATIA和Pro/E等软件产生的数学模型。 以某公司的典型钣金件为例进行冲压成形数值模拟分析。首先将零件的数学模型的IGES、VGA等格式 文件导入DYNAFORM中,如图2所示。

图2 零件的数学模型
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Fig.2 The part’s mathematic model 根据零件的数学模型和实际生产经验,编制的工艺路线为拉深2.确定冲压方向 Dynaform默认的冲压方向为-Z方向。 3.创建零件的单元模型 选择菜单“Preprocess/Surface”命令,点击 ”Generate Middle Surface”按钮,进行零件中性

层的抽取。可删除原导入的零件模型,并编辑抽取中性层后的零件,重新命名为零件“Part”,将其ID序 号数值设置为1,保存*.df文件。 4.创建零件 1)分析此零件的几何模型,由于该零件的翻边工序在最后,故在模拟中不考虑翻边这道工序,将其拉 平。选择菜单栏“BSE/Preparation”,点击 边部分轮廓呈白色高亮显示,如图3所示。 “Unfold Flange”命令,选择零件的翻边部位,此时翻

图3 选择零件翻边部位 2)点击“Accept”按钮,输入弯曲角“Bent Angle=180”,如图4。点击“Delete Original Flanges” 按钮,删除零件原有的翻边工艺修正,如图5,点击“DONE”完成。删除翻边后的零件如图6。此时系统会 自动创建一个新零件“Unfolded”,选择菜单栏“Part/Add…To Part”命令,点击“Surface(s)”,点 击“Part”按钮,选择系统新创建的零件“UNFOLDED”,返回“Add…To Part”,点击“Apply”。至此 零件“Part”创建成功,如图7。

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图4 输入零件的翻边角度

图5 删除原翻边

图6 删除翻边后的零件图 3) 创建零件网格

图7 创建的零件图

将右下角的当前零件改为“Part”,选择菜单“Preprocess/Element”命令,选择

“Surface

Mesh/Part Mesh”按钮,最大网格尺寸设置为8,其它尺寸为缺省值。点击“Select Surfaces”按钮,选 择“Displayed Surf.”,此时零件“Part”呈白色高亮显示,点击“OK”和“Apply”按钮,并点击“Yes” 加以确认,退出对话框。零件网格如图8所示。 注意:在网格划分时一定要将右下角当前的零件设为和网格划分的零件一致,否则划分的网格不是当 前的零件。右下角的“Surfaces”可不选,此时零件的几何模型会隐藏,只显示网格。

图8 零件的网格模型 5.创建Blank 1)创建毛坯轮廓 打 开 零 件 Part , 用 工 具 栏 的 “ Surface Mesh/Part Mesh ” 对 零 件 进 行 网 格 划 分 。 选 择 菜 单 栏 “BSE/Preparation”命令,选择 “Blank Size Estimate”按钮,设置“Material”选项下的“NULL”

按钮,点击“Material Library”,选择材料“Europe/DX54D”,输入板料厚度“Thickness=1.2”,点 击“Apply”按钮,进行毛坯展开计算,如图9。

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(a)

(b)

(c)

图9 毛坯的展开计算 生成的毛坯轮廓如图10。系统会自动创建OUTLINE零件。在“Parts/Edit Part”下修改零件名称 “OUTLINE”为“Blank”,点击“Modify”按钮,点击“OK”,如图11所示。(注意右下角当前零件不能 为“OUTLINE”,应改为其它零件名,不能对当前零件名进行修改和编辑)。

图10 展开后的毛坯轮廓 图11 编辑毛坯零件名 2) 考虑毛坯余量,扩展毛坯轮廓 选择菜单“Preprocess/Line/Point”,点击“Offset”进行偏移,选择边界轮廓,输入偏移距 离为90mm,扩展后的边界线及其网格模型如图12所示。

图12 扩展后的毛坯轮廓

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3)划分毛坯网格 将右下角的当前零件设为“Blank”,对毛坯进行网格划分。在工具栏选择 “Blank generator”

命令,选择“Boundary line”,此时鼠标变成“+”符号,点击毛坯轮廓线选择,此时轮廓线会呈白色高 亮显示,点击“OK”。输入毛坯网格尺寸“Mesh Size/Element Size=8”,点击“OK”完成,如图13。点 击“Yes”确认网格大小。毛坯划分网格后的模型如图14所示。

图13 毛坯网格尺寸 图14 毛坯的网格模型 6.创建Punch 1)选择菜单“Parts/Create”,输入“Name=Punch”,编辑颜色,点击“OK”。如图15所示。在屏幕 右下方会自动出现“Current Part=PUNCH”。

图15 创建Punch零件 2)创建零件网格 将 “Part” 零件的单元网格显示, “Parts/Add…To Part” 点击 选择 , “Elements” 按钮, “Displayed” 选择 , 此时当前的零件网格会呈白色高亮状态,点击“OK”确认。将所选网格加入到“To Part:PUNCH”,点击 “…”选择刚创建的“PUNCh”,确认后关闭对话框,如图16所示。此时“Part”零件的单元网格被添加 到“Punch”零件中。如图2-16所示。此时 “Part” 零件只剩下Surfaces。

图16 Punch的网格模型
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3)PUNCH网格模型的法线方向检查 点击菜单栏“Preprocess/Model Check/Repair”命令,点击 “Auto Plate Normal”按钮进行

法线方向检查。选择其中任一单元,观察法线方向,点击“YES”或“NO”按钮。注意,法线方向的设置 总是由工具指向与坯料的接触面,如图17。

图17 Punch的法线方向检查 4)网格边界检查 点击菜单栏“Preprocess/Model Check/Repair”命令,点击 “Boundary Display”按钮进行边

界检查。通常只允许除边缘轮廓边界呈白色高亮显示外,其余部位均保持不变。如图18。如果其余部分的 网格有白色高亮显示,则说明在白色高亮处的单元网格有缺陷,须进行修补或重新网格划分。修补可点击 “Gap Repair” 按钮。 完成边界检查后, 若网格边界无缺陷, 可点击工具栏中的 清除边缘轮廓高亮显示部位。 “Clear Highlight” ,

图18 网格模型的边界检查 7. 创建凹模DIE 1)偏置得到DIE的单元网格 选择菜单“Parts/Create”,输入零件名称“Name”为凹模“DIE”,则右下角的当前零件自动变为 “DIE” 打开零件 。 “Punch” 选择菜单 , “Preprocess/Element” 下的 “Offset” 命令, “In Original 关闭

Part”复选框,使得新生成单元放置在当前零件中,关闭“Delete Original Element”复选框,保留原 始零件中的单元。“Copy Number”为1,板料厚度“Thickness”的设定值为1.32(即为1.1t,其中t为板 料厚度)。显示“Select Element”对话框,点击“Displayed”,则所有被选单元呈白色高亮显示,点 击“OK”返回,则复制后的单元自动生成到“DIE”中。关闭零件“Punch”显示。新建的DIE的网格模型 如图19所示。
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图19 偏置得到的DIE的网格模型 8. 创建BINDER 1) 设置Die为工具 选择菜单栏“DFE/Preparation”的“Define”命令下,将“Tool/Tool Name”下添加“DIE”为工具。 选择“DFE/Binder”,在“Create”命令下选择“Binder Type”为“Flat Binder”,并输入“Binder Size” 的尺寸,点击“Apply”,如图20所示。此时右下角自动创建新零件“C_BINDER”,关闭零件“DIE”的显 示,生成的压边圈轮廓表面如图21所示。

图20 创建BINDER过程图

图21 压边圈的轮廓表面

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2) 划分网格 在工具栏“Surface Mesh”下选择“Tool Mesh”,输入最大网格尺寸为20mm,选择压边圈的轮廓表 面,点击“Apply”和“YES”,关闭右下角的Surfaces显示,则得到如图22的压边圈网格模型。

图22 C_BINDER的网格模型 3)调整BINDER与DIE的位置 打 开 零 件 “ DIE ” 与 “ C_BINDER ” 的 显 示 , 在 工 具 栏 选 择 视 图 “ X-Z VIEW ” 视 图 。 选 择 菜 单 “Utilities/Distance between nodes/points”,选择Die上任一节点和压边圈的任一节点,测量两节点 之 间 在 Z 方 向 上 的 距 离 , 如 图 23 所 示 , DZ=47.034mm 。 选 择 菜 单 “ Preprocess/Element ” 下 的 “Transform” 选项, “Translate” 在 下框选 “Move” 在 , “Direction” 下框选 “Z Axis” 输入 , “Distance” 的值为DX的值, 即-47.034mm, 使凹模向Z的负方向下移47.034mm。 选择Die的所有单元, “OK” “Apply” 点击 和 , 退出对话框。调整后DIE与BINDER的位置如图24所示。

图23 DIE与C_BINDER在Z向的距离

图24 调整位置后的DIE与C_BINDER 3)切除DIE与C_BINDER重合区域,得到实际的压边圈轮廓 选择菜单“DFE/Modification”,点击 “Binder Trim”,选择“Boundary”下的“Outer”,

点击“Select”,选择剪切线,如图25所示。点击“Apply”和“Yes”,得到如图26所示的压边圈Binder 和DIE。

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图25 去除DIE与C_BINDER重合区域的剪切线

图26 剪切后的DIE与C_BINDER 4)偏置C_BINDER单元,创建实际BINDER 为创建DIE的工艺补充面,可将剪切后C_BINDER的轮廓作为DIE的工艺补充面。此时须将C_BINDER单元 偏置重新创建BINDER单元。 关闭零件 “DIE” 显示, 在菜单栏 “Parts/Create” 输入新零件名称为 “BINDER” , 则右下角会自动显示当前零件名为“BINDER”。选择菜单栏“Preprocess/Offset Elements”,输入 “Thickness”值为1.1t,即1.32mm,选择C_BINDER当前Displayed单元,点击“Apply”,退出对话框, 则偏置后的C_BINDER单元自动添加到零件BINDER中,实际压边圈BINDER的网格模型如图27所示。关闭 BINDER显示。

图27 实际压边圈的网格模型 5)打开零件“DIE”的显示,选择菜单栏“Parts/Add…To Part”,将C_BINDER单元添加到零件“DIE” 中,点击“Apply”,关闭对话框。则创建工艺补充面后的DIE的网格模型如图28所示。
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图28 创建工艺补充面后DIE的网格模型 9. 网格模型检查 1)将零件设为当前零件,选择菜单栏“Preprocess/Model Check/Repair”命令,点击“Auto Plate Normal”按钮,选择零件的任意网格,观察其法线方向,点击“YES”或“NO”按钮,直至确定网格法线 方向。注意,法线方向的设置总是由工具指向与坯料的接触方向。对于毛坯BLANK而言,无须对其法线方 向进行检查。 2)网格模型的边界检查 通常只允许零件的外轮廓边界呈白色高亮,其余部位均保持不变。如果其 余部分的网格有白色高亮显示,则说明在白色高亮处的单元网格有缺陷,须对有缺陷的网格进行相应的修 补 “Gap Repair” 或重新进行单元网格划分。 完成边界检查后, 若网格边界无缺陷, 可点击工具栏中的 “Clear Highlight”,将白色高亮部分清楚。 10. 10.参数设置 1) 定义工具与毛坯 (1)工具的定义 选择菜单栏“Tools/Define Tools”命令,在“Tool Name”的下拉菜单中分别选 择工具名Die,点击“Add”按钮,选择零件Die,点击“OK”。不关闭该对话框,继续定义Punch和Binder, 点击“OK”关闭对话框。如图29所示。

图29 工具的定义
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(2)毛坯Blank的定义 选择菜单栏“Tools/Define Blank”命令,点击“Add”按钮选择“Blank”, 点击“OK”。在“Material”选项下点击“None”按钮,在“Material Library”选择“Europe/DX54D” 的材料, “Type”为36,点击“OK”。在“Property”选项下点击“None”按钮,默认“Name”为“PQS1”, 输入“UNIFORM THICKNESS”值为板料的厚度为1.2,其余采用默认值,点击“OK”返回。参数设置如图30 所示。

图30 毛坯的参数设置 2) 工模具零件自动定位 选择菜单栏 “Tools/Position Tools/Auto Position” 命令, “Master Tools(fixed)” “Blank” 在 选择 , 在“Slave Tools”下选择PUNCH、DIE和BINDER,输入“Contact Gap”的值为板料厚度的1/2,即0.6mm, 点击“Apply”。定位后毛坯与工具的位置如图31所示。

图31 工模具零件自动定位
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3) 测量PUNCH与DIE之间的最小距离,计算PUNCH拉深深度 选择菜单栏“Tools/Position Tools/Min. Distance”命令,在“Select Mater Tools”选择“Punch”, 在“Select Slave Tools”选择“DIE”,在“Direction”下选择Z方向,测得“Distance”为41.919mm。 由于零件模型采用中性层建模,实际的冲头冲程需考虑板料厚度。因此实际的拉深深度=测得的距离-板料 厚度t,即41.919-1.2=40.719mm。

图32 测量PUNCH与DIE的最小距离 4) 定义PUNCH冲程与BINDER压边力大小 (1) PUNCH运动参数设置 在菜单栏“Tools/Define Tools”下选择“Tool Name”为“Punch”,点击 “Define Load Curve”按钮,出现“Tool Load Curve”对话框,选择默认的“Curve Type”为“Motion”, 点击 “Auto” 按钮, “Motion Curve” 出现 对话框, “Velocity” 输入 选择 , “Velocity” 的值为5000 (mm/s) , 实际冲头速度要小,主要是为了提高计算速度。输入“Strok Dist.”的值为40.719,即PUNCH拉深深度, 点击“OK”返回。如图33所示。

图33 PUNCH运动参数设置
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(2)设置BINDER压边力大小 初始压边力可采用公式:F=Q·A来计算。其中Q为A为压边圈与毛坯实际接触的面积, 关闭其它零件的显示,只显示压边圈BINDER。在菜单栏“Utilities/Area of Selected Elements” 命 令 下 选 择 BINDER 所 有 单 元 网 格 , 点 击 “ OK ” , 则 在 下 方 的 命 令 栏 中 出 现 BINDER 的 面 积 大 小 为 2 2 411471.00(mm ),约为0.412m 。查找工艺手册,Q一般为2~2.5MPa,试选Q=2.4MPa,则初始压边力 6 F=0.412*2.4*10 =988800N,约为1000000N。参数设置如图34所示。

图34 Binder压边圈面积计算 在菜单栏“Tools/Define Tools”下选择“Tool Name”为“Binder”,点击“Define Load Curve” 按钮, “Tool Load Curve” 出现 对话框, “Curve Type” “Force” 点击 选择 为 , “Auto” 按钮, “Force/Time 出现 Curve”对话框,输入“Force”的值为1000000(N),如图35所示。压边力曲线如图36。点击“OK”返回。

图35 BINDER压边力设置对话框
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图36 BINDER压边力载荷曲线 5)选择拉深类型 选择菜单栏 “Tools/Analysis Setup” 命令, “Draw Type” 在 的下拉菜单下选择双动 “Double action” , 输入“Contact Gap”值为t/2,即0.6mm,如图37所示。点击“OK”返回。

图37 拉深类型的设置 6)工模具运动规律的动画模拟演示 在菜单栏选择“Tools/Animate”命令,点击“Play”按钮,可以观看工具运动的动画模拟演示。通 过观察动画,可以判断工模具设置是否正确合理。如图38所示。

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图38 “Animate”对话框 二、求解计算 在提交计算前, 先保存好已经设置的文件。 再在菜单栏中选择 “Analysis/LS-DYNA” 命令。 “Analysis 在 Type”的下拉菜单下选择“Full Run Dyna”,求解器开始在后台进行计算。选择“Specify Memory”, 将“ Memory(Mb)”的值改为 1000Mb。其余 默认值不 变。选择 点击“ Control Parameters”按钮, 在 “TIMESTEP(DT2MS)”中将“-1.200000E-006”改为“-1.200000E-007”,以减小计算过程中的质量增量, 提高计算的精确度。点击“OK”返回。如图39所示。再次点击“OK”开始进行计算。

图39 求解参数的设置
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三、后处理 计算后的结果文件为*.d3plot。点击菜单栏“PostProcess”命令,进入DYNAFORM后处理程序。在菜 单中选择“File/Open”菜单项,选择*.d3plot文件。可观察成形零件的成形极限图、厚度分布云图、应 力应变等结果信息。

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