锻压技术：数值模拟冲压成型过程计算机仿真的原理及步骤

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　　薄板冲压成型过程包含了多个复杂的物理过程，如板料的弹塑性变形过程，板料与模具的摩擦磨损过程，摩擦生热及热传导过程，冲击声波的传输过程等。所有这些过程都有一定的相互关系，只是程度不同而已，如模具磨损与摩擦过程的关系密切，而与冲击波的产生和传递关系极小。在所有的这些物理过程中，我们最关心的是板料的弹塑性变形过程，与这个过程紧密相关的有：①模具与板料的接触与摩擦过程；②模具和压板的运动过程；③压力机加载过程等。

　　由于在薄板冲压成型过程中，模具的刚性通常远远大于板料的刚性，因此模具的变形相对板料的变形来说极小，可以忽略不计。在冲压成型过程计算机仿真中应考虑的问题就可归结为如下几个方面：①板料的大位移、大转动和大应变条件下的弹塑性变形的描述和计算；②板料与模具间法向接触力的计算；③板料与模具接触面间摩擦的描述及摩擦力的计算；④模具的几何描述和运动计算；⑤压力机加载过程的描述和模拟。

　　归纳上述分析，可将薄板冲压成型过程抽象成这样一个力学过程，它包含四种特性不同的运动物体，如图1所示，其中物体1为上模，物体2为压板，物体3为板料，物体4为下模。在这四种物体中，板料为弹塑性变形体，其余三种均可作为刚体看待，但三种刚体的运动特性各不相同。上模作为对板料加载的主动体其运动状态主要由压力机控制，按一定的频率作上下往复冲压运动。压板在压边力作用下基本固定不动，但当压边力不够时工件可能在压边处产生起皱，从而使压板作小幅度的上升运动和轻微的转动，同样当压板处板料厚度减小时，压板可能作轻微的下降运动。由此可见，压板的运动严格说来与板料的变形状态有关。下模通常是固定不动的。基于上面的分析可假设上模和下模的运动是给定的，压板上的压板力也看作是给定的，并且压板只作刚体运动。这样一来薄板冲压成型的计算问题就可粗略地表达为如下力学问题：

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　　给定：①上模、下模和板料的几何特性；②上模的运动特性；③压板的质量分布；④板料的初始几何特性；⑤板料的弹塑性变形特性；⑥板料与上模、下模及压板间的摩擦特性，求出板料的弹塑性变形过程。

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　　图1薄板冲压成型的典型力学模型

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1-上模(动模)；2-压板；3-板料；4-下模(定模)

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　　要求出板料的弹塑性变形过程，就必须求解作用在板料上的各种外力。从受力分析可知，作用于板料上的外力主要有三个来源，如图2所示，其中F1为压板对板料的作用力；F2为上模对板料的作用力；F3为下模对板料的作用力。上述作用力中又包括法向接触力和切向摩擦力，其中切向摩擦力又与法向接触力以及两接触表面间的摩擦系数有关。除了上面提到的接触力和摩擦力外，板料还受到重力的作用，但由于重力与作用在板料上的接触力和摩擦力相比小得多，对于小零件可忽略不计。对于汽车覆盖件这类大零件，重力作用应予考虑。

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　　图2作用在板料上的外力(重力未计入)

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F1=压板对板料的作用力 F2=上模对板料的作用力 F3=下模对板料的作用力

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　　从上述分析可知板料的弹塑性变形是由于接触力和摩擦力所引起的，而这两种力又与两接触表面的相对运动有关。因此，要计算出作用在板料上的接触与摩擦力还必须掌握模具和压板的运动情况。上面已假设上模和下模的运动都是给定的，而压板只作刚体运动。这样一来，只需求出压板在压板力和板料对压板的反力综合作用下的刚体运动即可。应当指出，压板的刚体运动与板料的弹塑性变形是相互耦合的，因此必须同时求解。压板的刚体运动通过运用刚体动力学理论即可求得，而板料的弹塑性变形则需采用有限元方法求解，其步骤可归纳如下：⑴建立冲压过程的力学模型；⑵在力学模型基础上建立有限元分析模型；⑶根据板料变形特性选定壳体单元类型并确定有关参数；⑷根据板料变形特性选定弹塑性本构关系及有关参数；⑸根据板料和模具的表面特性及其润滑状态选定摩擦定律及参数；⑹对压板的刚体运动和板料的弹塑性变形进行求解，这是一个较复杂的过程，其中包括如下主要内容：①确定当前状态下的接触边界；②计算当前状态下接触面上的接触力；③计算当前状态下接触面上的摩擦力；④计算当前变形状态对应的内应力；⑤计算当前应力状态所对立的单元节点力；⑥计算各节点的内外力矢量和；⑦计算节点的加速度，并以此为基础计算节点的速度和位移；⑧计算压板的刚体运动。

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　　上述步骤的顺序在实际中可予调整，并且有些步骤也可能要同时进行，如用拉格朗日乘子法计算接触力时7和8将同时进行。⑺将求解的结果按一定的要求形成文字或图形文件供后处理系统使用。

　　板料的弹塑性变形过程全部求出后就可通过后处理软件将变形过程进行图形显示，显示的内容可包括：

　　①变形网格图；②渲染变形图；③应力应变分布云图或等值线图；④厚度分布云图或等值线图；⑤局部或节点位移、速度、加速度变化曲线；⑥摩擦力分布图等。

　　为了便于工程应用，还可设计出专门的程序将一些计算结果转化为其他工程信息，如根据变形状态反算出板料的最佳毛坯形状、尺寸或工件的回弹分布等。