1610.镁合金薄板成形过程有限元模拟——镁合金筒形件拉深成形过程的数值模拟 论文正文.doc

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1、本科生毕业论文毕 业 论 文镁合金薄板成形过程有限元模拟镁合金筒形件拉深成形过程的数值模拟 Magnesium Alloy Sheet Forming process finite element modelingNumerical simulation of Forming process during Deep Drawing of Barrel Type Piece Magnesium Alloy专 业： 机械设计制造及其自动化 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 摘 要冲压工艺在现代制造业中，特别是汽车、摩托车、轻工、家电和电器仪表行业应用非常广泛，是目前材料成形及模具技术领域最热门的

2、工艺方法之一。变形镁合金在以上领域的应用越来越广泛。本文主要研究镁合金筒形件拉深成形过程的数值模拟。近年来，随着计算机技术和有限元分析技术的飞速发展，金属板料冲压成型过程的计算机模拟技术正逐渐从实验研究走向实际生产。本文主要阐述了怎样利用有限元软件DYNAFORM，对镁合金筒形零件在冲压过程中出现的缺陷问题进行数值模拟及实验研究，分析了不同参数下的各个变形过程。分析结果表明，镁合金板料拉深成形的深度越大，越容易拉裂；取合适的压边力、合适的坯料大小可以有效减少起皱；同时润滑条件对起皱的影响也很大，有效的润滑可以减少起皱；模具圆角的大小也对板料成形有影响，合理的圆角大小可以消除起皱、拉裂等现象；坯

3、料相对厚度越小，起皱越严重。通过数值模拟分析，制定合适的变形参数和有效的润滑条件,可以加强板料成形的合理性。这对实际生产具有指导意义，从而也可以提高产品质量。关键词：镁合金筒形零件；冲压；有限元；DYNAFORM软件 引 言一、 研究工作的目的镁合金是在工程应用中密度最低的金属结构材料，具有高比强、高比模、高阻尼、电磁屏蔽以及优异的铸造、切削加工性能和易回收等优点，在汽车、电子、航空航天、国防等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”。随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富而日益受到重视。目前镁及其合金材料的研究已成为世界性热点。我国镁资源极其丰富，镁工业

4、发展迅速。本课题基于镁合金的成形机理，利用有限元分析软件DYNAFORM来模拟镁合金筒形件拉深成形过程，分析该过程中产生的起皱现象以及如何优化各个参数以消除起皱现象，达到完美的拉深效果，更好的应用于实际生产当中，具有很大的实际应用意义。二、研究工作的范围以及相关领域本课题研究的范围广，设计的相关领域颇多，主要包括板料的冲压成型技术、有限元的数值模拟分析和DYNAFORM软件的应用与分析等等。1、冲压技术发展的特征近十多年来，随着对发展先进制造技术的重要性获得前所未有的共识，冲压成形技术无论在深度和广度上都取得了前所未有的进展，其特征是与高新技术结合，在方法和体系上开始发生很大变化。计算机技术、

5、信息技术、现代测控技术等冲压领域的渗透与交叉融合，推动了先进冲压成形技术的形成和发展。纵观上世纪的发展历程可见： 1）冲压性能的研究和改进是与冲压技术的发展相辅相承的。2）汽车、飞机等工业的飞速发展，以及能源因素都是冲压技术发展的主要推动力。进入新世纪，环境因素及相关的法律约束日益突出，汽车轻量化设计和制造成为当前的重要课题。3）成形过程数字化仿真技术的发展，推动传统冲压技术走向科学化，进入先进制造技术行列。4）冲压技术的发展涉及材料、能源、模具、设备等各方面。工艺方法的创新及其过程的科学分析与控制是技术发展的核心；模具技术是冲压技术发展的体现，是决定产品制造周期、成本、质量的重要因素。冲压技

6、术的发展与材料和结构密切相关。预计未来10-15年，环境要求和日益严格的环保法律，将促使汽车材料和结构发生很大变化。为了减少城市的排放量，汽车力求轻量化，其最突出的发展方向是提高所用材料的比强度和比刚度及发展高效的轻量化结构。现代车身结构中，高强度钢约占25%。目前在继续开发超高强度钢的同时，结合发展新的“高效结构”和制造技术，争取使车身重量减少20%以上。但更引人关注的努力方向是扩大铝、镁等低密度合金材料在汽车上的应用。2、板料成形模拟技术在工业中的作用 一般说来，板料成形有限元软件可以对薄板成形件的成形结果进行分析、评价，帮助工程师进行产品工艺可行性研究和模具设计制造，优化板料成形工艺，优

7、化成形参数，对新材料的评估，对产品的设计开发提出修改建议。有限元模拟的作用大致可以归纳如下: (1)缩短模具制造周期 从制件的构形设计、模具设计、调试直至投产的整个周期来看，模具制造是影响整个进度的关键，通过使用有限元模拟技术，能有效提高模具设计，特别是工艺设计的可靠性，缩短调试周期。通过模拟，找出影响因素(如压边力、润滑等)的变化趋势，指导模具生产的进行。 (2)节省费用 有限元模拟引人各种材料参数和工艺参数，对冲压工艺进行全面而且有效的评估，从而减少发生工艺设计不合理的机会，缩短调试周期，减少修模次数，减少模具设计和制造费用。减少模具报废也是节省费用的一个方面。有时，还可以取消软模试验。

8、(3)提高零件的质量和使用性能 保证零件的形状和尺寸精度，有效地控制成形中材料的塑性变形程度，从而控制材料的塑性硬化程度，改善零件在使用中的力学性能。 (4)降低零件废品率 为零件成形找到合适的生产工艺，保证零件成形的进行。 (5)合理的选用成形材料根据模拟分析结果，获取生产材料所需的各项力学性能指数，合理的选用成形材料;用计算机模拟技术进行毛坯尺寸的准确计算，减少不必要的原材料浪费，从而降低成本。3、DYNAFORM软件的功能DYNAFORM是美国（Engineering Technology Associates Inc.）ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板材成形过程的专用软件。它集

9、成了DYNAFORM本身功能强大的前处理功能和Eta-Post后处理软件以及LSTC公司开发的有限元动力显示求解器960和970。DYNAFORM的求解器LS-DYNA是采用显隐结合的算法进行板材成形模拟的最具有代表性的软件，在模拟冲压成形过程中，计算稳定，效率高。LS-DYNA是目前业界公认的板料成形模拟结果准确性最好的软件之一。DYNAFORM的后处理功能使用户可以用云图显示板材变形后的应力、应变信息，材料的厚度分布信息等。作为一款专用的板材成形软件，DYNAFORM可以预测成形过程中板；料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计工作提供帮助，帮助模

10、具设计人员显著减少模具的开发设计时间及试模周期。 三、研究工作的主要路线本课题主要利用 DYNAFORM软件有限元法对板料冲压成形过程进行有限元法的定量分析和数值模拟，分析镁合金筒形零件成形过程并解决在成形过程中出现的缺陷。1文献综述1.1 冲压技术的现状和发展趋势近十多年来，随着对发展先进制造技术的重要性获得前所未有的共识，冲压成形技术无论在深度和广度上都取得了前所未有的进展，其特征是与高新技术结合，在方法和体系上开始发生很大变化。计算机技术、信息技术、现代测控技术等冲压领域的渗透与交叉融合，推动了先进冲压成形技术的形成和发展。冲压技术的真正发展，始于汽车的工业化生产。20世纪初，美国福特汽

11、车的工业化生产大大推动了冲术的研究和发展。研究工作基本上在板料成形技术和成形性两方面同时展开，关键问题是破裂、起皱与回弹，涉及可成形性预估、成形方法的创新，以及成形过程的分析与控制。但在20世纪的大部分时间里，对冲压技术的掌握基本上是经验型的。分析工具是经典的成形力学理论，能求解的问题十分有限。研究的重点是板材冲压性能及成形力学，远不能满足汽车工业的需求。60年代是冲压技术发展的重要时期，各种新的成形技术相继出现。尤其是成形极限图（FLD）的提出，推动了板材性能、成形理论、成形工艺和质量控制的协调发展，成为冲压技术发展史上的一个里程碑。 由于80年代有限元方法及CAD技术的先期发展，使90年代

12、以数值模拟仿真为中心的和计算机应用技术在冲压领域得以迅速发展并走向实用化，成为材料变形行为研究和工艺过程设计的有力工具。汽车冲压技术真正进入了分析阶段，传统的板成形技术开始从经验走向科学化。冲压成形技术的发展趋势进入90年代以来，高新技术全面促进了传统成形技术的改造及先进成形技术的形成和发展。21世纪的冲压技术将以更快的速度持续发展，发展的方向将更加突出“精、省、净”的需求。冲压成形技术将更加科学化、数字化、可控化。加入WTO以后，中国的汽车工业、航空航天工业等支柱产业必将有大的发展。我国的冲压行业既充满发展的机遇，又面临进一步以高新技术改造传统技术的严峻挑战。国民经济和国防建设事业将向冲压成

13、形技术的发展提出更多更新更高的要求。我国的板料加工领域必须加强力量的联合，加强技术的综合与集成，加快传统技术从经验向科学化转化的进程。加速人才培养，提升技术创新能力，提高冲压技术队伍的整体素质和生产企业的竞争力。1.2 有限元算法和模拟 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 1.1.1有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下： 1、物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元

14、于单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 2、单元特性分析 1）选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易

15、于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。2）分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 3）计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上得力。 3、单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成