1前言

目前，在大量的零部件制造企業(yè)尤其是汽車零部件行業(yè)，在鈑金的生產(chǎn)制造過(guò)程中，廣泛地使用著沖壓工藝。采用沖壓工藝制作出的零部件隨著壓力移除會(huì)出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致與設(shè)計(jì)尺寸不同，產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。尤其回彈量過(guò)大時(shí)，不僅會(huì)影響零件質(zhì)量，同時(shí)對(duì)于裝配會(huì)產(chǎn)生巨大影響。

目前多數(shù)企業(yè)逐漸開(kāi)始導(dǎo)入CAE仿真環(huán)節(jié)，對(duì)沖壓及回彈過(guò)程進(jìn)行仿真，傳統(tǒng)的方式為采用LS-DYNA進(jìn)行顯—隱式分析，但此方法基于經(jīng)典界面，需要用戶具備深厚的有限元理論知識(shí)，并熟練掌握命令流，同時(shí)還需對(duì)k文件有足夠了解，因此給客戶采用此模塊進(jìn)行沖壓仿真及回彈帶來(lái)了大量阻礙。

因此文中針對(duì)這種現(xiàn)象，介紹了基于Workbench平臺(tái)，使用Explicit-Str模塊進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)及沖壓過(guò)程分析，采用Mechanical模塊進(jìn)行隱式分析及回彈分析的方法，采用此方法不需要用戶掌握大量經(jīng)典界面操作，同時(shí)在不影響精度的前提下大大提高了仿真效率和易用性。

2沖壓及回彈過(guò)程仿真理論基礎(chǔ)

沖壓回彈仿真通常分為兩個(gè)過(guò)程：沖壓過(guò)程仿真(加載)和回彈過(guò)程仿真(卸載)。一般采用顯式算法計(jì)算沖壓過(guò)程，采用隱式算法計(jì)算回彈過(guò)程。

薄板沖壓成型過(guò)程包含了多個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，如板料的彈塑性變形、板料與模具的摩擦、摩擦生熱及熱傳導(dǎo)等，其中板料的彈塑性變形是設(shè)計(jì)者最為關(guān)心的問(wèn)題。由于在薄板沖壓成型過(guò)程中, 模具的剛性通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板料的剛性, 因此模具的變形相對(duì)板料的變形來(lái)說(shuō)極小, 可以忽略不計(jì)。這樣一來(lái), 在沖壓成型過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真中應(yīng)考慮的問(wèn)題就可歸結(jié)為如下幾個(gè)方面:

①板料的大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變條件下的彈塑性變形的描述和計(jì)算;

②板料與模具間法向接觸力的計(jì)算;

③板料與模具接觸面間摩擦的描述及摩擦力計(jì)算;

④模具的幾何描述和運(yùn)動(dòng)計(jì)算;

⑤壓力機(jī)加載過(guò)程的描述和模擬。

從上述過(guò)程中，我們可以知道，如若采用有限元法求出板料的彈塑性變形，其步驟可總結(jié)如下：

(1)、建立沖壓過(guò)程的力學(xué)模型

(2)、在力學(xué)模型基礎(chǔ)上建立有限元分析模型;

(3)、根據(jù)板料變形特性選定殼體單元類型并確定有關(guān)參數(shù);

(4)、根據(jù)板料變形特性選定彈塑性本構(gòu)關(guān)系及有關(guān)參數(shù);

(5)、根據(jù)板料和模具的表面特性及其潤(rùn)滑狀態(tài)選定摩擦定律及參數(shù);

(6)、對(duì)壓板的剛體運(yùn)動(dòng)和板料的彈塑性變形進(jìn)行求解

(7)、將求解的結(jié)果按一定的要求形成文字或圖形文件供后處理系統(tǒng)使用

因此下面對(duì)采用LS-DYNA和采用Explicit-Strmechanical兩種方式的詳細(xì)步驟進(jìn)行分別敘述。

基于LS-DYNA的沖壓及回彈仿真

LS-DYNA中進(jìn)行沖壓及回彈仿真的流程如下：

(1)、求解沖壓過(guò)程的顯式分析

(2)、切換到隱式求解器，并修改當(dāng)前jobname

(3)、將顯式單元切換到隱式單元

(4)、關(guān)閉shpae checking功能

(5)、執(zhí)行update gepmetry，將隱式求解模型更新為顯式求解后的模型

(6)、選擇需要進(jìn)行隱式求解的模型部分

(7)、定義邊界條件

(8)、從顯式分析中導(dǎo)入殼厚度和應(yīng)力分布信息

(9)、進(jìn)行隱式回彈分析

由于該分析中會(huì)用到shell單元，為避免翹曲缺陷，建議選用BWC或BT算法。

基于Explicit-Str及Mechanical的沖壓及回彈仿真

基于Workbench平臺(tái)進(jìn)行沖壓及回彈仿真的流程如下：

(1)、在Explicit-Str中進(jìn)行沖壓過(guò)程顯式動(dòng)力學(xué)分析

(2)、導(dǎo)出厚度分布、應(yīng)力分布信息，保存為csv格式

(3)、在Workbench平臺(tái)中拖拽Mechanical Model模塊、ExternalData模塊，并將Explicit-Str的Solutiion連接到MechanicalModel的Model，將External Data的setup連接到Mechanical Model的Model

(4)、將厚度分布的csv文件讀入External Data模塊中

(5)、新建Static Structural模塊，將Mechanical Model模塊的Model與StaticStructural模塊的Model連接

(6)、新建External Data模塊，讀入應(yīng)力分布的csv格式文件，將其連接到StaticStructural模塊的setup模塊

(7)、進(jìn)行回彈分析

3沖壓及回彈仿真案例

問(wèn)題描述：針對(duì)如下模型，模擬沖壓過(guò)程，具體工況設(shè)置為：Bottom Die為固定，將Top Die向下壓25.4mm。其中由于TOP DIE和Bottom die剛度較大，并且我們主要關(guān)心Blank變形情況，因此將Bottom Die和Top Die設(shè)置為剛體，同時(shí)由于模型及邊界條件均符合對(duì)稱條件，因此文中取1/4對(duì)稱模型。

其中Blank材料為AISI 304 Stainless，該材料特性為溫度相關(guān)特性，材料本構(gòu)模型選取為Bilinear Isotropic Hardening，具體參數(shù)如下所示：

根據(jù)前面所述在Explicit Str中進(jìn)行沖壓仿真的流程，在Workbench平臺(tái)下建立如下的工作流程：

具體分析過(guò)程如下：

①點(diǎn)擊進(jìn)入Explicit Str模塊 的C4 Model選項(xiàng)，分配材料屬性;

②由于該模型取1/4，需設(shè)置對(duì)稱邊界條件;

③顯式動(dòng)力學(xué)中一般不使用隱式中常用的接觸對(duì)方式，而使用通用接觸技術(shù);

④根據(jù)該模型特征，對(duì)其進(jìn)行映射劃分，同時(shí)網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2.5mm

⑤Analysis settingi中，設(shè)置end time為2.5e-2s;

⑥對(duì)Top Die施加向下25.4mm位移，并考慮重力影響;

⑦進(jìn)行計(jì)算，得到?jīng)_壓結(jié)束后的Blank狀態(tài);

⑧進(jìn)行如下設(shè)置Tools——Options——Export——Include Node Location——Yes，確保輸出的厚度文件及應(yīng)力文件中包含節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息;

⑨在后處理中插入Thickness、三個(gè)方向的Normal Stress、Shear Stress，并右鍵Export，將導(dǎo)出的Excel文件另存為csv格式;

⑩在F項(xiàng)的External Data中讀入Thickness的csv文件，并刷新;

⑪點(diǎn)擊D項(xiàng)的D3 Model，在import Thickness右鍵Import，得到?jīng)_壓完成后的Blank厚度分布圖;

⑫在G項(xiàng)的External Data中讀入各方向的應(yīng)力csv文件，并刷新;

⑬點(diǎn)擊E項(xiàng)的E4 setup，設(shè)置邊界條件，由于該模型為對(duì)稱邊界條件，因此進(jìn)行如下設(shè)置;

⑭使用import load選項(xiàng)，右鍵import應(yīng)力分布;

⑮點(diǎn)擊solve求解，得到回彈分析結(jié)果。

4 總結(jié)

通過(guò)以上介紹，以Workbench平臺(tái)為依托，利用Explicit Str和Mechanical能夠快速方便的實(shí)現(xiàn)沖壓及回彈仿真，避免了采用傳統(tǒng)的LS-DYNA經(jīng)典界面需要掌握大量命令流及理論的弊端，使工程設(shè)計(jì)人員能夠快速進(jìn)行薄板件的沖壓及回彈仿真。

ANSYS軟件通過(guò)完整的材料本構(gòu)關(guān)系、求解能力，為沖壓及回彈仿真提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，因此設(shè)計(jì)人員可以以此進(jìn)行沖壓及回彈仿真，為沖壓工藝參數(shù)的設(shè)置提供參考依據(jù)，從而合理優(yōu)化沖壓工藝。