方盒件拉深成形问题的有限元分析

论文摘要

拉深成形是金属板料成形加工的一种主要手段,所生产零件由于轻质、互换性好、成本低而被广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。传统的成形方案设计往往依赖于设计者的经验,这就导致了各工艺参数需要进行反复的调整与修改。随着计算机与数值模拟技术的发展,有限元方法在板料拉深成形中也得到了广泛的应用,但是,板料拉深成形涉及到材料、几何、边界非线性,对该问题进行精确地数值模拟难度依然较大。因此,以有限元方法为基础,研究工艺参数对成形过程的影响规律,并进一步寻求最优工艺方案具有理论和实践的双重意义。本文通过对有限元数值模拟理论的深入探讨和研究,推导了目前最常用的Hill’48屈服准则下的弹塑性本构关系,同时指出了显式动力算法,BWC壳单元,接触算法中的罚函数法是板料拉深成形数值模拟的首选。在以上理论的基础上,本文采用ABAQUS通用有限元分析软件,针对NUMISHEET’93标准考题方盒件,建立了三维有限元模型,对其进行了数值模拟,通过与实验结果在几何形状、应变分布两方面的对比分析,验证了该模型的准确性。随后,本文从拉裂与起皱、厚度分布、应变分布、模具成形力、成形极限图等多个角度依次分析了冲头速度、压边力、摩擦系数、凹模圆角半径以及模具间隙对方盒件拉深成形结果的影响,研究了各工艺参数的主要影响区域与影响规律,为实际生产中工艺方案的调整提供了依据。最后,本文进一步提出了用于评价板料拉裂与起皱趋势的局部评价函数,并基于局部评价函数提出了用于评价板料整体性能的评价函数。利用均匀设计方法与数值模拟相结合的手段,以该函数为评价指标对方盒件拉深成形进行了分析,找到了最优工艺参数组合,验证了该方法的合理性与有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景目的和意义
• 1.2 国内外研究综述
• 1.2.1 板料拉深成形数值模拟技术的发展
• 1.2.2 板料拉深成形参数优化技术的发展
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 板料拉深成形有限元分析的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 本构模型
• 2.2.1 大变形弹塑性本构关系的一般式
• 2.2.2 Hill厚向异性屈服准则下的本构关系
• 2.3 求解算法
• 2.3.1 动态显式算法的特点
• 2.3.2 显式求解格式
• 2.4 壳单元
• 2.4.1 BLT壳单元
• 2.4.2 BWC单元
• 2.5 接触摩擦计算
• 2.6 成形极限图
• 2.6.1 成形极限图的应用
• 2.6.2 利用经验公式获得FLC的左半部分
• 2.7 本章小结
• 第3章 方盒件拉深成形问题的有限元建模
• 3.1 引言
• 3.2 方盒件拉深成形有限元建模关键问题处理
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.2 模型的装配
• 3.2.3 材料模型的建立
• 3.2.4 网格的划分
• 3.2.5 接触摩擦的处理
• 3.2.6 约束与载荷的施加
• 3.2.7 拉裂准则
• 3.2.8 起皱判据
• 3.3 模型的验证
• 3.3.1 计算条件
• 3.3.2 动力效应与沙漏效应
• 3.3.3 与试验结果的对比
• 3.4 本章小结
• 第4章 工艺参数对方盒件拉深成形结果的影响
• 4.1 引言
• 4.2 冲头速度
• 4.2.1 冲头速度对成形结果的影响
• 4.2.2 虚拟冲头速度的合理性
• 4.2.3 冲头速度对成形力的影响
• 4.3 压边力
• 4.3.1 压边力对成形结果的影响
• 4.3.2 压边力对成形力的影响
• 4.4 摩擦系数
• 4.4.1 摩擦系数对成形结果的影响
• 4.4.2 摩擦系数对成形力的影响
• 4.5 凹模圆角半径
• 4.5.1 凹模圆角半径对成形结果的影响
• 4.5.2 凹模圆角半径对成形力的影响
• 4.6 模具间隙
• 4.6.1 模具间隙对成形结果的影响
• 4.6.2 模具间隙对成形力的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 方盒件拉深成形性能的量化评价与选优方法
• 5.1 引言
• 5.2 拉裂的评价函数
• 5.3 起皱的评价函数
• 5.4 两种评价函数的验证
• 5.5 整体性能的评价函数
• 5.6 基于均匀设计法的选优方法
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢