离散压边多点成形实验及其数值模拟研究

作     者：居飞飞 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李明哲;刘卫国

授予年度：2016年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：整体压边 离散压边 压边块 数值模拟 

摘      要：板材冲压成形具有尺寸精度高、产品质量稳定、加工时间短、生产效率高和易于实现自动化等优点,在工业生产中用来成形汽车、飞机的蒙皮件等。冲压成形中,坯料凸缘部分由于失稳会产生起皱缺陷。通常情况下,通过设置压边装置可以有效抑制起皱。但是当成形件形状复杂、变形量较大时,由于深度不一样,各个位置坯料流动量是不均匀的。在压边圈的作用下,板材所受的应力不符合自身需要、金属流动受到限制,造成金属堆积或者减少,产生皱纹或者拉裂缺陷。板材离散压边多点成形将整体压边成形与离散思想相结合,用相互独立的压边块代替整体压边装置,通过液压或者机械方式调节压边力的大小,利用离散压边块的自协调运动而柔性成形。采用这种新型的板材柔性成形方法,可以根据成形件各个位置变形量的不同设置压边块,通过调整压边力的大小,有效抑制起皱的发生,得到应力、应变、厚度分布均匀的成形件。本文的主要研究内容和结论如下:1.离散压边多点成形工艺及实验研究提出离散压边多点成形工艺的设计思想和基本原理,对成形工艺进行了系统研究,并指出该技术的成形优势。实验中以球形件为研究对象,与多点模配合使用,采用控制单一变量的方法进行了一系列离散压边多点成形实验。结果表明:在无角部压边、压边块越小、数量越多、间隙越小以及优化压边条组合方式下,可以得到最优成形件。2.离散压边多点成形有限元模型的建立探讨了弹塑性材料的本构关系,主要介绍了材料的屈服准则、流动准则以及硬化准则;研究了薄板大挠度塑性变形的动力有限元分析的基本方程和虚功原理。在有限元理论的基础上,详细介绍了离散压边多点成形的建模过程,包括构建几何模型和材料模型、定义边界条件和接触、划分网格等,为离散压边多点成形数值模拟提供指导。3.整体压边与离散压边多点成形结果的对比以球形件为例,建立了整体压边和离散压边的有限元模型。通过对比分析了两种成形方式的应力、应变、厚度、材料流动以及起皱断裂情况,验证了离散压边多点成形方式的优越性。结果显示:采用离散压边方式所得成形件材料流动合理可控,应力、应变以及厚度变化均匀,由于柔性成形使得成形件压边区域随形,成形质量良好。4.压边块参数对离散压边多点成形结果的影响建立了不同的有限元模型,系统研究了压边块大小、数量以及角部压边对成形结果的影响。研究结果显示:压边块长度越小,应力分布也更加均匀,材料流动越合理,成形件成形深度越接近理论大小;随压边块数量的增加,板材起皱现象得到抑制,成形件应力最大值减小,应力分布更加均匀;无角部压边时成形件应力、应变分布更均匀,成形深度更大。5.力能参数对离散压边多点成形结果的影响以球形件为研究对象,选取了压边力大小、压边力分布以及摩擦系数三个因素进行分析。研究表明:压边力为10MPa时,成形件应力和厚度分布均匀,成形良好;优化压边力分布,成形件应力最大值明显减小,应力、应变分布更加均匀;在0-0.3的合理范围内,随摩擦系数的增加,成形件应力分布区间减小,成形区域内的等效应变最小区域增加,厚度分布更为均匀。