分享：基于有限元分析的板料形状对S梁拉深的影响

摘要：基于DYNAFORM动力显式有限元分析软件，将数值模拟技术应用于s梁的坯料优化过程，研究了不同的毛 坯形状、尺寸对s梁拉深的成形极限图、厚度分布、减薄率的影响。通过对比分析不同的坯料成形模拟结果，确定较 为合理的毛坯形状尺寸。研究结果表明：方式1是不可取的，而方式2能很好地成形出合格零件，最大减薄率为 16．6％，最大增厚率为1．8400。在法兰处可以适当添加拉延筋以缓解起皱趋势。 

关键词：数值模拟；毛坯形状；拉深；拉裂

毛坯形状和尺寸的确定是板料深拉深成形的 一个重要前提。合理的毛坯外形可以提高拉深工 件的最小厚度，改善成形性能，随着拉深高度的增 加，这种改善效果更加明显[1]。此外，采用合理的毛 坯形状，往往能够使某些需要二次拉深才能成形 的制件，用一次拉深便可达到制件要求的高度瞳]。 由于板料冲压成形技术的复杂性，单纯采用试验 或理论解析方法难以准确、高效地解决生产实际 问题，而随着计算机和有限元技术的发展，成形过 程数值模拟精度有了很大提高，已成为研究板料 冲压成形工艺的强有力的工具。 

本文以S梁的冲压成形工艺过程为例，基于DYNAFORM软件研究了冲压成形工艺过程数值模拟 的实现。采用不同的板料形状拉深，对比分析其成 形模拟结果，确定较为合理的毛坯形状尺寸，并对 模具及工艺设计提供参考意见，对成形工艺合理 设计有着十分重要的指导意义。 

1零件毛坯形状、尺寸的初步确定

零件毛坯形状、尺寸的初步确定 S梁所用的材料是热轧钢DQSK，型号为36 号，料厚是imm，在UG中对零件的最终形状进行建 模，零件的形状如图1所示。再输出*igs格式文 件，然后在板料成形分析软件中输入几何模型[3--N。 

为了能够对比分析不同的坯料形状、尺寸对成形结果的影响，从而通过对不同坯料形状的S 梁拉深过程分析，寻求一种可行的坯料形状，并对 拉深缺陷产生的位置及程度预测，提出模具、工艺 的设计意见。本文初步确定两种毛坯，毛坯l的长 度为毛坯2的两倍，两者宽度一样，如图2所示。 

2计算模型

板材为DQSK钢，36号类型，呈各向异性，平面 应力状态，密度p=7．85T／m3，弹性模量E= 2．070000E+11N／m2，泊松比u=0．28；单元类型为 Belytschko—Tsay壳单元。模拟中模具划分为刚性 单元，材料模型符合Barlat屈服准则，摩擦系数 设为0．1，符合库仑摩擦定律。

几何模型如图3所示：均由凸模、凹模、压边 圈、板料组成。 

3计算结果 

3．1板料形状1的计算结果

图4是拉深过程中的板料厚度变化图。可以 看出：成形开始时，在S梁两端部直壁处材料开始 变薄，而在内角处及其周围法兰处材料增厚，如图 4a所示。随着凸模的下行，变薄及增厚的程度及 区域增加，拉深结束时，最厚处为1．14mm，最薄处 为0。557mm。 

图5a为板料减薄率图，可以看出：最大减薄 率为44．3％，最大增厚率为13．9％。 

图5b是成形极限图：可以看出：这种情况下， 在S梁两端直壁处会出现拉裂，这是由于传力区 材料受力过大，超出其抗拉强度，应将坯料长度再 适当减小；法兰处及凸模底部出现起皱趋势，这是 由法兰区的变形状况所致，而外法兰区的金属流 入凹模相对较缓，凸缘的切向压应力超过了板材 的临界压应力，产生塑性失稳而起皱[6]。

图6中1、2分别是凸模、压边圈所受的力：可 以看出：凸模在拉深时受力最大为400KN，压边圈 最大约为85KN。这对模具、工艺设计有指导意义。

3．2板料形状2的计算结果 

几何模型同板料形状1的相同，只是坯料形 状、尺寸有所改变。 

图7是拉深过程中的板料厚度图。可以看出： 成形开始时，在s梁外角处材料变薄，而在内角处 及其周围法兰处材料增厚，如图7a所示。随着凸 模的下行，变薄及增厚的程度及区域增加，拉深结 束时，最厚处为I．018mm，最薄处为0．834mm。 

图8a为减薄率图，可以看出：最大减薄率为 16．6％，最大增厚率为1．84％。

图8b是成形极限图：可以看出：这种情况下， 大部分区域都安全，不会出现拉裂，法兰处出现起 皱趋势。

图9中l、2分别是凸模、压边圈所受的力。可 以看出：凸模在拉深时受力最大为1IOKN，压边圈 最大约为250KN，随后一直平衡于200KN。这对模 具、工艺设计有指导意义。

4结论 

 由上述计算可以看出：方式1采用的板料形状为依据一料两件的形状下料的，方式2为矩形 料。方式1是不可取的，因为出现拉裂，且起皱严 重，故不能采用该形式生产。而方式2能很好地成 形出合格零件，最大减薄率为16．6％，最大增厚率 为1．84％。在法兰处可以适当添加拉延筋以缓解起 皱趋势。通过数值模拟分析，可以在开模前确定只 能采用一料一件的方式生产，而成形过程中变薄 严重及有起皱趋势处的直观表现，也为实际生产 时工艺控制提供了指导意义。 

参考文献 

[1]崔令江．汽车覆盖件冲压成形技术．[M]机械工业出版社． 2003：68 

[2]兰箭，董湘怀，陈志明等．板料成形毛坯展开方法研究．[J]锻 压技术．2000．4：21—25 

[3]Kristoffer T．Finite element simulation of tube hydroforming process—bending，performing and hydroforming 【J]．Journal of Materials Processing technology，2002，127： 401—408． 

[4]汪锐，罗亚军，郑晓丹等．复杂零件多道次拉深成形的计算 机仿真[J]．塑性工程学报，2001．8(2)：17—19． 

[5]陈文亮．板料成形CAE分析教程[M]．北京：机械工业出版 社，2005． 

[6]周玉辉，吴卫，黄清民．板材成形的数值模拟及其在u形法兰 件中的应用．[J]模具技术，2005．4-51

文章来源——金属世界