考虑模具变形的板料成型模拟外文翻译资料

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考虑模具变形的板料成型模拟

K. Y. CHOI1), M. G. LEE2) and H. Y. KIM3)*

1）Hankook ESI有限公司，Ryuhsan大厦，江南区冈山区134-1韩国首尔157-801

2）浦项科技大学（POSTECH）有色金属技术研究所，浦项市 ，Gyeongbuk 790-784，Korea

3）江原国立大学机械与生物医学工程系，江原道200-701，韩国

（2012年11月16日接受; 2013年3月13日修订; 2013年3月18日接受）

摘要 - 由于环境问题和汽车行业的安全规定，强大和轻型汽车的发展已成为过去十年的一个热点问题。为此目的的一种解决方案是使用高强度钢（HSS）和先进的高强度钢（AHSS）。这些材料可以使汽车更轻，同时保持车辆的抗撞击性。 HSS和AHSS由于其较高的屈服和抗拉强度而在模具结构中具有比常规钢变形抗力，因此这些材料在钣金形成过程中对模具变形具有更大的影响。结果，模具变形可以影响坯料板的拉伸图案，应变和应力以及回弹。这项研究提出了一个考虑模变形的钣金成型模拟。将仿真过程与常规仿真方法进行比较。我们的研究结果表明，考虑模具变形的钣金成型模拟提供有关模具结构以及成型性和回弹的有用信息。

关键词：安全监管，HSS（高强度钢），AHSS（高级高强度钢），模具变形，钣金成型模拟，模具结构分析

1.引言

在21世纪，汽车发展的方向需要强大，轻量的汽车来满足安全和环境法规。打火机提高燃油效率;然而，这些车辆的耐撞性导致关于其安全性的问题。因此，这些车辆需要更强和更轻的材料（Huh等人，2003; Bae等人，2012; Kwon等人，2000）。为此目的的代表性材料是高强度钢（HSS）和先进高强度钢（AHSS）。通常，用于车辆生产的潜在材料根据其屈服和拉伸强度分类（国际铁和钢研究所，2006）。 HSS和AHSS具有比常规钢（低强度钢（LSS）和低碳钢）更高的屈服和抗拉强度，并且它们通过与常规钢相比具有更大的接触力影响模具结构。这种变形是模具设计和开发过程中最重要的设计参数之一。在钣金成型过程中，模具变形会影响坯料和模具之间的接触条件以及坯料板变形和回弹。图1显示了在凸缘成型过程中模具变形如何影响坯料板。凸缘冲头和模具之间的间隙可以小于坯料厚度，以防止收缩凸缘形成中的褶皱，并且在收缩凸缘成形和拉伸中形成均匀的厚度。 最终坯料厚度不同于间隙，但是在间隙和坯料厚度之间。 这来自于模具变形。

为了更精确地分析钣金形成过程，必须考虑模具变形。 这允许优化模具结构，例如通过在弱区域添加加强肋或确定最佳模具重量以减少材料和后勤成本（Aitharaju等人，2005）。

在板材成型中，坯料板显示出弹性塑性行为，而模具结构显示弹性行为。 可以使用所提出的方法来分析包括坯料片的弹塑性行为和模具工具的弹性行为的模拟。 通常，用于钣金成形的数值模拟方法由于时间积分而作为隐式和显式分量。 隐式方法无法确定专门用于具有数十万或甚至数百万个元素的钣金形成问题的解决方案。 然而，显式方法可以用于概括问题。特别地，隐式方法可用于钣金形成过程中的重力，回弹和结构分析（Belytschko等人，1984; Kim等人，2008; Lee等人，2009）。在模具结构分析中，模具形状是最重要的变形参数之一;因此，它应该由实体元素建模。对于力变换，坯料和模具工具之间的接触条件是模具结构分析中的关键参数之一。显式方法可以容易地解决坯料和模具工具之间的接触条件;然而，模具工具必须由刚性壳体元件建模。几十年来，显式方法通常用于传统的钣金成型模拟。但是，实际上，当其具有弹性行为时，模具在拉伸过程中可以非常容易地变形。这种模具变形会影响接触条件。此外，显式方法不满足过程中每个步骤的力平衡要求。接触力必须在每个步骤被​​更新，并且因此表现出一些振荡/变化。因此，使用显式方法确定的接触力对于模具结构是不正确的，并且需要等效的校正力。隐式方法可以模拟空壳的弹塑性行为和实体模具工具的弹性行为，但是对于小的或简化的情况，收敛非常有限。对于工业模型，如挡泥板或门，隐式分析可能需要几天或可能永远不会达到所需的结果，而显式方法需要几个小时，总是获得所需的结果。因此，对于考虑模变形的金属板成形模拟，需要显式和隐式方法。

Yin等人 （2001）开发了一种用于模具结构分析的建模方法，并将其应用于翼子板拉伸模具。 Suh et al。 （1998）提出了一种用于锻造模应力分析的弹性有限元法（FEM）。 Keum等人 （2005）分析了结构板材成型过程，但没有考虑整个钣金成型程序。 在本研究中，我们使用半耦合钣金成型模拟，考虑到模具变形，并分析在整个拉伸过程中的形成过程。 在本研究中使用PAM-STAMPTM2G来应用显式和隐式的模拟方法。

2. 隐含和显示方法

2.1。 隐式时间积分法

图1.法兰成形过程。

隐式时间积分方法通常用于找到非线性静态问题的解。 在特定时间的动平衡（无阻尼和接触条件）可以使用以下等式描述：

[M] {u··n} [K] {un} = {Fn}（1）

其中[M]和[K]分别是质量和刚度矩阵。 Fn是外力，u··n和un分别是时间点的已知加速度和位移值。在时间增量t n 1之后，动态平衡由等式（2）描述：

[M] {u··n 1} [K] {un 1} = {Fn 1}

其中u··n 1和un 1是在时间tn 1要求解的未知值。为了求解这些值，可以使用反向差分，如下面等式（3）所示：

·

un 1 =（un 1 -un）/Delta;t

u·n 1 =（u·n 1-u·n）/Delta;t（3）=（un 1 -un）/Delta;t2-u·n /

在这种情况下，可以在时间tn和tn 1之间计算u··n 1，u·n 1和un 1。等式（2）可以由等式（3）中的位移项代替以计算等式（4）中的un 1。

⎛[M]⎞[M] [M]·Iacute;-------- [K]⎠{un 1} = {Fn 1} -------- {un} -------- {un}（4）

Delta;t2Delta;t2Delta;t2

[K]是un 1的函数，并且必须与un 1一起计算。因此，应当使用诸如Newton-Raphson的迭代方法来计算un 1。通过将计算出的un 1从等式（4）代入等式（3）

u·n 1和u··n 1可以获得attn 1。

2.2。显式时间积分法

与隐式时间积分（用于非线性静态问题）相比，显式时间积分主要用于非线性动态问题。如果没有阻尼或接触条件，则动态平衡可以由等式（1）表示，并且加速度

u·n 1可以直接从公式（5）计算：

{u··n} = [M] -1（{Fn} - [K] {un}）（5）

为了计算tn 1处的动态平衡，un 1必须是已知的值。它可以通过中心差分来计算如等式（6）中所示：

图1.法兰成形过程。

un 1 = un Delta;t·u·n 1 / 2u·n 1/2 = u·n-1/2 Delta;t·u··n

（6）

显式时间积分法（公式（6））逐步计算tn-1/2和tn 1之间的加速度u··n，速度u·n和位移un;不需要质量[M]和刚度矩阵[K]的复数逆矩阵。

类似钣金成型的准静态问题应该使用隐式方法来解决; 然而，在许多联系人的情况下，显式时间集成是更有效的。 显式方法为时间增量Delta;t提供解。 大多数商业软件将这称为临界时间增量Delta;tc，其基于材料参数（杨氏模量和密度）和元件尺寸计算。

2.3 接触力的比较

为了比较隐式和显式方法，建模了一个简单的弯曲问题，如图2所示。 空白纸的端部是固定的。 中心处的刚性管沿z方向向下移动〜20mm。 图3显示了使用隐式和显式方法计算的接触力。 接触力表现出类似的倾向。 然而，使用隐式方法计算的接触力看起来非常平滑，而使用显式方法计算的接触力显示一些振荡。 这种振荡归因于显式方法不能满足力 - 平衡条件和在每个时间步长的变量的计算。

3.联接过程

如第2章所述，显式方法适用于钣金成形分析，隐式方法适用于模具结构分析。 因此，考虑模变形的金属板成形模拟的最佳方法是使用显式和隐式方法。 为了提供显式和隐式方法之间的平滑连接，使用如图4所示的半耦合过程。 在任意时间间隔t 1，使用显式方法计算坯料变形，假设用于模具工具的刚性壳。 输出表示模具工具上的节点接触力。 在相同的时间间隔ti期间，该节点接触力作为隐式方法中的负载条件被传递到固体元件。 模具结构分析的输出是工具表面变形。 在下一步中，使用显式方法将该表面变形更新为刚性壳体工具。

图2.弯曲模型。

图3.用于显式和隐式方法的接触力。

图4.使用显式和隐式方法的半耦合过程的示意图。

4.形成分析

4.1。模拟模型

为了模拟模具变形的钣金成型，构造尺寸为350times;35mm的坯料（图5）。所形成的形状是简单的U形弯曲。坯料具有1times;1mm的均匀尺寸和具有对称条件的10521个元件。图6示出了模具的实心网格。固体的高度为80mm，元件的总数为37450.坯料为DP600。使用各向同性弹性和各向同性屈服函数的Swift硬化模型;即，

sigma;= K（ε0 ε）n（表1）。表2显示了模具材料，其由钢和ABS塑料组成。两种材料都有弹性行为。选择ABS塑料具有非常低的机械强度，使得可以在钢和ABS塑料模具之间区分明显的变形差异。除了模具工具，冲头和坯料夹持器由刚性壳模制。这就是选择一个简单的U形弯曲形成的原因。在这种情况下，冲头和坯料夹持器与模具相比不具有大的接触力。隐式方法中的上模节点具有固定的边界条件;处理条件与显式方法相关（表3）。冲头在z方向上以2m / s的速度和20kN的毛坯保持力向上移动70mm。对于半耦合过程，在显式和隐式过程之间使用20个步骤。

图5. U形弯曲形状的FE模型。

图6.模具工具的实体网格。

表1.空白纸的材料特性。

表2.模具的材料性能（钢/ ABS）。

表3.加工条件。

4.2。模拟结果

为了评价利用模变形的钣金形成过程，准备了四个不同的输入。在第一和第二比较中，使用钢模具。在最后的比较中，使用钢和ABS塑料模具。

第一个评估是成形模拟和回弹的比较，其使用了用于工具（常规方法）和柔性实心模具（冲头和坯料保持器是刚性壳）的刚性壳的假设的显式方法。图7（a）和（b）分别表示常规方法和柔性固体模具成型后的稀化分布。使用常规方法和柔性固体模具测定的最大变薄分别为0.026和0.022，如图7（a）和（b）所示。这意味着刚性壳体在坯料和坯料保持器之间以及坯料和模具之间具有完全接触，使得由于摩擦的效果最大化。由于模具变形，柔性实心模具在坯料和坯料保持

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