船體彎梁沖壓成型模擬仿真分析

吳仲華

(中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營257017)

船體彎梁沖壓成型模擬仿真分析

吳仲華

(中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營257017)

摘要:某船用彎梁在沖壓拉伸過程中，經常會出現結構裂紋，使彎梁結構疲勞壽命受到較大的影響。為此，本文基于Hypermesh軟件建立某船用彎梁結構沖壓有限元模型，根據彈塑性材料模型對彎梁結構沖壓過程進行仿真計算，計算過程收斂。研究表明:在拉伸過程中，梁兩端面處應變幅值最大，拉伸過程中彎梁首先在該處產生初始裂紋。其次是各圓角處，應變在整個梁長度圓角上均有較多分布。因此，在結構設計時，應當首先考慮在不顯著削弱彎梁支撐剛度的前提下，減少彎梁拉伸高度，這對減小彎梁兩端面應變幅值具有較大的改進作用。其次，應當盡量增大彎梁圓角值，圓角越小，板料受到的摩擦力越大，材料滑動特性越差，增大彎梁圓角，能夠使板料在拉伸過程中具有較好的滑動特性，這對于改善材料受力均勻性具有較大的作用。

關鍵詞:彎梁;沖壓;有限元;疲勞

Hull bending stamping forming simulation analysis

WU Zhong-hua
(Drilling Technology Research Institute，Sinopec Oilfield Service Shengli Corporation，Dongying 257017，China)

Abstract:The curved beam often occur crack during the stamping process，this will greatly influence the fatigue life of the structure．Therefore，in this paper，we established the stamping finite element model of beam structure based on the Hypermesh software．According to the elastic-plastic material model，we calculated the stamping process of the curved beam structure，and the calculation converged finally．Studies show that: in the drawing process，both ends of the beam have the maximum strain amplitude and will reduce a initial crack there．Second is the fillet，the whole beam length have the strain distribution．Therefore，in the design of structure，we should reduce the bending height of the beam with the consideration of not significantly weaken the beam stiffness，and this will greatly improve the plane strain of the beam．Secondly，should try to reduce the bending beam radius，the smaller radius is，the greater friction will be，and the sliding characteristics will be worse．Increases the bending beam radius will make the sheet has good sliding properties during the stretching process，which can improve the material stress uniformity．

Key words:curved beam; stamping; finite element method;fatigue

0　引言

沖壓工藝作為一種高效的結構加工方法，受到了廣泛的關注。很多學者致力于沖壓工藝涉及的各類問題研究。包括結構參數(板料厚度、結構圓角、胚料大小，材料參數)對沖壓回彈現象的影響、模具鋼性能、沖壓數值計算研究等。其中，沖壓數值計算是一個新興領域，由于材料沖壓加工不同于機械加工方法，加工出的零部件總會存在著一定的形狀誤差、尺寸誤差、方位誤差，或者是各類誤差的綜合。為了減少這類誤差對零件裝配或者使用的影響，往往是首先根據零件設計其模具結構，并進行首件試沖。獲得零件樣品后，對該樣品進行測量，獲得其相對誤差。然后根據該相對誤差對模具修改，并重復上述反復試驗過程，直到加工出的零件結構滿足誤差要求為止。

沖壓仿真的計算正是為了克服反復試模缺陷而產生的一種數值研究方法，該方法能夠在模具制造前，對其沖壓特性進行計算研究，預測實際沖壓過程中會存在的各種缺陷或者其他不良運動因素。這種方法能夠大大地改善設計過程的并行性，顯著加快模具設計過程，減少試模次數的同時也能節約大量時間，這對于產品的快速響應市場相當重要［1］。

關于沖壓仿真計算，國內外開展了大量的計算，謝暉等［2］將Hill失穩理論以及Swift分散性理論應用于板料的拉伸斷裂問題，并建立板料拉伸斷裂數值模型，對拉伸裂紋分布進行預測。目前，該方法已經很好地應用于汽車翼子板沖壓領域。大量的計算表明，該方法能夠很好地預測結構裂紋位置，能夠大大減少模具試驗次數，不僅節約模具制造成本，而且加工出來的零件性能較好，對沖壓拉伸裂紋的預測具有重要的作用。丁檔等［3］基于國產有限元分析軟件Kmas對車輛地板沖壓工藝性進行數值計算，并提出了一種工藝方案，用于快速優化沖壓工藝參數。相關計算表明，該方法具有計算時間短，計算可靠等特點，能夠為機構工程師快速確定工藝參數，對汽車快速開發具有重要的作用。黃躍東等［4］基于Dynaform軟件，對某汽車部件進行有限元計算，主要針對其中材料摩擦系數、上模與下模間隙、材料厚度、材料種類對零件沖壓成型特性的影響。研究表明:當凹模與板料之間的間隙較大時，加工出來的零件形狀誤差較大，并且回彈量為主要因素。當減少凸模與板料之間的摩擦系數時，板料變形的均勻性會有所改善，最終采用有限元法確定了最佳的工藝路線。郭玉琴等［5］以Dynaform沖壓仿真分析軟件對沖壓工藝參數進行研究，考察了沖壓分析軟件存在的缺陷，并指出目前各有限元軟件存在的問題，如:板料與模具之間相互接觸采用的接粗摩擦本構模型具有較大的完善空間;隨著新型材料的不斷出現，各種材料數學模型需要不斷更新;多步沖壓過程的仿真計算精度有待改善。這些問題對于自動有限元分析具有重要作用。金少波等［6］對熱沖壓過程進行探索研究，以PAM－STAMP軟件為工具對某車輛地板梁熱沖壓特性進行計算研究，并且考慮了不同壓邊力對工件沖壓成形質量的影響。研究表明，增大壓邊力能夠在一定程度上改善工件成形質量減少形狀誤差，但是隨著壓邊力的不斷增加，會使得材料在模具中的滑動特性變差，導致結構受力不均勻，最終使材料存在較大的形狀誤差。

上述分析表明:采用數值計算方法能夠有效地堆沖壓過程中各種力學現象進行計算，使得模具設計人員能夠在模具設計初期便能對其沖壓性能有大致的了解，并且了解材料成形過程中潛在的缺陷。因此采用有限元法處理結構沖壓工藝研究具有較大的可行性。船舶彎梁結構由于拉伸高度大，并且形狀彎曲，板料在拉伸過程中十分容易出現拉伸斷裂問題。為了對其進行工藝改進，減少梁拉伸斷裂現象，本文以Hypermesh軟件為基礎，建立彎梁沖壓有限元模型，對其拉伸斷裂問題進行研究。

1　有限元模型建立

幾何結構是有限元分析的基礎，有限元模型建立步驟為如下:

1)首先采用三維CAD軟件Solidworks建立梁幾何模型。板料采用一矩形平面代替，上模與下模分別通過梁模型曲面偏置得到。偏置的距離為板料厚度的二分之一，如圖1所示。

圖1　模具幾何結構Fig.1　Geometry of the die structure

圖2　沖壓有限元模型Fig.2　Finite element model

沖壓計算過程中，由于板料結構的滑動，需要調用節點搜索子程序不斷地更新有限元模型，該過程會使計算時間大大加長。為了縮短計算時間，本文建立沖壓結構的半個部分有限元模型，這樣能夠使有限元模型節點數大為減少，從而節約計算成本。對稱有限元模型邊界條件如圖3所示，主要為板料結構的邊界處理。在對稱面上的板料節點在對稱面法向無節點位移，也沒有在對稱面內的轉動自由度，則約束x方向自由度，和yz面內的轉動自由度。分別采用編號1、5、6代替。

圖3　板料邊界條件處理Fig.3　Boundary conditions of sheet metal

2　計算結果及討論

對于線性材料而言，結構在特定的外載荷下，將產生特定的位移，并將外載荷大小定義為結構剛度或者彈性模量。線彈性材料在沖壓過程中發生較為明顯的非線性變形特征，即其應力與應變在線彈性范圍內時仍然為線彈性關系，當超出該線彈性范圍時呈非線性關系。板料在拉伸過程中出現的非線性行為如圖4所示，應力與應變在線彈性范圍內的關系遵守胡克定律，當出現彈塑性行為時，根據后面試驗曲線進行插值計算。

將上述建立的有限元模型導出為RAD格式，并遞交RADIOSS求解器進行計算。經過19次迭代計算后，結果收斂，板料沖壓過程計算如圖5所示。在沖壓過程中，板料兩端首先與上模接觸(第2 步)，然后往下一起運動，當沖壓進行到第5步時，板料與下模接觸，開發發生整體變形。當板料變形到與下模較為貼合時，壓板與下模將板料邊緣夾持(第6步)。上模繼續向下沖壓板料，板料開始逐漸被拉伸(第7－第11步)，直至上模沖壓完成。彎梁沖壓過程位移云圖表明，本文有限元計算過程收斂，結果可信。

圖4　材料蠕變特性Fig.4　The creep properties of materials

圖5　沖壓過程計算Fig.5　Stamping process calculation

零件沖壓質量在很大程度上取決于零件沖壓過后的殘余應變上，圖6為零件沖壓完成后板料的應變分布，其中淺色部分為應變較大的部位，黑色部位為沒有發生應變的部位，中間為過渡區域。彎梁沖壓完成后，在梁兩端面處應變較大。主要是因為彎梁拉伸過程中，內側面首先與凹模接觸，隨后邊緣材料開始拉伸，由于彎梁弧度的存在，外側材料除了在高度方向被拉伸，也會在彎梁圓周方向被拉伸，最終導致兩端面應力較大。若不加以控制，該彎梁結構在拉伸過程中很容易出現結構斷裂現象，或者拉伸出來的零件自身殘余應力過大，在使用過程中會顯著降低其疲勞壽命。

為了減小梁結構應變值，一方面可以減小其拉伸高度，雖然這樣會使得結構支撐剛度有所下降，但是相比結構的疲勞壽命，減少拉伸高度是非常有必要的。另一方面，增大彎梁圓角能夠使圓角處地應變幅值明顯減小。圖6表明，彎梁在沖壓過程中圓角處應變峰值較大，圓角越小，板料受到的摩擦力越大，材料滑動特性越差，增大彎梁圓角，能夠使板料在拉伸過程中具有較好的滑動特性，這對于改善材料受力均勻性具有較大的作用。

圖6　結構應變分布Fig.6　Structure strain distribution

3　結語

1)基于Hypermesh軟件建立了某船用彎梁結構沖壓有限元模型，根據彈塑性材料模型對彎梁結構沖壓過程進行仿真計算，計算過程收斂。

2)彎梁拉伸過程中的斷裂現象與其應變分布具有很大關系。梁兩端面處應變幅值最大，拉伸過程中彎梁首先在該處產生初始裂紋。其次是各圓角處，應變在整個梁長度圓角上均有較多分布。因此，在結構設計時，應當首先考慮在不顯著削弱彎梁支撐剛度的前提下，減少彎梁拉伸高度。這對減小彎梁兩端面應變幅值具有較大的改進作用。其次，應當盡量減小彎梁圓角值，圓角越小，板料受到的摩擦力越大，材料滑動特性越差，增大彎梁圓角，能夠使板料在拉伸過程中具有較好的滑動特性，這對于改善材料受力均勻性具有較大的作用。

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作者簡介:吳仲華(1972－)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為石油鉆完井井下工具及裝備。

收稿日期:2014－12－21;修回日期: 2015－03－07

文章編號:1672－7649(2015) 07－0184－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.043

中圖分類號:U664．21

文獻標識碼:A