船體典型零件沖壓成形回彈機理仿真分析

羅之軍

(貴州廣播電視大學，貴州貴陽550004)

船體典型零件沖壓成形回彈機理仿真分析

羅之軍

(貴州廣播電視大學，貴州貴陽550004)

摘要:為研究結構回彈現象，以某船用電子設備罩殼為研究對象，根據彈塑性材料模型建立沖壓回彈有限元模型。計算結果表明:板料4個角落距離模具中心距離較大，導致摩擦力較大，使得板料四周材料滑動特性產生較大區別。沖壓過程中材料不同的滑動特性會使得材料受力不均勻，使其應變分布產生較大的差異，這是結構局部回彈的主要因素。在實際沖壓過程中，可以首先將板料沖剪成圓角形式，使板料四周材料分布較為均勻，使壓邊力較為一致，使材料在沖壓過程中受力均勻，減少結構回彈量。

關鍵詞:沖壓成形;結構回彈;有限元;罩殼

Analysis of springback of typical ship parts stamping forming simulation

LUO Zhi-jun
(GuiZhou Radio TV University，Guiyan 550004，China)

Abstract:In order to study the rebound phenomenon，we use a marine electronic equipment shell as the research object，and established the springback finite element model based on the elastic-plastic material model．The calculation results show that: the distance of the four corner from the mold center is larger，this will result a greater friction force，and finally make the material around the sheet had a greater sliding properties difference．The stamping process of the sliding characteristics of different materials will make the material stress，the strain distribution have great difference，which is the main factors of local spring structure．In the actual stamping process，it is of great importance to form the sheet with a rounded connery，so that the sheet around the material distribution is more uniform，this will make the blank holder force to be consistent，so that the material in the stamping process will have a uniform stress，reduce the springback．

Key words:stamping springback; structure; finite element;shell

0　引言

沖壓加工方法具有加工效率高、工件尺寸一致性好等優點。目前，沖壓方法主要用于薄壁結構的沖剪加工，如:汽車蒙皮、骨架、船艙、小型五金件等。沖壓加工方法對于加工精度要求不高的零件時，能夠很好地滿足要求，然而，對于加工精度要求較高的零部件而言，具有一定的挑戰性。主要原因是沖壓加工方法總是不可避免地存在著結構回彈現象，使得加工出的零件外形與原設計存在著較大誤差。這種形狀誤差會使零件的裝配受到較大影響，一方面，容易導致加工出的零件存在裝配誤差。另一方面，裝配出的結構會存在較大的殘余應力，有時甚至會導致零件無法裝配。

工程實踐中，為了消除結構回彈現象的影響，使加工出的零件與原設計的形狀誤差較小，往往需要反復試模。也就是，不斷地測試沖壓出的零件形狀誤差，根據零件形狀誤差對模具進行修改。由于模具鋼往往采用優質鋼，剛度、硬度均較大，模具反復修改會產生較大的試模費用。為了減少結構回

彈導致的反復試模費用，很有必要對結構回彈現象進行研究，找出一定的規律性，使得設計人員在模具設計過程中便能預測到結構的回彈量，便能在設計過程中對模具進行相應的修正。這樣能夠大幅減少模具試驗次數，不僅能夠減少試模費用，也能顯著加快產品開發過程以及提高產品設計質量。

近年來，結構回彈問題得到了廣泛關注，并且成為一個十分具有挑戰性的課題。謝暉［1］借助有限元法，對結構回彈因素進行探索研究，研究了結構倒角大小、材料摩擦系數、壓邊力、加強筋高度、材料厚度等因素對結構回彈量的的影響大小。通過研究表明，采用較大的壓邊力時，沖壓出的結構光整性較好，但是結構回彈量較大，減小壓邊力能夠有效抑制結構沖壓回彈。徐丙坤等［2］基于靜力顯式以及動力顯式格式對沖壓過程進行數值建模，并編寫數值計算軟件，通過實例計算，比較靜力顯式與動力顯式格式對沖壓問題計算精度的影響，并給出了不同沖壓問題回彈量分析的建議參數。閆康康等［3］采用KMAS回彈分析平臺對Benchmark回彈標準為研究對象，研究多種鋼材料的沖壓回彈特性，并對KMAS軟件計算精度進行校正，并給出補償方案。最終，基于KMAS軟件探索了一種CAD/CAE/ CAM一體化的結構設計、分析、加工方案。這種方法能夠使結構回彈量較少87%左右，起到了較好的結構改進效果。陳煒等［4］基于靜態有限元以及動態有限元法，對多步沖壓回彈問題進行詳細研究。有限元每一步加載均是以上一步沖壓回彈為基礎，通過相應的實驗對比研究，證明了該方法的有效性以及可靠性。李文平等［5］研究了一種高效沖壓回彈修正方法，主要思路為:首先有限元過程返回的沖壓結構與原設計進行比較，并制定結構修改方案。根據沖壓結構形狀誤差以及模具修改方案對模具結構自動進行修改，然后對新的模具結構進行沖壓模擬，并一直重復上述過程，直到結構形狀誤差滿足加工要求。研究表明，該方法能夠有效加快設計流程，并且結構設計質量較好。可見，采用有限元法處理結構回彈問題，具有較好的可行性、可靠性。

船舶結構中存在著大量的薄壁結構，尤其是船艙結構蒙皮，以及相應附屬設備外殼均采用沖壓工藝加工，并通過鉚接工藝連接［6］。這類結構的回彈會使鉚釘孔相互錯位，使得結構在鉚接過程中操作不便，并且會使鉚釘受到額外的軸向拉力或者橫向剪切力，影響連接的可靠性。因此，有必要對船舶常用零件進行沖壓回彈分析，并為模具設計提供參考，以改進結構設計、裝配質量。

本文以有限元法為理論基礎，以船舶某電子設備罩殼為研究對象，對其進行沖壓回彈計算，研究結構回彈因素，并為工程實踐提供參考。

1　有限元模型

首先基于三維CAD軟件建立沖壓幾何模型如圖1所示，主要包括上模、下模、壓板、板料。其中上模與下模分別通過產品零件對稱偏置獲得，偏置距離為板料厚度的一半。

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

采用Hypermesh軟件，對上述建立的沖壓模型進行結構離散。為了便于后續參數設定，上模、下模、板料、壓板網格均采用用各自COMPONENT集合器進行存放，有限元模型如圖2所示。

圖2　沖壓回彈有限元模型Fig. 2 Springback finite element model

為減少沖壓過程計算量，本文只建立沖壓模型的半個部分，將該問題轉變為平面對稱有限元計算。在處理平面對稱有限元問題時，只需對板料邊界條件進行處理，如圖3所示。板料在對稱面上的材料在面內無轉動自由度，并且無法沿著對稱面法向移動，因此最終約束對稱面上節點1，5，6自由度，分別代表x軸方向位移、繞y、z軸的轉動自由度。

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

在沖壓過程中，上模與下模的結構剛度相對板料而言很大，在計算過程中可以只考慮板料的彈塑性變形，而忽略模具本身的結構變形，本文在處理模具剛性問題時，采用一維剛性單元reb－2對上下模進行處理，將上下模具表明各節點作為reb－2剛性單元的從節點，主節點則采用自動計算的方法，實際上為各從節點的幾何中心，如圖4所示。

圖4　模具剛性處理Fig.4　Rigid processing of the die

2　沖壓計算

如圖5所示，當應力幅為300 MPa以下時應力與應變為線性關系，當應力幅超過300 MPa時，二者呈非線性關系。在沖壓仿真計算過程中，上模向下運動，接觸到材料后帶動材料一同向下運動。當材料與下模接觸后開發發生彈性變形，在該階段應力與應變均在線彈性范圍以內，建立剛度矩陣時引用線彈性范圍以內的關系進行插值。隨著沖壓過程的不斷進行，材料將逐漸出現塑性變形現象，子在該階段內應力與應變的關系采用非線性部分的曲線進行插值，并構造剛度矩陣。

圖5　材料蠕變特性Fig.5　The creep properties of materials

基于DEFORM軟件對沖壓回彈有限元模型進行設置，其中上模屬性設為die，下模屬性設置為punch，板料屬性設置為sheet，壓板屬性設置為binder。將材料蠕特性設置為如圖5所示。由于本文建立的為罩殼結構的半個部分，因此需要對平面對稱邊界條件進行處理，設置symmetry屬性為－x，即對稱面為yz平面，并且另半個部分在－x軸方向。設置完畢后，調用初始化程序對上模、下模、板料、壓板位置進行復位計算，使各結構處于計算的最初位置。

通過計算，獲得了沖壓過程中各力學參數隨時間變化的特點。圖6為沖壓各載荷步中材料位移，由位移值的變化過程可知，材料沖壓計算過程收斂，沒有出現位移畸變現象。

圖6　沖壓過程計算Fig.6　Stamping process calculation

由圖6可知，板料邊緣在拉伸過程中會快速收縮，在收縮過程中，由于壓板力的存在，材料會在材料平面內發生較大的塑性變形。對于矩形板而言，變形最嚴重的是板料中間部分，只要原因是板料4個角落相對模具中心距離較大，摩擦力呈逐漸增大的趨勢。因此板料4個角落的位移較

小。而板料中間部分由于距離模具中心較近，摩擦力較小，因此出現了整體滑移收縮的情況。當上模與下模接觸時，也就是沖壓過程的最后一步，板料4個角落與中間部分材料的變形產生了較大差別。

板料拉伸過程中，應變分布如圖7所示(限于文章篇幅，本文只給出板料出現較為明顯應變以后的應變云圖)。

圖7　結構應變分布Fig.7　Structure strain distribution

板料應變云圖表明，板料在整個拉伸過程中，角落的應變首先出現，并最終成為最大值。由于結構應變是材料彈塑性變形的主要特征，結構回彈主要是由于結構殘余應變恢復過程導致的。因此，為了減小材料回彈現象，可以通過減小材料應變峰值的方法減少結構回彈。上述分析表明:板料在角落處應變值最大，這主要是由于板料4個角落的摩擦力過大，導致的材料滑動受到較大的阻力，使得板料4個角落產生了較大的彈塑性變形。

在實際沖模過程中，可以首先對板料進行處理，將4個方角沖剪呈圓角形式，這樣可以保證板料四周材料分布較為均勻，使壓邊力較為一致，使材料在沖壓過程中受力均勻，減少結構回彈量。

3　結語

1)為了研究結構回彈現象，建立了某船用電子設備罩殼沖壓回彈有限元模型，基于彈塑性材料模型對其進行計算。

2)計算結果表明，板料4個角落距離模具中心距離較大，導致摩擦力較大，使得板料四周材料滑動特性產生了較大的區別。沖壓過程中材料不同的滑動特性會使得材料受力不均勻，使其應變分布產生較大的差異，這是結構局部回彈的主要因素。

3)在實際沖壓過程中，可以首先將板料沖剪成圓角形式，使板料四周材料分布較為均勻，使壓邊力較為一致，使材料在沖壓過程中受力均勻，減少結構回彈量。

參考文獻:

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作者簡介:羅之軍(1977－)，男，碩士，講師，研究方向為機械設計及理論。

收稿日期:2014－10－09;修回日期: 2014－12－28

文章編號:1672－7649(2015) 07－0192－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.045

中圖分類號:U664．21

文獻標識碼:A