基于JSTAMP/NV的厚板彎曲件回彈分析要點

陳明丹　李智

摘要：以鐵路貨車某類零件為例，結合鐵路貨車沖壓件的特點，從建立回彈分析的數學模型入手，用JSTAMP/NV研究回彈的有限元求解過程，找出影響回彈的主要因素.結合實際模具設計，從坯料的網格劃分、成型速度和自適應設置等方面論述提高回彈仿真分析精度的若干要點.

關鍵詞：厚板彎曲件； 回彈分析； 應力分布； 坯料網格

中圖分類號： TG386；TB115.1

文獻標志碼：B

Abstract：Taking a type of parts of railway freight car as the example， combining with the characteristics of railway freight car stamping parts， JSTAMP/NV is used to study the finite element solution process of springback by building a mathematical model for springback analysis， and the key factors those affect springback are found out. Combining with the actual mold design， several key points those improve the springback simulation analysis accuracy are discussed by analyzing the meshing of blank， forming speed， adaptive setting， and so on.

Key words：thick plate bending part； springback analysis； stress distribution； blank mesh

0引言

鐵路貨車沖壓件的制造多采用3～7 mm的中厚板，與薄板成型相同，常見缺陷依然是拉裂、起皺和回彈.板材厚度的增加對拉裂和起皺有一定的抑制作用，但鐵路貨車的箱型結構決定其車體零件在空間某方向的尺寸遠小于另外2個方向，為達到空間結構的穩定性，零件成型后必然會發生扭曲，見圖1.

板材成型件平面度缺陷和扭曲問題都是由回彈引起的，在鐵路貨車沖壓件制造過程中，回彈引起的質量問題也是最常見和最難解決的.

以鐵路貨車上的某成型件為例（見圖2），該零件的成型特征包含多道彎曲，使用材料為Q345E，料厚為16 mm.基于JSTAMP/NV有限元分析軟件，結合多年的現場仿真分析經驗，從回彈分析數學模型的創建、坯料的網格劃分、成型速度、自適應設置等方面分析，總結提高該類零件回彈仿真分析精度的要點.

1回彈分析數學模型的創建

工件從模具中取出后，在彈性變形和殘余塑性變形的作用下，其角度和圓角半徑發生變化，即所謂的角度回彈和圓弧回彈.在模具設計過程中，為控制工件的回彈，要同時考慮角度和圓角半徑的補償.為保證補償前后模型的折彎線位置一致，筆者總結出“鉸鏈式”建模方法：基于CAD軟件（如ProE）將角度和圓弧分2步特征建模，在模具調整中分別調整相應的角度和圓弧，避免在一個草圖界面調整尺寸過多帶來的調整誤差.

1.1繪制制品形狀

按照1∶1繪制工件的上下表面、中間層線，尺寸標注與零件設計標注方式完全一致（見圖3），并且注意尺寸界線，產品圖的尺寸標注一般考慮裝配面的位置關系.本例中由于彎曲圓角遠大于5倍板厚，可以把制品的中間層線當作中性層線.

1.2角度回彈變量

角度回彈模型核心思想是構建回彈角變量.根據工件尺寸計算上表面、中性層和下表面的鉸點間的長度尺寸，見圖4～6.在回彈補償過程中，回彈角度發生變化，鉸點間的長度尺寸一直保持鎖定不變，就像鉸點連接一樣，這樣可保證補償前后折彎點位置一致，見圖7.實際模具設計中采用上表面、中性層或下表面都可以，在建立三維模型時，需要注意曲面加厚的方向.

1.3圓弧回彈變量

圓弧回彈變量的構建通過倒圓角特征實現，在后續回彈補償中只需調整該變量即可，見圖8.

1.4回彈分析數學模型

根據1.2中選取的面判斷加厚方向，如采用上表面作為角度回彈變量和圓弧回彈變量，然后曲面加厚，完成回彈數學模型的創建，見圖9和10.

2影響回彈精度的因素

采用顯示求解器計算板料沖壓成型的準靜力過程，然后采用隱式求解器計算回彈分析.回彈分析是在成型分析后進行的，即成型分析的結果是回彈分析的輸入.基于該前后繼承的關系，成型分析應力計算的精度直接影響回彈分析的精度.采用隱式求解器分析回彈的過程，本質上是彈性應變和殘余塑性應變釋放的靜態過程，在分析參數方面應更多地考慮如何提高收斂性，其對回彈精度的影響有限，即回彈分析計算準確的前提是成型分析階段的應力分布準確計算.以JSTAMP/NV為載體，從坯料網格的劃分、成型速度、自適應設置等方面闡述如何提高成型分析應力分布準確度的要點.

2.1坯料網格劃分

在有限元分析過程中，坯料是唯一的變形體.[1]因此，與模具上曲率變化大的區域相接觸部位的坯料，其相應位置要劃分細密的網格，以保證應力值的準確.由于沖壓分析過程是大位移、大轉動、大變形過程，在坯料變形的初始階段就預先確定坯料上網格的密度分布情況非常困難，可使用JSTAMP/NV軟件提供的“粗算”模板參數先進行粗算，在后處理中查看板材最大主應變的分布，見圖11.

由此可知，在圓角區域和邊緣位置應變較大，應重點關注此處坯料網格的劃分（見圖10）.借助HyperMesh等軟件分區域劃分出稀疏均勻的四邊形網格，仿真計算的單元類型采用16號單元，厚度方向積分點選7層以提高該區域的應力值計算精度，為后續回彈分析做準備.

2.2成型速度

在模具設計過程中，為降低成本并考慮到液壓機工作臺的工作面積有限，工件往往不能完全被模具覆蓋，坯料或工件的兩側常常懸出模具一部分，見圖12.在仿真計算中，如果不控制成型速度，往往會發生顯著的動力學效應（見圖13），該現象會極大地影響回彈分析結果的精度.實際操作時一般采用降低仿真成型速度的方法避免該現象的產生，考慮回彈精度的要求，成型速度建議采用1 000 mm/s.

2.3自適應設置

網格自適應雖然優點很多，尤其是工件輪廓尺寸大而變形區域很小的零件，采用自適應網格會大大縮短計算的時間，但后續要進行回彈計算的成型分析步，所以在成型分析步中不能采用網格自適應，防止造成網格間應力傳遞產生誤差（見圖14），或者新加入的網格增加局部單元的剛度.

2.4求解速度

降低成型速度和不采用自適應網格進行計算，仿真的速度會明顯降低.提升計算速度通常有2種方法：一是劃分稀疏不均的網格，即不把整體坯料網格尺寸統一劃分，而是僅在局部考慮坯料網格尺寸的細化要求；二是當模具不能完全包裹工件時，可人為地稍微加大模面，以提高仿真設定的成型速度，進而提升求解速度.

經過多次試驗（見圖15），雖然仿真分析有一定的誤差，但該誤差遠小于人為經驗的感覺和理論書籍的計算誤差.

3結論

隨著計算機運算能力的提高，板料成型仿真分析在工程上的應用越來越普遍.眾所周知，沖壓成型件是依靠板料的塑性變形獲取想要的形狀結構.成型過程是一個伴隨著摩擦、大位移、大變形、材料非線性的過程，如果沒有類似形狀的零件經驗進行對比，新結構零件的成型問題無法采用傳統方法解決，采用多次調試的“試錯法”很不經濟、甚至無法成功，因此在生產實際中探索使用有限元分析方法，是解決板料成型難題的有效方法.

參考文獻：

[1]雷正保. 汽車覆蓋件沖壓成型CAE技術[M]. 長沙： 國防科技大學出版社， 2003： 42-43.

（編輯武曉英）