基于Creo Simulate進行彎曲成形工藝模擬

日照鋼鐵控股集團有限公司 崔恩海

上海交通大學材料科學與工程學院 宓寶江

一、概述

材料成形數值模擬是計算機輔助工程分析（CAE）技術在材料成形領域的具體應用，其目的是借助仿真手段認識與掌握材料特性、成形方案、工藝參數、產品形狀、模面結構、澆注系統、工裝夾具以及載荷輸入等內在、外在因素對材料成形質量和工模具壽命的影響；同時，為縮短成形制品與成形模具的開發周期、減少物理試模次數、優化成形工藝、選用成形設備、控制產品質量和降低生產成本提供定量或定性理論、數據支持。材料成形方式包括液態成形、固態（塑性）成形與粘流態成形以及連接成形等方式，本文就塑性成形中的彎曲工藝在Creo Simulate環境中的模擬過程進行必要的技術探討。

彎曲（如圖1所示）是將板料、棒料、管料和型材等彎曲成一定形狀及角度的零件成形方法，其加工零件種類很多，如V形件、U形件以及其它形狀。生產中因彎曲成形所用的模具和設備不同，形成各種不同的彎曲方法，如在壓力機上用模具進行的壓彎，在專用彎曲機上進行的折彎和滾彎，以及在拉彎設備上進行的拉彎等。

圖1

彎曲是沖壓成形的典型工藝之一，沖壓成形數值模擬是從板料變形的實際物理狀態及其規律出發，借助計算機技術真實反映模具與板料間的相互作用和實際變形的全過程，可以觀察實際變形中發生的任一特定現象，計算與板料實際變形過程相關的任一特定物理或幾何量，如預測起皺、破裂，計算毛坯尺寸、壓邊力和工件回彈，優化界面潤滑、估計模具磨損等。彎曲工藝模擬不僅可以在專業的成形模擬軟件中進行，如DynaForm， AutoForm， PAM-STAMP，FastForm， FASTAMP（華中科技大學開發）， KMAS（吉林大學開發）等，也可以在通用CAE模擬軟件中進行，如Abaqus，ANSYS，LS-Dyna，Patran，Creo Simulate等。下面詳細介紹在Creo Simulate中模擬壓彎和折彎工藝的設置方法，其它彎曲方式可以參考進行。

二、Creo Simulate壓彎模擬

1.前處理

（1）壓彎模擬模型（如圖2所示）：薄板、凸模和凹模。

圖2

（2）模型理想化（如圖3所示）：采用2D平面應變模型。

圖3

（3）約束與載荷（如圖4所示）：對于凹模，設置水平和豎直方向固定約束，對于凸模，設置水平方向固定約束，對于薄板，在底邊中點設置水平方向固定約束。載荷設置時沒有添加力載荷，而是設置了凸模豎直方向的強制位移。

圖4

（4）材料分配（如圖5所示）：由于壓彎模擬中關注的是薄板的變形，假定模具的變形忽略不計。設定模具材料為高硬度高強度鋼，設定薄板為彈塑性材料，定義其塑性屬性。

圖5

（5）網格化（如圖6、圖7所示）：網格控制考慮在凸模、凹模及薄板接觸邊界上設置節點數量；劃分單元網格類型有三角形和四邊形兩種。

（6）接觸定義（如圖8所示）：在凸模邊界與薄板的左上邊界、在凸模邊界與薄板的右上邊界、在凹模邊界與薄板的左下邊界、在凹模邊界與薄板的右下邊界之間分別定義接觸接口。

圖6

圖7

圖8

2.分析步

（1）定義分析時（如圖9所示），只能選擇約束集，載荷沒有定義不能選取，使用強制位移作用。使用非線性選項，包含接觸和塑性材料，選擇過盈配合選項。

圖9

（2）輸出選項設置用戶定義輸出步數（如圖10所示）。

圖10

3.結果后處理

（1）從摘要文件查看接觸力情況和應力位移等物理量，以及運行時間等（如圖11所示）。

（2）從結果窗口查看彎曲變形動畫或者關鍵幀過程（如圖12所示）。

（3）從結果窗口查看某一步的應力分布情況（如圖13所示）。

圖11

圖12

圖13

（4）從結果窗口查看接觸壓力分布和某一接觸的壓力曲線（如圖14所示）。

圖14

（5）從結果窗口查看工藝過程的位移矢量圖（如圖15所示）。

圖15

三、Creo Simulate折彎模擬

1.前處理

（1）折彎模擬模型（如圖16所示）包括：折彎機（包括底座、滑塊壓板）、薄板。

圖16

（2）材料設置（如圖17所示）：折彎機使用線性材料，高硬度、高強度。薄板設置為彈塑性材料，定義線性硬化屬性。

圖17

（3）網格控制與離散化（如圖18、圖19所示）：理想化類型為3D實體，根據需要定義網格單元尺寸限制，設置薄板零件棱柱單元控制。

圖18

圖19

（4）剛性連接和彈簧定義（如圖20～圖22所示）：折彎機工作時滑塊壓板繞著底座軌道轉動，壓迫薄板彎曲。為了定義底座固定約束和滑塊壓板的轉動約束，需要定義兩個剛性連接：底座中心基準點PNT4和旋轉孔圓柱面；底座一個端面中心基準點PNT1和滑塊壓板外側平面之間。

基準點PNT1和基準點PNT4之間定義一個延伸剛度和扭轉剛度都非常大的彈簧，以模擬底座支撐軸效果。

圖20

圖21

圖22

（5）約束與載荷，約束主要是薄板和折彎機底座不能移動，包括：薄板端面法向固定平移約束（如圖23所示）；底座端面和薄板側面法向固定平移約束（如圖24所示）；底座內孔中心基準點PNT4的平移、旋轉全部約束，再通過剛性約束傳遞到折彎機底座內側孔柱面（如圖25所示）；載荷沒有直接施加力的形式，采取強制角度位移方式，在折彎機底座端面中心點PNT1處施加角度強制位移，平移全部約束。通過剛性連接驅動滑塊壓板旋轉，壓迫薄板折彎（圖26）。

圖23

圖24

圖25

圖26

（6）接觸定義（如圖27所示）：定義四個接觸模擬薄板和底座接觸面、滑塊壓板接觸面的狀態。薄板下表面與折彎機底座外圓柱面；薄板上表面分別與滑塊壓板的一個接觸面和兩個圓弧面。

圖27

2.分析步

（1）使用非線性選項（如圖28所示），包括幾何非線性（計算大變形選項）、材料非線性（塑性選項，薄板材料使用線性硬化材料模型），狀態非線性（接觸）。該分析綜合了上述三種典型的非線性方式，是一個非常典型的非線性實例，同時采取強制角度位移，傳遞折彎動力。

圖28

（2）輸出步數使用用戶定義方法，設置步數81（如圖29所示）。

3.結果后處理

（1）從摘要文件查看應力情況和接觸壓力、接觸面積、運行時間等信息（如圖30所示）。

（2）從結果窗口查看折彎過程動畫或者關鍵幀折彎過程（如圖31所示）。

圖29

圖30

圖31

（3）從結果窗口查看某一步時的應力分布以及側邊上的應力分布曲線（如圖32所示）。

圖32

四、Creo Simulate彎曲工藝模擬應用說明

針對特殊工藝開發的專業模擬軟件內置了特殊工藝的專業設置和流程，使用操作方便，同時在輸入、輸出方面進行了全面、系統的定制，而且內部包含了眾多用戶的經驗積累和專業提升，是進行具體工藝模擬的首選工具。如果客戶沒有購買專業模擬軟件，又希望借助分析模擬手段提升優化工藝設計，則可以利用已有的通用CAE軟件進行。

使用通用CAE軟件進行彎曲工藝模擬，不僅要熟悉彎曲成形工藝的原理、操作，明確在分析模擬定義中要進行的輸入輸出項；更要理解彎曲成形工藝屬于大變形彈塑性有限元范疇，在選擇通用CAE的分析模擬功能模塊時應有的放矢，理論和實際相結合。同時要熟練使用通用CAE軟件中處理彎曲變形模擬所需要的測量定義、區域分割等工具，能夠將工藝模擬目標完整地在軟件中再現。總之，使用Creo Simulate等通用CAE軟件模擬彎曲等特殊的成形工藝過程，不僅要進行特殊工藝的特殊環境要素設置，同時要求對數學、工藝學以及有限元理論等相關學科有所理解，這雖然在增加了工藝模擬設置難度，但同時也給工藝模擬提供了更為廣闊的工況設置空間。