Dynaform中文手册.docx

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Dynaform中文手册

第1节.背景

EngineeringTechnologyAssociatesInc.（ETA）板料冲压工艺组为板金成形数值分析中的基本训练准备了这个文件。

它为新的用户提供基本的信息和训练来学习该如何使用DYNAFORM-PC。

这是一个以LS-DYNA为基础的板料冲压成形数值分析技术；因此，为使用户方便和易读，这将会是“DYNAFORM-PC”的参考手册。

板料冲压成形数值分析技术在过去二十年以来有长足的发展。

这要归功于计算机的高速发展。

板料冲压成形工业仍然解决一系列的问题，包括在尝试中的试验和失败的费用。

订造一个典型的汽车面板金属模的时间要二年,其中九到十二个月为试验。

今天这个高度竞争的市场要求金属成形工业从概念上的设计到生产的产品发展周期要改进。

强烈要求成本降低,缩短生产周期，高的质量，这就需要发展ComputerAidedEngineering（CAE）模拟。

CAE应用为金属模设计和板金属形成过程模拟提供一个工具协助金属模设计者和冲压工程师在设计阶段就能评估制造的可行性;探究替代方案设计并评估trade-offs,最后,得出一个设计最优方案。

有限元分析（FEA）是分析复杂的三维板金形成的一个强力的模拟工具，可以模拟潜在的成形缺陷如开裂，起皱和回弹等问题。

它能用在金属模设计期间或如故障修理期间。

板金的可成形性可以认为是一个系统的过程，包含材料的属性，金属模设计，成形过程的控制。

DYNAFORM-PC解决包是研究上述问题和协助金属模设计者和冲压工程师完成"快速的设计原型"。

第2节.板金成形应用

这节提供板金成形过程和应用的基本知识和数据。

大部份数据和草图摘录在"ComputerModelingofSheetMetalFormingProcess;Theory,VerificationandApplication"，作者为N.M.Wang和S.C.Tang。

这个文章摘自12thAutomotiveMaterialSymposium学报，AnnArbor,Michigan,Apr.20-30,1985。

它在美国国会图书馆注册，Catalog号码为85-26015,ISBN号码为0-87339-008-3.

概略说明和讨论制造过程,主要的设计和处理关联,CAE的应用和入门。

workshop章节包括通过例子学习使用户掌握成形程序的分析。

第2.1节基本的知识

表面

大多数板金表面被分为二类:

可发展的表面-这是一个"单-参数表面"；大多数的这些零件是被辊转成形,压弯成形,折叠或翻边。

非可发展的表面-这是"doubly-curved表面"。

这类零件大多数由不规则和高度复杂的外形组成。

汽车的外部和内部嵌板是一个典型的非可发展的表面。

处理过程

大体上,板金成形处理过程主要有两类:

传统的拉延

图1和图2为传统的拉延过程。

传统的拉延有二个动作,通常用在比较复杂的零件上的过度的压边力上。

首先动作--

上压边圈闭合，把材料夹好。

上压边圈,作为夹持上毛坯的工具,由液压控制，调整压力能减少或者增加压边力。

当压边圈闭合时，毛坯将会不动。

见图1。

第二动作--

上模下冲成形嵌板。

上模被装到内部的撞槌上,这样将材料远离压边圈。

下模是固体且没有运动。

见图2。

反拉延

图3,图4和图5为反拉延锻压加工过程的三个动作。

反拉延能改良品质而且节约材料。

然而，下压边圈最大的行程被不能超过大约三寸。

为了要使压机毛坯夹持工具上的应变最小压力在三寸水平时不超过80吨。

压机图会记录压力以免超过安全的范围。

氮气缸是必需的。

首先动作--

上压边圈闭合夹紧毛坯材料而且布置拉延筋。

毛坯由下模支撑给冲床一个比较好的包裹。

当压边圈闭合,这个控制器下行并且在毛坯的背後施压，与传统的拉延有所改进。

见图3。

第二动作--

上压边圈压紧下压边圈,藉此伸展在冲床上的毛坯。

在这个动作中，目的是要用拉延筋支撑压边圈上的毛坯避免毛坯的运动。

所有的maleshapes都是在这个动作中拉伸成形的。

见图4。

第三动作--

上模腔闭合,第二次拉延材料，在嵌板中成型最后的形状。

肘杆式反拉延和传统的拉延或伸长拉延相比较多了一个附加的动作。

见图5。

不是所有的嵌板都能适应反拉延工序的,按上述的规定，下压边圈的行程限制为三寸。

传统的肘杆式拉延模

传统的肘杆式拉延有二个动作。

（在比较复杂的零件上要用过大的压边力时用）

首先动作--上压边圈闭合夹紧材料。

（装在上毛坯固定器外的上压边圈由液压控制）。

当压边圈闭合时不能控制毛坯的下行或背压。

图1

第二动作--上模冲头拉延出嵌板的形状。

（装配在innerram的上模移动压边圈上的材料）。

下模–固体。

没有运动。

图2

肘杆式反拉延

有三个动作。

（用来改良质量或节省材料）.

首先动作--上压边圈闭合夹紧材料和设定拉延筋。

毛坯由下模冲头支撑和给出一个比较好的外观。

和传统的肘杆式拉延相比，当压边圈闭合的时候,这样控制毛坯的下行和背压。

图3

第二动作--上压边圈压紧下压边圈藉此在冲头上拉伸毛坯。

在这个动作中，目的是要在压边圈上用拉延筋支撑毛坯避免毛坯的运动。

所有的maleshapes是在这个动作中成形的。

图4

第三动作--上模腔闭合,第二次拉伸材料。

然后在嵌板中的成形最后形状。

肘杆式反拉延在传统的拉延或伸长拉延上有一个附加的动作。

（伸展成形）并非所有的嵌板都能适用反拉延工序。

约束--下压边圈的最大行程不超过三寸。

为了要使毛坯固定器上的应变最小，在三寸水平时的压力不要超过80吨。

要经常检查使压力不要超过安全的范围。

氮气缸是必需的。

图5

第2.2节术语

一些术语在板金成形工业中各处被用到（有一些变化）。

下面的定义可作参考。

LineGeometry-

描述零件或工具表面的几何体。

BlankOutline--

毛坯的外围位于压边圈的表面,表示为B/O。

PunchOpeningLine--

压边圈中模腔开始的圈内心的缘周,表示为P/O。

PartOutline--

零件表面最远的边界,不包括凸缘。

FlangeLine--

凸缘的轮廓,出现在翻边操作之前。

TrimLine--

沿着成形零件的边界从毛坯被修整。

ToolGeometry-

这是用先前定义的linegeometry术语定义在成形过程中工具的几何体。

图7为一个典型的凹型侧刃工具表面。

Binder--

Binder被定义为一个圈，内部边界是PunchOpeningLine和外部边界是BlankOutline。

Addendum--

Addendum是工具表面的一部分，由PartOutline和PunchOpeningLine划分边界。

Punch/DieSurface--

冲头或金属模表面是从工具内部到PartOutline的那个表面。

冲头或金属模表面可以由CAD线框和（或）CAD表面定义。

BreakAngles--

在冲头/金属模表面断面的一个片段和冲程方向之间的角。

（见图8。

）

ToolSurface--

由冲头（或金属模）表面和addendum表面组成的表面。

BinderWrap-

这个断面定义BinderWrap中板金属的几何体固有术语。

图形为一典型的BinderWrap表面。

BinderWrap--

当板料在BinderRing中被包裹的时候,初次级成形过程生成。

SheetShape--

在BinderWrap期间由板料假定的形状。

PeakLineofWrap--

一个曲线沿着板料形状断面连接wrap的最高点。

对于可发展的压边圈，这是一条经压边圈反面的连接最高点的线。

（看见图10）。

FormingDefects-

这是定义那些在成形过程期间相关的到缺陷的结果。

SkidLine--

当毛坯移动通过工具表面的边界时，给毛坯表面的反面施加压力而在毛坯的表面产生的一种缺陷。

Wrinkling--

集中的压力作用在非支持或无限制的区域使毛坯起皱。

Splitting--

由于剧烈的拉延和（或者）拉深圆角太小导致龟裂。

其他因素有过度弯曲，反向弯曲和过度变薄。

PartSurfaceClassification-

这个定义成形零件表面的质量保证术语。

Class1Surface--

一个零件的一部分，用来虚构一个外表面使客户看得见。

Class2Surface--

一个零件的一部分，用来在移走Class1Surface后虚构一个外表面使客户看得见。

第2.3节主要的设计关系

介绍-

汽车制造过程的主要瓶颈是设计所需的leadtime和制造业嵌板冲锻加工压铸模。

主要关心的是处理缺陷的零件的开裂,变薄，压边圈滑移线,起皱和回弹。

intermsofvariationindimensions,全部的vehiclegeometrical错误是明显的vehiclefabrication差质量。

破裂-

在平面应变变形状态之下冲压零件开裂现象要以分为3类,每个类型通常在一个特别的位置发生。

见表1。

开裂时常在冲头的shoulder附近的一个小的半径区域中发生。

这些开裂通常被考虑在"Stretch-Bending"作用下产生。

center-of-wall开裂是由于过度变薄和伸长而造成材料延展性损坏,被表示为塑料的失稳。

当材料通过拉延筋进入模腔时开裂位置由材料的强度和延展性决定。

这些区域受剧烈的重复弯曲和变形影响。

这种现象被表示为流量局限。

塑料失稳和流量局限性都有non-uniaxial受力状态。

板金的可成形性时常由成形极限线图（FLD）从应变分析评价,FLD表现受限制的平面主应变和小应变之间的关系。

一个典型的成形极限线图（FLD）如图11。

变薄-

变薄现象或法向应变（变薄的百分率）是金属伸展结果。

对于结构钢，可接受的范围通常是4%到20%的厚度。

过度的变薄将会使零件的刚性变弱并且是开裂的主要因素。

材料的延展性和伸长属性是控制变薄现象的因数。

变薄效果能被拉延筋设计调整控制。

overtightened的抑制力也将会引起过度的变薄。

零售件最好统一变薄。

变薄一定是在模具设计方面考虑的一个因数。

压边圈滑移线-

金属的过度伸展（高的拉力）会使材料滑移。

材料将会严重地损坏并且将会在零件上出现"skidline"。

橇滑移线会使零件报废。

起皱-

在金属片成形过程序中，板料平面的抗压应力能引起几种类型的几何失稳。

有wrinkling,puckering,folding,bucklingandoilcanning。

这些现象在薄板中更坏。

"起皱"时常在二个区域发生，flangewrinkling和wallwrinkling,见图12.

flangewrinkling和wallwrinkling都是由compressivehoopstresses产生的。

应力的大小不需要太大,只要自由长度的厚度是大的。

起皱经过blankholder压力及/或拉延力可以消除。

blankholder压力及/或拉延力不断地在冲床冲程作用期间改变。

如果峰压过大或拉延筋压得太紧,毛坯可能开裂。

然而，如果冲头压力和拉延力太低,可能起皱。

另一种情形时常引起起皱的是偏心负苛的出现

不对称零配件。

上模和下横被改变。

这改变模具的间隙和在边缘的周围引起不相同的blankholder压力。

结果,起皱将会在blankholder压力是比较低的区域中发生,相反,刚性区域将会开裂。

SpringBack（回弹）-

金属毛坯材料紧紧地贴着金属模的形状；然而，当冲压加工负载被卸载，零件没有受压而变形。

这个变形通常被称为"回弹"。

回弹现象随着材料的强度，金属模间隙，弯曲半径的增加和材料厚度的减小而增加。

回弹要求在金属模设计中被考虑，符合产品设计需求装配。

材料之间的矛盾会产生回弹数量的不一致。

二个组成全部回弹的成分是:

（见图13）

ElasticSpringBack（弹性回弹）--在冲压加工过程中产生弹性形变,主要是由于冲头和金属模之间的间隙比板金厚度大。

回弹角太大可能造成完全地扭曲了的形状。

屈服应力,模具间的间隙，和板料的厚度是有弹性回弹的主要因数。

PlasticSpringBack（塑性回弹）--在塑性的非成形的区域中,卸载过程释放的残余应力是产生形位误差和回弹现象的因素。

主要的因数是板料的压力和厚度。

通常在简单的形状中解决回弹问题叫做"doublebend"或"spanking"。

这个工序的第一个步通常是用一大的半径弯曲或成形零件。

第二步是用最终的小半径弯管或成形零件。

过度的弯曲是另外一种补偿方式。

ToolingStructureOverload-

一般地,支撑结构要承受过度的压力和重复的冲压加工负载。

但是在支撑结构中最弱的一个环节是由于刚性和强度缺乏,经常开裂和（或）变弱。

除了其他的问题,在过载状态下产生的结果是差的质量和生产率下降。

准确的过载状态下的线性静态分析能识别出结构的薄弱环节。

一个容易的解决方法是加厚薄弱环节。

然而,使用CAE进行模具结构的设计,将会全部解决此类问题。

第2.4节材料的BEHAVIOR&应用

板金成形的基本介绍

为了要集中研究材料的基本知识来进行板金成形，我们首先讨论材料的基础行为,然後讲解一些有用的专门术语。

在负载下工程材料的变形行为

一般的在负载下工程材料的变形行为如下。

在这张图中，变形被分为三个部分:

0-A,A-B,B-C.每个部分有不同的特征,以下分别描述

0-A:

点"A"的应力被称为YIELD。

变形从0到A被叫做柔性变形,当负载被释放时变形不保持,然後引起"SPRINGBACK".

A-B:

点"B"是断面收缩点。

A-B的变形叫做塑性变形,当负载被释放时应变保持,那是‘PERMANENTDEFORMATION’。

B-C:

点"C"是‘FAILURE’点。

当断面收缩发生的时候,材料的横断面积快速减小直到失效。

这个变形叫做INSTABLEDEFORMATION。

从‘0'到‘B'的范围是安全成形区,和‘B-C’范围'是塑性不稳定区,将会引起成形工件的失效。

正确的应力和正确的应变

因为在板金成形中发生大的变形,这需要定义正确的应力和正确的应变。

正确的应力=压力/实际的横断面面积

б=F/A

正确的应变=ln（现在的长度/最初的长度）

ε=ln（l/l。

）

屈服曲面

在板料成形过程中，屈服来自三维的箱体。

那就是,材料的应力集中产生屈服。

大体上，在一种材料中的任何点有六个应力动作:

三个法向应力бx，бy，бz

三个剪应力txy，txz，tyz

屈服表面就是空间中包含所有应力集中点的表面，它会引起材料的屈服。

在板金成形中,平面应力假定为

бz=txz=tyz=0

使用VonMisesYieldCriterion,在应力空间中的屈服表面显示如下。

有平面应力的屈服表面

选择材料模型

大体上,选择材料模型要完成三个手工操作，材料的等级,表面淬火和决定载荷状态。

材料的等级

当为模拟选择材料模型的时候,你一定知道材料属于那一类,金属，橡皮或泡沫等。

那看似简单的工作可能帮助你排除大部份材料的模型。

表面淬火

对于要进行模拟的用户来说，材料的表面淬火是非常重要的知识。

材料的淬火对下面的参数很敏感,液体,各向异性,应变率,或没有硬化。

对于板金成形,最敏感的参数非线性硬化的各向同性。

负载状态

在板料成形的时候，毛坯实际上受载三个方向的负载。

要不是工程应用,我们时常使用壳体要素，因为在厚度方向的应力很小,平面-应力条件大概为板金成形而假定的。

这项假定将会帮助你减少模型选择范围而且使你容易工作。

在第6.2节中选择物质的模型和参数的一个例子，用户可以参考。

第2.5节FLD介绍及其应用

FLD介绍

FLD的概念

成形极限线图（FLD）是一个估计给定类型的板金的缺陷并修正的工具。

纵轴表示主应变的百分率，水平轴表示小应变的百分率。

只要在FLD描出主应变和小应变，就能表示一个零件的应变状态。

产生FLD

通常用一个半球形的冲头，其中有不同宽度的毛坯和不同的润滑状态。

对于equibiaxial应变路径,要用到一个完全润滑的正方形毛坯，它的外围完全被夹紧。

拉伸试验可能用给出线图中很左边的点。

在看得见的断面收缩和破裂的周围应变可以被测量。

典型地，这些应变从圆格毛坯中测量。

每个量过的圆分为断裂收缩或可接受的。

当所有的这些量过的应变被标到图上时,

成形极限线图将完成。

上述提到，测量应变是在平面应力状态之下生成的，应力为

smaj>0（在主应变方向中）

smin≥0（在小应变方向中）

FLD在板金成形模拟中的应用

在应变空间中，变形的五个主要模型可以表示为。

BIAXIALSTRETCH（O-A线）：

板料在两个方向中伸长量相等。

应变和应力为

emaj=emin,et=0（在厚度方向中）

smaj=smin>0,st=0

PLANESTRAIN（O-C线）:

板料只在一个方向中被伸展。

应变和应力为（为各向同性材料）

emaj=et（在厚度方向中）,emin=0

smaj>smin>0,st=0

UNIXIALTENSION（O-B线）：

板料它在一个方向中伸长而在另一个方向中收缩。

对于各向同性材料，应变和应力为

emaj=-2emin=-2et

smaj>0，smin=0,st=0

PURESHEAR（O-D）:

在一个方向伸展，在另一个方向中有一个相等量的压缩应变与之平衡。

应变和应力为

emaj=-emin,et=0

smaj>0，smin<0,st=0

UNIAXIALCOMPRESSION（O-E）：

板料在一个方向压缩而在另一个方向中被伸长。

应变和应力为

et=emaj=-1/2emin

smaj3￡0，smin<0和êsmin÷>êsmaj÷,st=0

第2.6节CAD解决方案--快速原型设计

十年前板金成形方面的专家讨论用他们广泛经验和柔性工具尝试解决板金成形中的主要问题。

自从发明计算机以来，计算机辅助制造（CAE）得到发展。

这种技术包含封闭的成形溶液的利用，二维和三维空间和直接的节点，图形和上述的结合。

随着计算机能力的迅速成长能高辨识率图形，快的处理器速率，大的内存和储存容量，CAE在板金成形中得到广泛应用。

在工程中主要的瓶胫之一是柔性工具和硬性工具的交货时间。

柔性工具交货时间为从零件规划设计到准备好原型进行测试/制造的时间。

硬性工具交货时间是零件详图设计到开始生产（SOP）的时间。

短缩这些时间是使用CAE的最初目的之一。

花费减小和比较好的质量也是主要的目的。

多数的CAE方法用来解决各种不同的问题,但对于复杂的汽车嵌板,三维有限元分析是最好的方法。

内部和外部节点的结合将会允许用户为问题选择最适当的工具。

主要的预先处理板金成形方法是用线框数据处理CAD表面,为板金成形应用生成适当的网格而且为重复设计研究修正CAE模型。

这些操作一定要有效率而且能解决问题。

主要的板金成形后处理是处理分析结果和生产一个有用的结论。

DYNAFORM-PC,一个预先和后处理器,符合上述的需求。

第3节.基本模拟知识

第3.1节为毛坯设定特别的负载

对于一些板金成形过程,在冲压加工过程的压力将在毛坯的内部，外部或边界上加载。

用户必须知道该如何使用DYNAFORM-PC定义这些负载。

定义压力和边界负载

这个例子有两步,定义‘负荷曲线’和生成一个‘loadset’。

下图显示内部的压力和边界负载。

指令:

Utility/LoadCurve/CreateCurve

1.在菜单栏中选择UTILITY，弹出一个对话框。

2.在LOADCURVE下拉式菜单中选择CREATECURVE，弹出一个对话框。

3.为一条负荷曲线输入数据。

注意曲线的ID号码。

指令:

B.Condition/LoadSet（definepressure）

1.在菜单栏中选择B.CONDITION，将显示一个下拉式菜单。

2.在下拉式菜单中选择LOADSET，弹出一个对话框。

3.点击PRESSURE和选择CREATE,弹出一个对话框。

4.在框中键入先前定义负荷曲线的ID号码。

5.显示一个对话框。

为LCID,SF，AT输入数据。

输入相同的号码作为负荷曲线的ID,1（scalefactor）作为压力负载的开始时间。

点击ACCEPT。

6.为压力负载选择元素。

从OPTIONLISTICONS中你可以选择byDRAGWINDOW或BYPART。

7.弹出另外一个相同内容的对话框；如果你在负载组中不定义其他的机械要素,点击CANCEL/END。

8.内部压力负载已被定义。

指令:

B.Condition/LoadSet（defineforce）

1.重复1-2步，点击FORCE和选择CREATE。

弹出一个对话框。

2.输入一个和负载曲线相同的ID号码和点击ACCEPT。

3.一个对话框会显示三个参数:

DOF,LCID,SFforsetup。

举例如下:

DOFEQ.:

1.X-directionofloadaction,

2.Y-directionofloadaction,

3.Z-directionofloadaction,

5.Momentaboutthex-axis,

6.Momentaboutthey-axis,

7.Momentaboutthez-axis.

LCIDEQ.:

‘LoadCurve’ID

SFEQ.:

1.

4.重复6-7步直到边界负载被定义。

第3.2节设定特别的边界条件

在一个模拟过程中为相对的工件或特别的成形过程设定边界状态是需要的。

在这节里，我们给定一个工件边界极限例子来帮助你学习使用边界状态的操作。

顶端边缘

约束运动

对于上述的毛坯，最高边缘的节点除了Y轴方向其余方向都受到约束。

这就完成边界条件。

指令:

B.Condition/SPC（DefineBoundaryCondition）

1.在菜单栏中选择B.CONDITION。

2.在下拉式菜单中挑选SPC，弹出一个对话框。

选择ConstrainNodesByDragWindow

最高边缘的X,Z轴受到约束

4.在SPCSET对话框中定义约束类型:

3.选择ANYCOMBINATION,而且输入1。

4.在OPTIONLISTICONS栏中的SELECTBYDRAGWINDOW功能选择约束节点。

见前页。

5.在图标栏中选择ENDSELECT；边界条