毕业设计41板材弯曲成形数值模拟.docx

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毕业设计41板材弯曲成形数值模拟

板材弯曲成形数值模拟

前言

有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。

有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。

经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。

将有限元分析应用于冲压工艺的模具设计中，可以避免仅凭经验和试制这种传统的模具设计方法所带来的弊端，可以节省昂贵的模具试验费用，指导模具设计制造，缩短产品更新周期。

本次毕业设计就是应用有限元分析软件ANSYS对板材的弯曲过程进行模拟仿真，对板材弯曲后的应力和变形情况进行计算分析并查找面板弯曲后最大应力和最大变形的发生点，通过方案对比得出模具结构的最佳工艺参数即最佳的凸、凹间隙，优化模具的结构设计。

这次设计是在参阅了大量文献并在张艳君导师的辅导下完成的。

由于本人设计经验不足，所学知识有限，错误之处在所难免，敬请各位老师批评指正，以便完善。

编者

中文摘要………………………………………………………………………………1

英文摘要………………………………………………………………………………2

1绪论…………………………………………………………………………………

1.1CAE技术…………………………………………………………………………

1.2有限单元法………………………………………………………………………

1.3ANSYS软件………………………………………………………………………

1.4本章小结…………………………………………………………………………

2金属工艺数值模拟…………………………………………………………………

2.1基本概念…………………………………………………………………………

2.2基本原理…………………………………………………………………………

2.3作用………………………………………………………………………………

2.4本章小结…………………………………………………………………………

3弯曲工艺机理分析…………………………………………………………………

3.1板料弯曲变形分析………………………………………………………………

3.2板料回弹的机理分析……………………………………………………………

3.3本章小结…………………………………………………………………………

4参数计算及方案确定………………………………………………………………

4.1问题描述…………………………………………………………………………

4.2门面板成形工艺过程……………………………………………………………

4.3计算过程…………………………………………………………………………

4.4方案确定…………………………………………………………………………

4.5本章小结…………………………………………………………………………

5ANSYS建模简化……………………………………………………………………

5.1模型的简化与分析………………………………………………………………

5.2板料弯曲过程的简化……………………………………………………………

5.3本章小结…………………………………………………………………………

6弯曲工艺的ANSYS分析……………………………………………………………

6.1前处理操作………………………………………………………………………

6.2求解操作…………………………………………………………………………

6.3后处理操作………………………………………………………………………

6.4本章小结…………………………………………………………………………

7结果与误差分析……………………………………………………………………

7.1面板的回弹分析…………………………………………………………………

7.2面板的应力分析…………………………………………………………………

7.3本章小结…………………………………………………………………………

结语……………………………………………………………………………………

致谢……………………………………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………………

中文摘要

本设计是采用有限元分析软件ANSYS，对板材弯曲成形过程进行模拟仿真，根据理论间隙值范围调整凸、凹模单边间隙，分析回弹和应力集中区。

通过分析比较得到较理想的间隙值，从而达到优化设计的效果。

通过准确地模拟出模具与板料之间的动态接触，在全面分析板料与模具接触边界动态变化的基础上，结合ANSYS软件给出了模型的几何描述、接触算法选择、接触摩擦模型的建立等具体方法。

通过具体应用实例分析，证明了这些方法应用于板料弯曲成形分析的可行性，而其变形规律具有一定的典型性。

研究这类弯曲件的成形规律，不仅对这类件成形工艺参数和工艺步骤的确定是至关重要的，同时也是进一步认识复杂件成形规律的基础。

应用ANSYS软件对冰箱上门面板弯曲成形过程进行有限元分析并优化设计，可以避免许多由传统的模具设计方法所导致的设计缺陷，提高成品率和生产效率。

关键词有限元ANSYS弯曲模拟仿真间隙回弹应力规律

外文摘要

TitleGateKneadingBoardCurvingFormingValueSimulation

Abstract

ThisdesignusesfiniteelementanalysissoftwareANSYS,carriesonthesimulationsimulationtothesheetcurvingformingprocess,accordingtotheorygapvaluerangeadjustmentraised,concavemoldunilateralgap,analysissnappingbackandstressconcentrationarea.Obtainstheidealgapvaluethroughtheanalysiscomparison,thusachievestheoptimizeddesigntheeffect.Throughsimulatesbetweenthemoldandthesheetdynamiccontactaccurately,contactstheboundarydynamicchangeinthecomprehensiveanalysissheetandthemoldinthefoundation,unifiedtheANSYSsoftwaretogivethemodelgeometrydescription,thecontactalgorithmchoice,thecontactfrictionmodelestablishmentandsoontheconcretemethod.Throughtheconcreteapplicationexampleanalysis,hadproventhesemethodsapplyinthesheetcurvingforminganalysisfeasibility，Butitsdistortionrulehascertaintypicalnature.Studiesthiskindofcurvingformedrule,notonlytothiskindofformedcraftparameterandthecraftstepdeterminationisveryimportant,simultaneouslyalsoisfurtherknowstheduplicatemiscellaneousitemsformingrulethefoundation.VisitsthekneadingboardcurvingformingprocessusingtheANSYSsoftwaretotherefrigeratortocarryonthefiniteelementanalysisandtooptimizethedesign,mayavoidmanythedesignflawwhichcausesbythetraditionalmolddesignmethod,enhancestherateoffinishedproductsandtheproductionefficiency.

KeywordsFiniteelementANSYScurvingsimulationgapsnappingbackstressrule

1.绪论

1.1CAE技术

1.1.1CAE的概念与分类

CAE是计算机辅助工程（Computer-AidedEngineering）的英文简称，随着计算技术的发展，企业可以建立产品的数字样机，并模拟产品及零件的工况，对零件和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真。

在产品开发阶段，企业应用CAE能有效地对零件和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术参数，发现产品缺陷、优化产品设计，并极大降低产品开发成本。

在产品维护检修阶段能分析产品故障原因，分析质量因素等。

有限元分析在CAE中运用最广，有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。

物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。

随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。

如图1-1所示为现行CAE软件的结构示意图:

CAE软件可分为专用与通用两类，前者主要是针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析，预测和优化的软件，它以在某个领域中的应用深入而见长，如美国ETA公司的汽车专用CAE软件LS/YNA3D及ETA/FEMB等。

通用型软件可对多种类型工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价利优化，以实现产品创新的软件，它以覆盖的应用范围广而著称，如ANSYS、NASTRAN、MARC等。

CAE软件的主要价值在于：

在设计阶段，通过对工程和产品进行加工、性能和安全可靠性的模拟，可以及早发现设计缺陷，并预测工程产品的可靠性与实用性，为工程实施、产品创新提供技术保障。

CAE技术的发展动力是CAD/CAM技术水平和应用水平的提高，CAE技术的发展条件是计算机及图形显示设备的推出，CAE软件的理论基础是有限元、边界元法等现代计算力学方法，其核心内容是计算机模拟和仿真。

1.1.2CAE的作用与发展

美国上市公司Moldflow公司是专业从事注塑成型CAE软件和咨询公司，自1976年发行了世界上第一套流动分析软件以来，一直主导塑料成型CAE软件市场。

近几年，在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用。

利用CAE技术可以在模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再返修模具。

这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。

塑料模具的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术。

这是发展的必然趋势。

注塑成型分两个阶段，即开发/设计阶段（包括产品设计、模具设计和模具制造）和生产阶段（包括购买材料、试模和成型）。

传统的注塑方法是在正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制品和模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期。

采用CAE技术，可以完全代替试模，CAE技术提供了从制品设计到生产的完整解决方案，在模具制造之前，预测塑料熔体在型腔中的整个成型过程，帮助研判潜在的问题，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本。

近年来，CAE技术在注塑成型领域中的重要性日益增大，采用CAE技术可以全面解决注塑成型过程中出现的问题。

CAE分析技术能成功地应用于三组不同的生产过程，即制品设计、模具设计和注塑成型。

制品设计

制品设计者能用流动分析解决下列问题：

（1）制品能否全部注满　这一古老的问题仍为许多制品设计人员所注目，尤其是大型制件，如盖子、容器和家具等。

（2）制件实际最小壁厚　如能使用薄壁制件，就能大大降低制件的材料成本。

减小壁厚还可大大降低制件的循环时间，从而提高生产效率，降低塑件成本。

（3）浇口位置是否合适　采用CAE分析可使产品设计者在设计时具有充分的选择浇口位置的余地，确保设计的审美特性。

模具设计和制造

CAE分析可在以下诸方面辅助设计者和制造者，以得到良好的模具设计：

（1）良好的充填形式　对于任何的注塑成型来说，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、经济。

单向充填是一种好的注塑方式，它可以提高塑件内部分子单向和稳定的取向性。

这种填充形式有助于避免因不同的分子取向所导致的翘曲变形。

（2）最佳浇口位置与浇口数量　为了对充填方式进行控制，模具设计者必须选择能够实现这种控制的浇口位置和数量，CAE分析可使设计者有多种浇口位置的选择方案并对其影响作出评价。

 （3）流道系统的优化设计　实际的模具设计往往要反复权衡各种因素，尽量使设计方案尽善尽美。

通过流动分析，可以帮助设计者设计出压力平衡、温度平衡或者压力、温度均平衡的流道系统，还可对流道内剪切速率和摩擦热进行评估，如此，便可避免材料的降解和型腔内过高的熔体温度。

（4）冷却系统的优化设计　通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。

 （5）减小反修成本　提高模具一次试模成功的可能性是CAE分析的一大优点。

反复地试模、修模要耗损大量的时间和金钱。

此外，未经反复修模的模具，其寿命也较长。

注塑成型

 注塑者可望在制件成本、质量和可加工性方面得到CAE技术的帮助：

（1）更加宽广更加稳定的加工“裕度”　流动分析对熔体温度、模具温度和注射速度等主要注塑加工参数提出一个目标趋势，通过流动分析，注塑者便可估定各个加工参数的正确值，并确定其变动范围。

会同模具设计者一起，他们可以结合使用最经济的加工设备，设定最佳的模具方案。

（2）减小塑件应力和翘曲　选择最好的加工参数使塑件残余应力最小。

残余应力通常使塑件在成型后出现翘曲变形，甚至发生失效。

（3）省料和减少过量充模　流道和型腔的设计采用平衡流动，有助于减少材料的使用和消除因局部过量注射所造成的翘曲变形。

（4）最小的流道尺寸和回用料成本　流动分析有助于选定最佳的流道尺寸。

以减少浇道部分塑料的冷却时间，从而缩短整个注射成型的时间，以及减少变成回收料或者废料的浇道部分塑料的体积。

1.2有限单元法

1.2.1基本概念与发展

有限单元法是应用数值分析技术并借助于电子计算机的高速、大容量的功能把复杂的工程结构的强度、刚度及动态特性分析计算问题转化为概念浅显、容易掌握、适应范围广泛和精确度高的一种分析计算方法。

其基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是有许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单）的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件）从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解。

由于大多数实际问题难以得到准确解而有限元不仅计算精度高而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限单元法最初是在二十世纪五十年代作为处理力学问题的方法出现的，在1945至1955这十年间发展起来的结构分析矩阵（位移）法可以说是他的雏形。

1956年TurnerClough把刚价位移（直接刚度法）应用到弹性力学平面问题中去，他们把结构划分成一个个三角形和矩形的“单元”。

与矩阵法不同的是，矩阵分析法中每一结构件的力与位移的关系是精确推导出来的，而有限元法的解则是利用每一单元中近似的位移函数。

初期的有限（单元）法是建立在虚功的原理上。

1963-1964年Besseling、Melosh和Jones等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹（Ritz）法的另一种形式，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法，扩大了有限元法的应用范围。

从20世纪60年代后期开始，进一步利用加权余量法，主要是伽辽金法（Galerkin）法，来确定单元特性和建立有限元求解方程，使之应用于已知问题的微分方程和边界条件、但变分的泛函尚未找到或根本不存在的情况，进一步扩大了有限元法的应用领域。

四十年来，有限单元法蓬勃发展，其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。

分析的对象从弹性材料扩展到流体力学、渗流与固结理论、热传导与热应力问题、磁场问题以及建筑声学与噪音问题。

不仅涉及稳态场问题，还涵盖材料非线性、几何非线性、时间维问题和断裂力学等。

已出现多种新单元（先后有等参元、高次元、不协调元、杂交元、样条元、边界元、罚单元、半解析的有限条等不同单元）和求解方法（如半带宽于变带宽消去法、超矩阵法、波前法、子结构法、子空间迭代法等）。

能解决各种复杂耦合问题的软件和软件系统不断涌现。

对网格自动剖分和网格自适应过程的研究，大大加强了有限元法的解题能力，使有限单元法逐渐趋于成熟。

1.2.2基本原理

对结构系统进行应力分析时，系统中各点的位移是主要的位置量。

一旦知道了这些位移，就不难计算应变和应力了。

有限单元法的基本思想是：

用一些已知函数（通常是多项式）和物体上预定点处的位移来表示物体的位移或变形。

把这些选为系统的有限单元网格点称之为节点，其位移称为节点位移。

一旦求得了节点位移，系统中其他的位移就可以求得。

有限元法的求解基本步骤如下：

（1）结构离散化结构离散化过程就是将分析的结构划分成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点。

把相邻的单元体在节点处连接起来组成单元的集合体。

离散后的结构，单元之间主要靠节点相连接。

（2）单元特性分析由于结构离散化，剖分后的单元，可以选择一个简单的函数，近似地表示每个单元上任一点的真实位移，即单元内任一点位移是坐标的函数，这样可以采用变分原理或虚功方程建立起作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式：

式中：

称为单元刚度矩阵，它是由结构材料性能及单元的几何特性所决定的，一旦材料和单元的几何尺寸确定，

就是已知的；

是节点位移；

是节点力，使单元与单元之间相互作用力。

（3）整体分析单元特性分析仅能得到单元的局部信息，所有的单元是通过节点连接组成整体的。

将各个单元的方程，按照保持节点位移连续性的原则，把所有单元的方程组合起来，形成整体平衡方程：

式中：

为整体刚度矩阵，它是由所有单元的刚度矩阵组集而成的，且只与单元尺寸及材料特性有关；

是节点位移向量，取决于节点数和每个节点的自由度；

是作用在结构上的外力。

上述方程还应考虑几何边界条件，做适当的修改后，该方程才有唯一的解。

（4）求解未知节点的位移和计算单元应力用组集而成的平衡方程应用数值解法得到各个节点的位移值，再根据应力与位移的关系式，求出应力。

1.3ANSYS软件

1.3.1ANSYS软件概述

ANSYS软件是由总部设在美国宾夕法尼亚州匹兹堡的世界CAE行业著名的ANSYS公司开发研究的大型CAE仿真分析软件，是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于铁道、石油化工、航空航天、机械制造、土木工程、地矿、汽车、日用家电等一般工业及科学研究。

ANSYS软件的功能更加强大，使用便利。

ANSYS提供的虚拟样机设计法,使用户减少了昂贵费时的物理样机,在一个连续的、相互协作的工程设计中，分析用于整个产品开发过程,并且工作人员之间像一个团队一样相互协作。

ANSYS分析模拟工具易于使用，支持多种工作平台，并在异种结构平台上数据百分之百兼容，提供了多场耦合的分析功能。

同时该软件提供了一个个不断改进的功能清单，包括：

结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言（APDL）的扩展宏命令功能。

基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，为用户使用ANSYS提供“导航”。

在结构分析中，ANSYS可以进行线性及非线性结构静力分析、线性及非线性结构动力分析、线性及非线性屈曲分析、断裂力学分析、复合材料分析、疲劳分析及寿命估算、超弹性材料分析等。

ANSYS软件具有强大的帮助功能，帮助系统包括所有的ANSYS命令解释所有的图形用户界面解释和ANSYS系统分析指南。

该软件可浮动运行于从PC机、NT工作站、UNIX工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统中，还可与许多先进CAD软件如Pro/Engineer、Nastran、Alogor、I—DEAS和AutoCAD等共享数据。

利用ANSYS的数据接口，可精确地将在CAD系统下生成的几何数据传入ANSYS，这样可以节省用户在建模过程中所花费的大量时间，极大地提高了工作效率。

1.3.2ANSYS软件功能

ANSYS软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析。

一个典型的ANSYS分析过程为：

创建有限元模型、施加载荷进行求解和查看分析结果。

对应软件结构的三个程序模块：

前处理模块（PREP7），分析求解模块（SOLUTION）和后处理模块（POST1和POST26）。

前处理模块为一个强大的实体建模和网格划分的工具，通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有限元模型。

分析求解模块即是已建立好的模型在一定的载荷和边界条件下进行有限元计算，求解平衡微分方程，进行结构分析、流体动力分析、声场分析、电磁场分析、压电分析和多物理场的耦合分析等。

后处理模块是对计算结果加以处理，将结果以等值线、梯度、矢量粒子流及云图等图形方式显示出来。

也可以用图表曲线的方式输出。

1前处理模块（PREP7）

（1）参数定义

ANSYS程序在进行结构建模的过程中，首先要对所有被检模型的材料进行参数定义。

包括定义使用单位制，定义所使用单元的类型，定义单元的实参数，定义材料的特性以及使用材料库文件等。

在单位制的制定中，ANSYS并没有为分析指定固定的系统单位。

除了磁场分析之外，还可以使用任意一种单位制，只要保证输入的所有数据都是使用同一单位制里的单位即可。

单元类型的定义是结构进行网格划分的必要前提。

材料的特性是针对每一种材料的性质参数，例如