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轉(zhuǎn)發(fā)自：制造技術(shù)/工藝裝備 現(xiàn)代制造工程（Modern Manufacturing Engineering) 2013年第11期

作者：謝秉順1，朱健軍1，魯萬彪1，唐晶晶1，艾國平2，盧文壯2 （1南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司工業(yè)化部，南京210031；2南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016）

摘要：彎梁是城市軌道車輛上的重要零/部件，彎梁板材在沖壓成形過程中受到多重非線性因素影響，成形機(jī)理復(fù)雜，成形質(zhì)量難以控制。

利用有限元數(shù)值模擬對(duì)彎梁板材沖壓成形過程進(jìn)行仿真研究，得到了彎梁板材成形極限圖、厚度減薄率分布圖、應(yīng)力及應(yīng)變分布圖，研究結(jié)果為彎梁板材沖壓工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：彎梁；沖壓成形；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：TG356，11文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671一3133（2013）11 085．）4

Simulation and process improvement for sheet stamping forming Of curved steel girder

Xie Bingshunl，Zhu Jianjunl，Lu Wanbiaol，Tang Jingjing，Ai Guoping，Lu Wenzhuang2

（1 Department of Industrialization，CSR Nanjing Puzhen Co. Ltd.，Nanjing 210031，China；

2 College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016 China）

Abstract：Curved steel girder is one of the most important part in railway carnage. The forming mechanism Of curved steel girder forming is very complex because Of the nonlinear factors during the sheet stamping forming process which will reduce the quality of product. The finite element analysis was used to simulate the sheet stamping forming Of curved steel girder. The stamping form mg performance Of curved steel girder was analysed using finite element method. The forming limit diagram，cross-sectional thickness distributlon，stress distribution and strain distribution were obtained. The results can be used for design Of curved steel girder forming process.

Key words：curved steel girder；sheet stamping forming；simulation

彎梁是城市軌道車輛上的重要零/部件，批量生產(chǎn)時(shí)采用模具沖壓成形的方式。由于彎梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模具沖壓成形中容易產(chǎn)生起皺、破裂和回彈等問題，其成形質(zhì)量難以控制。有限元方法能夠?qū)Π宀某尚芜^程進(jìn)行模擬，得到板材成形過程中每個(gè)時(shí)刻的位移、應(yīng)變和應(yīng)力分布，并能預(yù)測(cè)板材的成形情況 本文利用有限元數(shù)值模擬對(duì)彎梁板材沖壓成形過程進(jìn)行仿真研究，以期獲得彎梁板材沖壓成形特性，為彎梁板材沖壓工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。 1幾何模型及有限元模型

1. 1彎梁的幾何模型

彎梁的零件圖如圖1所示。本文根據(jù)板材圖樣尺寸進(jìn)行幾何建模，模具包括凸模和凹模。板材的尺一寸根據(jù)彎梁的零件圖采用Dynaform有限元逆算法展開獲得。在Pro/E中建立彎梁成形過程分析的幾何模型如圖2所示，板材厚度為2mm。彎梁的成形過程為：先成形彎梁的上圓弧曲面；然后拉伸成形彎梁的兩側(cè)邊，拉伸成形的同時(shí)對(duì)兩邊的下圓弧曲面以及壓延邊進(jìn)行約束；最后成形彎梁的下圓弧曲面。考慮到彎梁成形分析的算法需求，在幾何模型中，凹、凸模及板材均以面或殼模型建立。

1. 2彎梁的有限元模型

彎梁成形材料為05CuPCrNi高耐侯結(jié)構(gòu)鋼板材，其彈性模量：2 · 07 × 105MPa，泊松比“：0 · 28，屈服強(qiáng)度：355MPa，抗拉強(qiáng)度：550MPa，強(qiáng)化系數(shù) ：330，硬化指數(shù)：0 · 195，應(yīng)變率參數(shù)c：40，p：5。將Pro/E中建立的彎梁幾何模型導(dǎo)人有限元分析軟件 Dynaform，建立彎梁的有限元分析模型。有限元模型中彎梁的材料屬性參照05CuPCrNi材料的屬性進(jìn)行定

2013年第I l期 現(xiàn)代制造工程（Modern Manufacturing Engineering)

274．5

小A旋轉(zhuǎn) 94

圖1彎梁的零件圖

凸模

圖2彎梁成形過程分析的幾何模型

義，彎梁板材采用BelytSChko-Wong-Chiang薄殼單元2，將凹、凸模和壓邊圈定義為剛體，采用* MATRIGID定義其平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，凸模、凹模以及壓邊圈與彎梁板材之間的接觸均采用* CONTACT-FORMING-ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE進(jìn)行定義，摩擦因數(shù)設(shè)定為0．巧。為了減少?zèng)_壓分析過程中各單元之間應(yīng)力的間斷性，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，彎梁板材采用精細(xì)的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為Imm, 沖壓模具采用剛體材料模型，其網(wǎng)格劃分采用細(xì)密網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為3mm。網(wǎng)格劃分后的彎梁成形過程分析的有限元模型如圖3所示。

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圖3彎梁成形過程分析的有限元模型

2結(jié)果與討論

2，1成形極限圖

成形極限圖也稱為成形極限曲線，它表示金屬薄板變形過程中，在金屬薄板平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)變、 2聯(lián)合作用下，某一區(qū)域發(fā)生減薄時(shí)，可以獲得的最大應(yīng)變量。成形極限圖分為安全區(qū)、臨界區(qū)、破裂區(qū)和褶皺區(qū)四個(gè)部分，是判斷薄板成形性最有效的一種方法[ 。34] 通過沖壓成形數(shù)值模擬得到的彎梁板材成形分布情況如圖4所示。

從圖4a中可以看出，總體上彎梁成形處于安全區(qū)內(nèi)，彎梁能夠順利成形。圖4b所示反映出彎梁板材成形分布不均勻，彎梁的上圓弧曲面和下圓弧曲面部分區(qū)域都有褶皺趨勢(shì)，主要是由于彎梁板材在塑性變形過程中，會(huì)受到復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)的作用，板材處于徑向受拉、環(huán)向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致起皺趨勢(shì)。

在模具設(shè)計(jì)時(shí)可通過設(shè)置拉延筋等方法，將材料流動(dòng)阻力引人起皺區(qū)，抵消部分壓應(yīng)力的影響，從而消除起皺現(xiàn)象。

破裂區(qū)

a)成形極限(主應(yīng)變82)圖

b)成形狀態(tài)區(qū)域分布圖

圖4彎梁板材成形分布情況

謝秉順，等：彎梁板材沖壓成形仿真分析及工藝改進(jìn) 2013年第11期

2．2等效應(yīng)力應(yīng)變

彎梁沖壓成形過程中彎梁板材與模具相互作用，應(yīng)力分布規(guī)律非常復(fù)雜，其中等效應(yīng)力、應(yīng)變是衡量板材是否拉裂的一個(gè)重要依據(jù)4，如果超過材料臨界值，在成形過程中板材有可能被破壞。

應(yīng)用Dynaform 軟件仿真得到的彎梁板材成形等效應(yīng)力分布圖和彎梁板材成形等效應(yīng)變分布圖分別如圖5和圖6所示 從圖5和圖6中可以看出，等效應(yīng)力、應(yīng)變分布不均勻，等效應(yīng)力最大值為632園MPa，等效應(yīng)變最大值為 4，346 × 10 5，最小值為3，402 × 10一5等效應(yīng)力與應(yīng)變?cè)诜植家?guī)律上具有一致性，它們的最大值主要分布在壓延邊與側(cè)面筋板交界位置。該位置如果有直口，將會(huì)出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。采用工藝圓角可有效避免直口產(chǎn)生的應(yīng)力集中，避免在壓延邊與側(cè)面筋板交界位置被拉裂