锻压技术：数值模拟计算机仿真技术在工艺与模具设计中的应用

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计算机仿真技术是从冲压成型过程的实际物理规律出发，借助计算机真实地反映模具与板料的相互作用关系及板料实际变形的全过程，这就决定了冲压成型过程的计算机仿真技术，可以用来观察板料实际变形过程中发生的任一特定现象，或用来计算与板料实际变形过程有关的任一特定几何量或物理量，如预测起皱、拉裂；计算毛坯尺寸、压边力和工作回弹；优化润滑方案；估计模具磨损等。这就为冲压模具和冲压工艺设计提供了十分有用的工具，为缩短新产品模具开发周期，提高模具及冲压件的品质和寿命创造了条件。计算机仿真技术在冲压模具与工艺设计中的应用如下。

　　1.起皱的预测与消除

　　起皱是薄板冲压成型中常见的失效形式之一。轻微的起皱将破坏冲压零件的光顺性和影响零件的几何尺寸精度，起皱严重到一定程度将使零件报废。计算机仿真技术能较好地预测给定条件下工件可能产生的起皱，并通过修改模具或工艺参数予以消除。一典型冲压件的起皱实体。将同样的冲压过程建立成计算机仿真模型并进行仿真计算，可得到所示的起皱模式。由于起皱本身是一种失稳现象，仿真结果很难从细观上与实际的情况完全一致。但比较知仿真结果能比较真实地反映成型件起皱的趋势，已具有有很高的工程实用价值。

　　a)实际冲压结果；

　　b)计算机仿真结果；

　　c)计算机仿真得到零件变形状态光照模型式

　　当计算机仿真结果显示有起皱现象时，就必须对原有的工艺方案甚至模具作一定的修改，然后再进行仿真。这样一个修改、仿真的过程重复进行直到起皱完全消失为止。应当指出，当工件只发生轻微起皱时，用肉眼是难观察得到的。这时只有通过计算工作的局部失稳判据才能得出起皱是否已经开始的结论。控制起皱最直接的方法是增加压边力。在其他条件给定时，压边力必须足够大才能避免起皱。但压边力也不能过大，否则容易产生拉裂现象。

　　2.拉裂的预测和消除

　　拉裂是冲压工艺失效的另一种形式，它同样导致产品的报废。拉裂严重时肉眼便可看出，但在冲压成型中可能产出肉眼看不到的微裂纹。无论是微裂纹还是明显拉裂都将影响产品的正常工作。避免拉裂通常是设计深冲件模具和工艺的一大难题。采用计算机仿真技术能够较为准确地计算材料在冲压成型中的流动状况。因而准确地得出应变分布和板料壁厚减薄的情况。这就为判断给定模具和工艺方案产生拉裂的可能性提供了科学可靠的依据。

　　一旦计算机仿真结果表明局部应变分布接近材料的成形极限，模具或工艺方案就应予以修改，并将修改后的方案再次进行仿真检验。这样一个修改、仿真的检验过程不断重复，直至计算机仿真结果表明拉裂的可能性已消除。现在引入另一个实例来讨论计算机仿真技术的应用。板料的有限元网格普遍较细，也较均匀，这主要是为了精确地描述板料在冲压过程中可能产生的变形梯度。压板网格最粗，因为它是刚体且几何形状简单。上模和下模网格粗细不均，这主要是从精确描述模具表面形状的角度来考虑的。当然还可以从计算机仿真得到其他许多有关板料变形的详细情况，如应变分量云图、等效应力云图等等。通过这样一些计算结果和材料的有关成形特性，便可估计冲压成型中产生拉裂的可能性。

　　应当指出的是在目前情况下准确地计算冲压成型过程中的裂纹扩展情况还有很多困难，因些在计算机仿真过程中即使工件开始产生裂纹，计算仍将按无裂纹的状况进行。这会使最后计算结果与实际不符。但这并不影响计算机仿真技术在冲压成型中的有效运用，因为从模具设计和工艺分析的角度讲，一旦裂纹开始产生，整个设计方案就算失效，必须修改方案直至裂纹不会产生。另外，模具设计和冲压工艺方案还应留有一定的安全系数，也就是让冲压成型中的应变分布离裂纹开始产生的状态有一定的距离。这一方面是设计常规，另一方面也