畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-板材彎曲數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它是50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域--飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研

2、究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。將有限元分析應(yīng)用于沖壓工藝的模具設(shè)計(jì)中，可以避免僅憑經(jīng)驗(yàn)和試制這種傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法所帶來的弊端，可以節(jié)省昂貴的模具試驗(yàn)費(fèi)用，指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)制造，縮短產(chǎn)品更新周期。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是應(yīng)用有限元分析軟件A

3、NSYS對(duì)板材的彎曲過程進(jìn)行模擬仿真，對(duì)板材彎曲后的應(yīng)力和變形情況進(jìn)行計(jì)算分析并查找面板彎曲后最大應(yīng)力和最大變形的發(fā)生點(diǎn)，通過方案對(duì)比得出模具結(jié)構(gòu)的最佳工藝參數(shù)即最佳的凸、凹間隙，優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)是在參閱了大量文獻(xiàn)并在張艷君導(dǎo)師的輔導(dǎo)下完成的。</p><p>　　由于本人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，所學(xué)知識(shí)有限，錯(cuò)誤之處在所難免，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正，以便完善。</p><p><b

4、>　　編 者 </b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　中文摘要………………………………………………………………………………1</p><p>　　英文摘要………………………………………………………………………………2</p><p>　　1 緒論………………………

5、…………………………………………………………</p><p>　　1.1 CAE技術(shù)…………………………………………………………………………</p><p>　　1.2 有限單元法………………………………………………………………………</p><p>　　1.3 ANSYS軟件………………………………………………………………………</p><

6、;p>　　1.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………………</p><p>　　2 金屬工藝數(shù)值模擬…………………………………………………………………</p><p>　　2.1 基本概念…………………………………………………………………………</p><p>　　2.2 基本原理………………………………………………………………

7、…………</p><p>　　2.3 作用………………………………………………………………………………</p><p>　　2.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………………</p><p>　　3 彎曲工藝機(jī)理分析…………………………………………………………………</p><p>　　3.1 板料彎曲變形分析…

8、……………………………………………………………</p><p>　　3.2 板料回彈的機(jī)理分析……………………………………………………………</p><p>　　3.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………</p><p>　　4 參數(shù)計(jì)算及方案確定………………………………………………………………</p><p&

9、gt;　　4.1 問題描述…………………………………………………………………………</p><p>　　4.2 門面板成形工藝過程……………………………………………………………</p><p>　　4.3 計(jì)算過程…………………………………………………………………………</p><p>　　4.4 方案確定……………………………………………………………………

10、……</p><p>　　4.5 本章小結(jié)…………………………………………………………………………</p><p>　　5 ANSYS建模簡化……………………………………………………………………</p><p>　　5.1 模型的簡化與分析………………………………………………………………</p><p>　　5.2 板料彎曲過程的簡化

11、……………………………………………………………</p><p>　　5.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………</p><p>　　6 彎曲工藝的ANSYS分析……………………………………………………………</p><p>　　6.1 前處理操作………………………………………………………………………</p><

12、p>　　6.2 求解操作…………………………………………………………………………</p><p>　　6.3 后處理操作………………………………………………………………………</p><p>　　6.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………………</p><p>　　7 結(jié)果與誤差分析……………………………………………………………

13、………</p><p>　　7.1 面板的回彈分析…………………………………………………………………</p><p>　　7.2 面板的應(yīng)力分析…………………………………………………………………</p><p>　　7.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………</p><p>　　結(jié) 語……………………………

14、………………………………………………………</p><p>　　致 謝……………………………………………………………………………………</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………</p><p><b>　　中 文 摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)是采用有限元分析軟

15、件ANSYS，對(duì)板材彎曲成形過程進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)理論間隙值范圍調(diào)整凸、凹模單邊間隙，分析回彈和應(yīng)力集中區(qū)。通過分析比較得到較理想的間隙值，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。通過準(zhǔn)確地模擬出模具與板料之間的動(dòng)態(tài)接觸，在全面分析板料與模具接觸邊界動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上，結(jié)合ANSYS軟件給出了模型的幾何描述、接觸算法選擇、接觸摩擦模型的建立等具體方法。通過具體應(yīng)用實(shí)例分析，證明了這些方法應(yīng)用于板料彎曲成形分析的可行性，而其變形規(guī)律具有一定的典型性。研究這

16、類彎曲件的成形規(guī)律，不僅對(duì)這類件成形工藝參數(shù)和工藝步驟的確定是至關(guān)重要的，同時(shí)也是進(jìn)一步認(rèn)識(shí)復(fù)雜件成形規(guī)律的基礎(chǔ)。應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)板材彎曲成形過程進(jìn)行有限元分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以避免許多由傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法所導(dǎo)致的設(shè)計(jì)缺陷，提高成品率和生產(chǎn)效率。</p><p>　　關(guān)鍵詞 有限元 ANSYS 彎曲 模擬仿真 間隙 回彈 應(yīng)力 規(guī)律</p><p><b>　

17、　外 文 摘 要 </b></p><p>　　Title Gate Kneading Board Curving Forming Value Simulation</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design uses finite element analysis softw

18、are ANSYS, carries on the simulation simulation to the sheet curving forming process, according to theory gap value range adjustment raised, concave mold unilateral gap, analysis snapping back and stress concentration ar

19、ea. Obtains the ideal gap value through the analysis comparison, thus achieves the optimized design the effect. Through simulates between the mold and the sheet dynamic contact accurately, contacts the boundary dynamic c

20、hange in the c</p><p>　　Keywords Finite element ANSYS curving simulation gap snapping back stress rule</p><p><b>　　1.緒 論</b></p><p>　　1.1 CAE技術(shù)</p>&

21、lt;p>　　1.1.1 CAE的概念與分類</p><p>　　CAE 是計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer-Aided Engineering)的英文簡稱，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)可以建立產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)，并模擬產(chǎn)品及零件的工況，對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行工程校驗(yàn)、有限元分析和計(jì)算機(jī)仿真。在產(chǎn)品開發(fā)階段，企業(yè)應(yīng)用CAE能有效地對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行仿真檢測(cè)，確定產(chǎn)品和零件的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并極大

22、降低產(chǎn)品開發(fā)成本。在產(chǎn)品維護(hù)檢修階段能分析產(chǎn)品故障原因，分析質(zhì)量因素等。 有限元分析在CAE中運(yùn)用最廣，有限單元法的基本思想是將物體（即連續(xù)的求解域）離散成有限個(gè)簡單單元的組合，用這些單元的集合來模擬或逼近原來的物體，從而將一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題。物體被離散后，通過對(duì)其中各個(gè)單元進(jìn)行單元分析，最終得到對(duì)整個(gè)物體的分析結(jié)構(gòu)。隨著單元數(shù)目的增加，解的近似程度將不斷增大和逼近真實(shí)情況。如圖1-1所示為現(xiàn)行CAE軟件

23、的結(jié)構(gòu)示意圖:</p><p>　　CAE軟件可分為專用與通用兩類，前者主要是針對(duì)特定類型的工程或產(chǎn)品所開發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析，預(yù)測(cè)和優(yōu)化的軟件，它以在某個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用深入而見長，如美國ETA公司的汽車專用CAE軟件LS/YNA3D及ETA/FEMB等。通用型軟件可對(duì)多種類型工程和產(chǎn)品的物理力學(xué)性能進(jìn)行分析、模擬、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)利優(yōu)化 ，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的軟件，它以覆蓋的應(yīng)用范圍廣而著稱，如ANSYS、NASTRAN、

24、MARC等 。CAE軟件的主要價(jià)值在于：在設(shè)計(jì)階段，通過對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行加工、性能和安全可靠性的模擬，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并預(yù)測(cè)工程產(chǎn)品的可靠性與實(shí)用性，為工程實(shí)施、產(chǎn)品創(chuàng)新提供技術(shù)保障。</p><p>　　CAE技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力是CAD/CAM技術(shù)水平和應(yīng)用水平的提高，CAE技術(shù)的發(fā)展條件是計(jì)算機(jī)及圖形顯示設(shè)備的推出，CAE軟件的理論基礎(chǔ)是有限元、邊界元法等現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)方法，其核心內(nèi)容是計(jì)算機(jī)模擬和仿真。&l

25、t;/p><p>　　1.1.2 CAE的作用與發(fā)展</p><p>　　美國上市公司Moldflow公司是專業(yè)從事注塑成型CAE軟件和咨詢公司，自1976年發(fā)行了世界上第一套流動(dòng)分析軟件以來，一直主導(dǎo)塑料成型CAE軟件市場。近幾年，在汽車、家電、電子通訊、化工和日用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 利用CAE技術(shù)可以在模具加工前，在計(jì)算機(jī)上對(duì)整個(gè)注塑成型過程進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔體的填充、

26、保壓、冷卻情況，以及制品中的應(yīng)力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況，以便設(shè)計(jì)者能盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)修改制件和模具設(shè)計(jì)，而不是等到試模以后再返修模具。這不僅是對(duì)傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法的一次突破，而且對(duì)減少甚至避免模具返修報(bào)廢、提高制品質(zhì)量和降低成本等，都有著重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。 塑料模具的設(shè)計(jì)不但要采用CAD技術(shù)，而且還要采用CAE技術(shù)。這是發(fā)展的必然趨勢(shì)。注塑成型分兩個(gè)階段，即開發(fā)/設(shè)計(jì)階段（包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和

27、模具制造）和生產(chǎn)階段（包括購買材料、試模和成型）。傳統(tǒng)的注塑方法是在正式生產(chǎn)前，由于設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)與直覺設(shè)計(jì)模具，模具裝配完畢后，通常需要幾次試模，發(fā)現(xiàn)問題后，不僅需要重新設(shè)置工藝參數(shù)，甚至還需要修改塑料制品和模具設(shè)計(jì)，這勢(shì)必增加生產(chǎn)成本</p><p>　　近年來，CAE技術(shù)在注塑成型領(lǐng)域中的重要性日益增大，采用CAE技術(shù)可以全面解決注塑成型過程中出現(xiàn)的問題。CAE分析技術(shù)能成功地應(yīng)用于三組不同的生產(chǎn)過程，即制

28、品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和注塑成型。制品設(shè)計(jì)</p><p>　　制品設(shè)計(jì)者能用流動(dòng)分析解決下列問題：  (1) 制品能否全部注滿　這一古老的問題仍為許多制品設(shè)計(jì)人員所注目，尤其是大型制件，如蓋子、容器和家具等。 (2) 制件實(shí)際最小壁厚　如能使用薄壁制件，就能大大降低制件的材料成本。減小壁厚還可大大降低制件的循環(huán)時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率，降低塑件成本。 (3)澆口位置是否合適　采用CAE分析

29、可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)具有充分的選擇澆口位置的余地，確保設(shè)計(jì)的審美特性。模具設(shè)計(jì)和制造 CAE分析可在以下諸方面輔助設(shè)計(jì)者和制造者，以得到良好的模具設(shè)計(jì)： (1) 良好的充填形式　對(duì)于任何的注塑成型來說，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、經(jīng)濟(jì)。單向充填是一種好的注塑方式，它可以提高塑件內(nèi)部分子單向和穩(wěn)定的取向性。這種填充形式有助于避免因不同的分子取向所導(dǎo)致的翹曲變形。 (2)最佳澆口位置與澆口數(shù)量　為了對(duì)充填方式進(jìn)行

30、控制，模具設(shè)計(jì)者必須選擇能夠?qū)崿F(xiàn)這種控制的澆口位置和數(shù)量，CAE分析可使設(shè)計(jì)者有多種澆口位置的選擇方案并對(duì)其影響作出評(píng)價(jià)。  (3)流道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)　實(shí)際的模具設(shè)計(jì)往往要反復(fù)權(quán)衡各種因素，盡量使設(shè)計(jì)方案盡善盡美。通過流動(dòng)</p><p><b>　　1.2有限單元法</b></p><p>　　1.2.1基本概念與發(fā)展</p><p&

31、gt;　　有限單元法是應(yīng)用數(shù)值分析技術(shù)并借助于電子計(jì)算機(jī)的高速、大容量的功能把復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為概念淺顯、容易掌握、適應(yīng)范圍廣泛和精確度高的一種分析計(jì)算方法。其基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是有許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡單）的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件）從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解。由于

32、大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解而有限元不僅計(jì)算精度高而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。</p><p>　　有限單元法最初是在二十世紀(jì)五十年代作為處理力學(xué)問題的方法出現(xiàn)的，在1945至1955這十年間發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)分析矩陣（位移）法可以說是他的雛形。1956年Turner Clough把剛價(jià)位移（直接剛度法）應(yīng)用到彈性力學(xué)平面問題中去，他們把結(jié)構(gòu)劃分成一個(gè)個(gè)三角形和矩形的“單元”。與矩陣法不同

33、的是，矩陣分析法中每一結(jié)構(gòu)件的力與位移的關(guān)系是精確推導(dǎo)出來的，而有限元法的解則是利用每一單元中近似的位移函數(shù)。</p><p>　　初期的有限（單元）法是建立在虛功的原理上。1963-1964年Besseling、Melosh和Jones等人證明了有限元法是基于變分原理的里茲（Ritz）法的另一種形式，確認(rèn)了有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法，擴(kuò)大了有限元法的應(yīng)用范圍。從20世紀(jì)60年代后期開始，進(jìn)一步利用

34、加權(quán)余量法，主要是伽遼金法（Galerkin）法，來確定單元特性和建立有限元求解方程，使之應(yīng)用于已知問題的微分方程和邊界條件、但變分的泛函尚未找到或根本不存在的情況，進(jìn)一步擴(kuò)大了有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　四十年來，有限單元法蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動(dòng)力問題和波動(dòng)問題。分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到流體力學(xué)、滲流與固結(jié)理論、熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)

35、力問題、磁場問題以及建筑聲學(xué)與噪音問題。不僅涉及穩(wěn)態(tài)場問題，還涵蓋材料非線性、幾何非線性、時(shí)間維問題和斷裂力學(xué)等。已出現(xiàn)多種新單元（先后有等參元、高次元、不協(xié)調(diào)元、雜交元、樣條元、邊界元、罰單元、半解析的有限條等不同單元）和求解方法（如半帶寬于變帶寬消去法、超矩陣法、波前法、子結(jié)構(gòu)法、子空間迭代法等）。能解決各種復(fù)雜耦合問題的軟件和軟件系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。對(duì)網(wǎng)格自動(dòng)剖分和網(wǎng)格自適應(yīng)過程的研究，大大加強(qiáng)了有限元法的解題能力，使有限單元法逐漸趨于

36、成熟。</p><p>　　1.2.2 基本原理</p><p>　　對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，系統(tǒng)中各點(diǎn)的位移是主要的位置量。一旦知道了這些位移，就不難計(jì)算應(yīng)變和應(yīng)力了。有限單元法的基本思想是：用一些已知函數(shù)（通常是多項(xiàng)式）和物體上預(yù)定點(diǎn)處的位移來表示物體的位移或變形。把這些選為系統(tǒng)的有限單元網(wǎng)格點(diǎn)稱之為節(jié)點(diǎn)，其位移稱為節(jié)點(diǎn)位移。一旦求得了節(jié)點(diǎn)位移，系統(tǒng)中其他的位移就可以求得。</

37、p><p>　　有限元法的求解基本步驟如下：</p><p>　　（1）結(jié)構(gòu)離散化 結(jié)構(gòu)離散化過程就是將分析的結(jié)構(gòu)劃分成有限個(gè)單元體，并在單元體的指定點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)。把相鄰的單元體在節(jié)點(diǎn)處連接起來組成單元的集合體。離散后的結(jié)構(gòu)，單元之間主要靠節(jié)點(diǎn)相連接。</p><p>　?。?）單元特性分析 由于結(jié)構(gòu)離散化，剖分后的單元，可以選擇一個(gè)簡單的函數(shù)，近似地表示每個(gè)單元上任

38、一點(diǎn)的真實(shí)位移，即單元內(nèi)任一點(diǎn)位移是坐標(biāo)的函數(shù)，這樣可以采用變分原理或虛功方程建立起作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式：</p><p>　　式中：稱為單元?jiǎng)偠染仃?，它是由結(jié)構(gòu)材料性能及單元的幾何特性所決定的，一旦材料和單元的幾何尺寸確定，就是已知的；是節(jié)點(diǎn)位移；是節(jié)點(diǎn)力，使單元與單元之間相互作用力。</p><p>　　（3）整體分析 單元特性分析僅能得到單元的局部信息，所有的

39、單元是通過節(jié)點(diǎn)連接組成整體的。將各個(gè)單元的方程，按照保持節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)性的原則，把所有單元的方程組合起來，形成整體平衡方程：</p><p>　　式中：為整體剛度矩陣，它是由所有單元的剛度矩陣組集而成的，且只與單元尺寸及材料特性有關(guān)；是節(jié)點(diǎn)位移向量，取決于節(jié)點(diǎn)數(shù)和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度；是作用在結(jié)構(gòu)上的外力。上述方程還應(yīng)考慮幾何邊界條件，做適當(dāng)?shù)男薷暮螅摲匠滩庞形ㄒ坏慕狻?lt;/p><p>　?。?/p>

40、4）求解未知節(jié)點(diǎn)的位移和計(jì)算單元應(yīng)力 用組集而成的平衡方程應(yīng)用數(shù)值解法得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移值，再根據(jù)應(yīng)力與位移的關(guān)系式，求出應(yīng)力。</p><p>　　1.3 ANSYS軟件</p><p>　　1.3.1 ANSYS軟件概述</p><p>　　ANSYS軟件是由總部設(shè)在美國賓夕法尼亞州匹茲堡的世界CAE行業(yè)著名的ANSYS公司開發(fā)研究的大型CAE仿真分析軟件

41、，是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、土木工程、地礦、汽車、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。</p><p>　　ANSYS軟件的功能更加強(qiáng)大，使用便利。ANSYS提供的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)法,使用戶減少了昂貴費(fèi)時(shí)的物理樣機(jī),在一個(gè)連續(xù)的、相互協(xié)作的工程設(shè)計(jì)中，分析用于整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程,并且工作人員之間像一個(gè)團(tuán)隊(duì)一樣相互協(xié)作。ANSYS分析模擬工具易于

42、使用，支持多種工作平臺(tái)，并在異種結(jié)構(gòu)平臺(tái)上數(shù)據(jù)百分之百兼容，提供了多場耦合的分析功能。同時(shí)該軟件提供了一個(gè)個(gè)不斷改進(jìn)的功能清單，包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、大應(yīng)變/有限轉(zhuǎn)動(dòng)功能以及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語言（APDL）的擴(kuò)展宏命令功能?；贛otif的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過對(duì)話框、下拉式菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，為用戶使用ANSYS提供“導(dǎo)航”。在結(jié)構(gòu)分析中，AN

43、SYS可以進(jìn)行線性及非線性結(jié)構(gòu)靜力分析、線性及非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析、線性及非線性屈曲分析、斷裂力學(xué)分析、復(fù)合材料分析、疲勞分析及壽命估算、超彈性材料分析等。</p><p>　　ANSYS軟件具有強(qiáng)大的幫助功能，幫助系統(tǒng)包括所有的ANSYS命令解釋所有的圖形用戶界面解釋和ANSYS系統(tǒng)分析指南。該軟件可浮動(dòng)運(yùn)行于從PC機(jī)、NT工作站、UNIX工作站直至巨型機(jī)的各類計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中，還可與許多先進(jìn)CAD軟件如Pro

44、/Engineer、Nastran、Alogor、I—DEAS和AutoCAD等共享數(shù)據(jù)。利用ANSYS的數(shù)據(jù)接口，可精確地將在CAD系統(tǒng)下生成的幾何數(shù)據(jù)傳入ANSYS，這樣可以節(jié)省用戶在建模過程中所花費(fèi)的大量時(shí)間，極大地提高了工作效率。</p><p>　　1.3.2 ANSYS軟件功能</p><p>　　ANSYS軟件含有多種有限元分析的能力，包括從簡單線性靜態(tài)分析到復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)分

45、析。一個(gè)典型的ANSYS分析過程為：創(chuàng)建有限元模型、施加載荷進(jìn)行求解和查看分析結(jié)果。對(duì)應(yīng)軟件結(jié)構(gòu)的三個(gè)程序模塊：前處理模塊（PREP7），分析求解模塊（SOLUTION）和后處理模塊（POST1和POST26）。前處理模塊為一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分的工具，通過這個(gè)模塊用戶可以建立自己想要的工程有限元模型。分析求解模塊即是已建立好的模型在一定的載荷和邊界條件下進(jìn)行有限元計(jì)算，求解平衡微分方程，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力分析、聲場分析、電磁

46、場分析、壓電分析和多物理場的耦合分析等。后處理模塊是對(duì)計(jì)算結(jié)果加以處理，將結(jié)果以等值線、梯度、矢量粒子流及云圖等圖形方式顯示出來。也可以用圖表曲線的方式輸出。</p><p>　　1前處理模塊（PREP7）</p><p><b>　　參數(shù)定義</b></p><p>　　ANSYS程序在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模的過程中，首先要對(duì)所有被檢模型的材料進(jìn)行參數(shù)

47、定義。包括定義使用單位制，定義所使用單元的類型，定義單元的實(shí)參數(shù)，定義材料的特性以及使用材料庫文件等。在單位制的制定中，ANSYS并沒有為分析指定固定的系統(tǒng)單位。除了磁場分析之外，還可以使用任意一種單位制，只要保證輸入的所有數(shù)據(jù)都是使用同一單位制里的單位即可。單元類型的定義是結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的必要前提。材料的特性是針對(duì)每一種材料的性質(zhì)參數(shù)，例如在對(duì)材料進(jìn)行線性分析的過程中，首先要知道這種材料的彈性模量和泊松比。在一個(gè)分析過程中，可能有多

48、個(gè)材料特性組，每一組材料特性有一個(gè)材料參考號(hào)，ANSYS通過獨(dú)特的參考號(hào)碼來識(shí)別每一個(gè)材料特性組。對(duì)于每一有限元單元分析，盡管可以分別定義材料特性，ANSYS程序允許用戶將一材料特性設(shè)置存儲(chǔ)進(jìn)一個(gè)檔案材料庫文件。然后，在多個(gè)分析中取出該設(shè)置重復(fù)使用，這樣可以大大提高工作效率。</p><p><b>　　實(shí)體建模</b></p><p>　　在實(shí)體建模過程中，ANSY

49、S程序提供了兩種方法：從高級(jí)到低級(jí)的建模與從低級(jí)到高級(jí)的建模。對(duì)于一個(gè)有限元模型，圖元的等級(jí)從低到高分別是：點(diǎn)、線、面和體。當(dāng)用戶直接構(gòu)建高級(jí)圖元時(shí)，程序自動(dòng)定義相關(guān)的低級(jí)圖元（面、線和關(guān)鍵點(diǎn)）。此外，用戶也可以先定義點(diǎn)、線、面，然后由所定義的圖元生成體。無論用戶采用哪種方式進(jìn)行建模，都需要進(jìn)行布爾操作來組合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　網(wǎng)格劃分</b></p>&l

50、t;p>　　ANSYS系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分功能十分強(qiáng)大，使用起來便捷。延伸劃分是將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格單元。映像網(wǎng)格劃分是將一個(gè)幾何模型分解成幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，分別加以劃分生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序提供了六面體、四面體和三角形的映像網(wǎng)格劃分。自由劃分是由ANSYS程序的網(wǎng)格自由劃分器來實(shí)現(xiàn)的，通過這種劃分可以避免不同組件在裝配過程中不匹配帶來的問題。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型后，用

51、戶指示程序自動(dòng)產(chǎn)生有限元網(wǎng)格，分析估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小、再次分析計(jì)算并估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義誤差的值或者達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。</p><p>　　2 分析求解模塊(SOLUTION)</p><p>　　該程序模塊用以完成對(duì)已生成的有限元模型的力學(xué)分析和有限元求解。在此階段，用戶可以定義分析、類型分析選項(xiàng)載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)。</p>

52、<p>　　定義分析類型和分析選項(xiàng)</p><p>　　用戶可以根據(jù)所施加載荷條件和所要計(jì)算的相應(yīng)來選擇分析類型。例如，要計(jì)算固有頻率和模態(tài)，就必須選擇模態(tài)分析。在ANSYS程序中，可以進(jìn)行下列類型的分析：靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）、瞬態(tài)、調(diào)諧、模態(tài)、譜、撓度和子結(jié)構(gòu)。分析選項(xiàng)允許用戶自定義分析類型。</p><p><b>　　載荷</b></p>

53、<p>　　一般的載荷應(yīng)該包括邊界條件（約束、支承或邊界場的參數(shù)）和其他外部或內(nèi)部作用載荷。在ANSYS程序中，載荷分為六類：①自由度（DOF）約束；②力；③表面分布載荷；④體積載荷；⑤慣性載荷；⑥耦合場載荷。</p><p>　　必須清楚與載荷相關(guān)的兩個(gè)術(shù)語：載荷步和子步。載荷步僅僅只可求得解的載荷配置。例如，在結(jié)構(gòu)分析中，可以將風(fēng)荷載施加于第一個(gè)載荷步，第二個(gè)載荷步施加重力等。載荷步也用于對(duì)一個(gè)瞬態(tài)

54、載荷歷程曲線分段。子步是指一個(gè)載荷步中增加的步長。主要是為了瞬態(tài)分析或非線性分析中提高分析精度和收斂。子步也稱為時(shí)間步，代表一段時(shí)間。</p><p><b>　　指定荷載步</b></p><p>　　荷載步選項(xiàng)是用于更改荷載步，如子步數(shù)、荷載步的結(jié)束時(shí)間和輸出控制。根據(jù)所作分析的類型，荷載步選項(xiàng)可有可無。</p><p>　　ANSYS提供

55、的結(jié)構(gòu)分析類型有如下幾種：</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)靜力分析</b></p><p>　　用來求解外荷載引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且可以進(jìn)行非線性分析，例如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸問題的分析。</p><p><b&

56、gt;　　結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析是用來求解隨時(shí)間變化的荷載對(duì)結(jié)構(gòu)或者部件的影響。相對(duì)于靜態(tài)分析，動(dòng)力分析則要考慮隨時(shí)間變化的力荷載以及阻尼和慣性的影響，如旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的交變力，爆炸產(chǎn)生的沖擊力等。ANSYS可以進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析類型有：瞬態(tài)動(dòng)力分析、模態(tài)分析譜響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)屈曲分析<

57、/b></p><p>　　屈曲分析是用來確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的載荷大小以及在特定的載荷下結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)的問題。ANSYS中的穩(wěn)定性分析主要分為線性分析和非線性分析兩種。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)非線性分析</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)的非線性問題分為材料非線性幾何非線性和單元非線性三種。在ANSYS程序中，可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)的非線性問

58、題。</p><p>　　3．后處理模塊（POST1和POST26）</p><p>　　完成計(jì)算以后，可以通過后處理器查看結(jié)果。ANSYS程序的后處理包含兩個(gè)部分：通用后處理模塊（POST1）和時(shí)間歷程后處理模塊（POST26）。通過程序的菜單操作，可以很方便地獲得求解的計(jì)算結(jié)果。結(jié)構(gòu)文件的輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表顯示兩種。</p><p>　　通用后處理模塊

59、（POST1）</p><p>　　通過后處理器可以用于查看整個(gè)模塊或選定的部分模塊的某一子步（時(shí)間步）的結(jié)果。可以獲得等值線顯示、變形形狀以及檢查和解釋分析的結(jié)果和列表。POST1也提供了很多其他的功能，包括誤差估計(jì)、載荷工況組合、結(jié)果數(shù)據(jù)的計(jì)算和路徑操作等。</p><p>　　時(shí)間歷程后處理模塊（POST26）</p><p>　　POST26顆用于查看模型的

60、特定點(diǎn)在所有時(shí)間步內(nèi)的結(jié)果?？色@得結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間（或頻率）關(guān)系的圖形曲線以及列表。如繪制位移—時(shí)間列表，應(yīng)力—應(yīng)變曲線等。另外，POST26還具有其他功能：可以進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算，變量之間可以進(jìn)行加減乘除運(yùn)算以產(chǎn)生新的曲線；也可以取絕對(duì)值平方根對(duì)數(shù)指數(shù)以及求最大值和最小值等；也可以做曲線的微積分運(yùn)算；還能夠從時(shí)間歷程結(jié)果中生成譜響應(yīng)。</p><p><b>　　1.4本章小結(jié)</b><

61、;/p><p>　　本章主要介紹了有限單元法的基本思想及其術(shù)語，CAE技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和ANSYS軟件的功能、應(yīng)用等。</p><p>　　2 金屬成形工藝數(shù)值模擬</p><p><b>　　2.1基本概念</b></p><p>　　材料成形工藝數(shù)值模擬是這樣的一個(gè)過程，在這個(gè)過程中人們使用專用的計(jì)算機(jī)軟件讓計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)成

62、形過程的各中物理量的變化進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，預(yù)測(cè)出成形過程中工程師們所關(guān)心的各種有用的技術(shù)信息，并將最終的計(jì)算結(jié)果以各種圖畫或動(dòng)畫的形式直觀生動(dòng)地顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。從屏幕上人們可以看到工件的詳細(xì)變形過程，以及各種物理量隨空間和時(shí)間的變化。如果工藝、模具或坯料設(shè)計(jì)不當(dāng)，還可以看到由此所產(chǎn)生的各種成形缺陷，如開裂、折疊、過燒與回彈等等。做一次工藝數(shù)值模擬，就相當(dāng)于在計(jì)算機(jī)上做了一次虛擬的工藝試驗(yàn)。與實(shí)際工藝試驗(yàn)相比，它的優(yōu)勢(shì)是成本低周期短，所

63、得到的技術(shù)信息更多更全，而且全是定量化的數(shù)據(jù)。如果發(fā)現(xiàn)模擬出的工件具有某些缺陷，可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)找出產(chǎn)生缺陷的原因，然后對(duì)工藝、模具或配料進(jìn)行修改。將修改后的數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次工藝模擬，如此反復(fù)直至工藝成功。目前金屬成形工藝數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)基本成熟，并在工業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用。在世界很多著名的公司中，金屬成形工藝數(shù)值模擬已經(jīng)成為生產(chǎn)中一個(gè)不可缺少的工序。</p><p><b>　　2.2 基本原理<

64、;/b></p><p>　　金屬成形過程是工件的一個(gè)彈（粘）塑性變形過程，有時(shí)在這個(gè)過程中還伴有明顯的溫度和微觀組織變化。從物理的角度看，無論這個(gè)過程多麼復(fù)雜，這個(gè)過程總可以通過一組微分方程以及相應(yīng)的邊界條件和初始條件表示出來。這組微分方程以及邊界條件和初始條件可以根據(jù)固體力學(xué)、熱力學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論建立起來。通常，這組微分方程的基本未知量是工件各點(diǎn)的位移、溫度和一些用于描述微觀組織的物理量。例如，對(duì)

65、于普通的沖壓過程，由于溫度的影響和微觀組織的變化可以忽略，因此基本的未知量只是工件各點(diǎn)的位移。如果我們可以得到這組微分方程的解，那麼，可以根據(jù)相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)理論和基本規(guī)律，又所得到的基本未知量計(jì)算出其他物理量（例如應(yīng)力、應(yīng)變、載荷等）隨空間和時(shí)間的變化。由于金屬成形過程的復(fù)雜性，這組微分方程具有極強(qiáng)的物理的和幾何的非線性，因此得到這組微分方程的理論解釋非常困難的。直到七十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法特別是有限元方法的迅速發(fā)展才使得

66、有可能通過數(shù)值計(jì)算的方法來求解這組微分方程，從而逐步建立了金屬成形工藝數(shù)值模擬技術(shù)。用計(jì)算機(jī)語言編寫的求解這組微分方程并由基本未知量計(jì)算其他物理量全部計(jì)算過程的文件就是我們常說的金</p><p><b>　　2.3 作用</b></p><p>　　金屬成形工藝數(shù)值模擬可以預(yù)測(cè)出工件變形的詳細(xì)過程，并定量地給出工程師們所關(guān)心的與變形有關(guān)的各種物理量在工件或磨具上的空

67、間分布以及隨時(shí)間的變化。通常這些物理量包括：工件與模具的幾何外形位移、速度、彈塑形應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力、載荷等。對(duì)于熱鍛，還包括溫度以及微觀組織（例如：再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和晶粒度）。如果工件為疏松材料，還包括材料密度。根據(jù)上述各物理量的計(jì)算結(jié)果我們可以判斷出工件是否存在成形缺陷。例如，對(duì)于沖壓工藝，可以從工件外形判斷是否起皺，對(duì)比成形極限圖還可以看到那些位置可能開裂。回彈計(jì)算結(jié)果直接給出工件各處的相對(duì)回彈量。對(duì)于鍛造工藝，可以從工外形判斷是否

68、有折疊，工件是否已經(jīng)充滿模具型腔。從溫度分布可以判斷工件溫升是否太高，甚至出現(xiàn)過燒。對(duì)比破裂準(zhǔn)則可以看到工件那些位置可能開裂。如果發(fā)現(xiàn)成形后的工件出現(xiàn)某些缺陷，可能是模具/坯料或者工藝的某些參數(shù)有問題，您可以根據(jù)您的經(jīng)驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)以及模具和坯料進(jìn)行修改，然后再進(jìn)行工藝模擬，看那些缺陷是否已經(jīng)去掉。如此反復(fù)修改工藝反復(fù)模擬直到工件沒有缺陷為止。實(shí)際上您在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了一次工藝優(yōu)化。這就是說，通過金屬成形工藝數(shù)值模擬，您可以進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)并最

69、終</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了金屬成形工藝數(shù)值模擬的基本概念、原理和作用。</p><p>　　3 彎曲工藝機(jī)理分析</p><p>　　3.1 板料彎曲變形分析</p><p>　　3.1.1 板料彎曲變形的特點(diǎn)</p>

70、<p>　　為了簡化問題，我們對(duì)彎曲變形的理論分析只討論在純彎矩作用下的彎曲。并采用圓柱坐標(biāo)系，板厚方向?yàn)閺较?，即ρ方向；板條縱向?yàn)榍邢?，即θ方向；板條的寬度的方向?yàn)檩S向，即B方向。</p><p>　　在彎矩作用下，板條將發(fā)生曲率半徑和角度的變化，如圖3-1所示，觀察彎曲前后網(wǎng)格和斷面的變化，可看出彎曲變形的一般特點(diǎn)。</p><p><b>　　變形區(qū)的變形特點(diǎn)

71、</b></p><p>　　圖3-1 彎曲前后網(wǎng)格的變化</p><p>　　根據(jù)上面的網(wǎng)格變化圖，可以認(rèn)為彎曲變形僅限于彎曲中心角α內(nèi)的扇形區(qū)，而直邊的變形可以忽略。在變形區(qū)，板條上的直線段與被彎曲成圓弧段與。由于>，>，所以，在板料遠(yuǎn)離彎曲中心的外區(qū)，在切向因受拉而伸長了，而在靠近彎曲中心的內(nèi)區(qū)，在切向因受壓縮而縮短了。并且，切向變形沿板厚的分布是不均勻的，

72、外表層與內(nèi)表層的變形很大，由于表層至變形中性層，伸長與縮短都是逐漸減小的。變形中性層就是受拉與受壓的分界層，在板料彎曲過程中既不伸長也不縮短，其切向應(yīng)變?yōu)棣纽?0。變形中性層并不與板厚的幾何中心層相重合，而向曲率中心方向移動(dòng)，并隨著相對(duì)半徑r/t的減小，移動(dòng)的距離將增大。</p><p><b>　?。ǘ┙孛娴幕?lt;/b></p><p>　　彎曲變形后，截面不保持

73、原來的矩形，而發(fā)生畸變現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在B<3t的窄板彎曲時(shí)更加明顯，如圖3-2a所示，B為板料的寬度，t為板厚。截面的畸變可作如下解析：在外區(qū)，切向的伸長變形由板寬方向的壓縮來補(bǔ)充，板的寬度減??；在內(nèi)區(qū)，切向受壓縮將材料擠向板寬方向，板的寬度增大，結(jié)果使截面產(chǎn)生畸變。</p><p>　　圖3-2 板料彎曲后的斷面變化</p><p>　　a) 窄板B<3t b)寬板

74、B>3t</p><p>　　對(duì)于B>3t的寬板彎曲，在板寬方向上由于材料的相互牽制作用而使得變形不容易發(fā)生，彎曲后界面基本上保持矩形，可以認(rèn)為截面不發(fā)生畸變，如圖3-2b。但是，正由于板寬方向上的材料的相互牽制作用，使得板料上的變形區(qū)域在板料中間與板料中間的應(yīng)力分布是不均勻的，即板料仍然有發(fā)生畸變的傾向。</p><p>　　（三）變形區(qū)板料厚度變薄</p>&

75、lt;p>　　在彎曲過程中，以變形中性層為界，外區(qū)切向受拉而使板厚變薄，內(nèi)區(qū)切向受壓而使板厚增厚。由于變形中性層的內(nèi)移，切向受拉的面積將大于受壓的面積，因此外區(qū)板厚的減薄量要大于內(nèi)區(qū)板厚的增厚量。結(jié)果使得彎曲后的變形區(qū)板料變薄。這種現(xiàn)象在相對(duì)彎曲半徑較小的情況下更為明顯。</p><p>　?。ㄋ模澢蟀辶祥L度增加</p><p>　　由于彎曲時(shí)板料變薄現(xiàn)象，根據(jù)體積不變的原則，板

76、料會(huì)變長，對(duì)于相對(duì)彎曲半徑越小的厚彎曲件，其增長量越明顯，薄板變形不明顯。</p><p>　　3.1.2 彎曲變形區(qū)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)</p><p>　　由于彎曲變形的特點(diǎn)可以很容易地確定變形區(qū)的應(yīng)變狀態(tài)。再按應(yīng)力與應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便可以確定相應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)，參看圖3-3。</p><p>　　圖3-3 彎曲時(shí)的力應(yīng)變狀態(tài)</p><p>　

77、　無論是窄板彎曲還是寬板彎曲，變形區(qū)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)沿著切向和徑向具有相同的特點(diǎn)，而沿板寬方向兩者的應(yīng)力與應(yīng)變有較大的不同。詳述如下：</p><p>　　在切向：外區(qū)受拉，應(yīng)力與應(yīng)變均為正值，即σθ>0、εθ>0；而內(nèi)區(qū)受壓，則σθ<0、εθ<0?？梢?，切向應(yīng)力沿板厚的分布是不連續(xù)的，由外區(qū)的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為內(nèi)區(qū)的壓應(yīng)力，其間存在一個(gè)“拉”與“壓”的應(yīng)力分界層，稱為應(yīng)力中性層。它也有內(nèi)移的特性

78、，且在彎曲瞬時(shí)，其內(nèi)移量總是超過變形中性層的內(nèi)移量，兩者并不重合。</p><p>　　在徑向，即板厚方向：外區(qū)與內(nèi)區(qū)的應(yīng)變與相應(yīng)切向應(yīng)變的方向相反，即在外區(qū)：ερ<0；在外區(qū)：ερ>0。按體積不變的原則，從寬板彎曲中很容易證明這一點(diǎn)。而外區(qū)與內(nèi)區(qū)的徑向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，σρ<0。這可作如下解釋，由于切向變形沿板厚方向分布不均勻，就絕對(duì)值而言，由內(nèi)、外表層的最大值向變形中性層遞減為零。這就造成了材

79、料層由內(nèi)、外表層向變形中性層的相互擠壓作用，使外區(qū)與內(nèi)區(qū)的徑向均產(chǎn)生壓應(yīng)力，并在變形中性層達(dá)到最大值，而表層為零。</p><p>　　在板寬方向：窄板與寬板的變形完全不同，其應(yīng)力也完全不同，可分別進(jìn)行討論。對(duì)于窄板，在板寬方向可以自由變形。因此，無論外區(qū)還是內(nèi)區(qū)，板寬方向的應(yīng)力可視為零，σB=0。而應(yīng)變則與相應(yīng)的切向應(yīng)變方向相反，外區(qū)為壓應(yīng)變，εB<0；內(nèi)區(qū)為拉應(yīng)變，εθ>0。對(duì)于寬板，在板寬方向基

80、本不變形。因此，無論外區(qū)還是內(nèi)區(qū)，板寬方向的應(yīng)變可視為零，εB=0。對(duì)于窄板彎曲產(chǎn)生的截面畸變，可以看出寬板彎曲時(shí)外區(qū)材料收縮受阻礙而產(chǎn)生拉應(yīng)力，σB>0，而內(nèi)區(qū)材料伸長受阻礙而產(chǎn)生壓應(yīng)力，σB<0。</p><p>　　由于窄板彎曲在板寬方向變形的特殊性，使得窄板彎曲時(shí)應(yīng)力狀態(tài)是平面的，應(yīng)變狀態(tài)立體的，而寬板彎曲正好相反，應(yīng)變狀態(tài)是平面的，應(yīng)力狀態(tài)是立體的。</p><p>

81、　　3.1.3彎曲回彈的階段性</p><p>　　彎曲變形有明顯的階段性，由初始的彈性變形逐漸過渡到塑性變形，且彎曲變形過程很不均勻，這種不均勻性直接影響到彎曲工藝的制定。</p><p><b>　　彈性彎曲階段</b></p><p>　　在彎曲變形的初期，外彎曲力矩的數(shù)值較小，在變形區(qū)內(nèi)、外表層產(chǎn)生的切向應(yīng)力σθ的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服

82、應(yīng)力，沿板厚的全部材料層只產(chǎn)生彈性變形。這時(shí)如果去掉外力，板料的變形完全消失。彈性變形階段切向應(yīng)力沿板厚的分布見圖3-4a。</p><p><b>　　彈-塑性彎曲階段</b></p><p>　　當(dāng)外彎曲力矩增大到一定的數(shù)值時(shí)，內(nèi)、外表層的切向應(yīng)力首先達(dá)到材料的屈服應(yīng)力σs而進(jìn)入塑性狀態(tài)。繼續(xù)增加外彎曲力矩，彎曲半徑r隨之減小，塑性變形便由內(nèi)、外表層向板料的中心逐

83、漸擴(kuò)展。對(duì)于常見的金屬材料，一般認(rèn)為相對(duì)彎曲半徑r/t>200時(shí)，便處于彈-塑性彎曲階段，如果把材料看成線性硬化的彈-塑性材料，其切向應(yīng)力沿板厚方向如圖3-4b所示。</p><p>　　圖3-4 彎曲切向應(yīng)力分布圖</p><p>　　a)彈性彎曲 b)彈-塑性彎曲 c)純塑性彎曲</p><p>　　d)無硬化的 e)冪函數(shù)硬化的 f)應(yīng)變

84、分布</p><p><b>　　全塑形彎曲階段</b></p><p>　　當(dāng)相對(duì)彎曲半徑r/t<200時(shí)，彈性變形層的厚度占板料的厚度的比例很小，在實(shí)用計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)，使板料全斷面都進(jìn)入塑性狀態(tài)，即進(jìn)入全塑性彎曲階段。圖3-c、3-4d、3-4e分別表示材料為線性硬化、無硬化、冪函數(shù)硬化時(shí)的切向應(yīng)力沿板厚分布情況。</p><p>

85、;　　3.2板料彎曲回彈的機(jī)理分析</p><p>　　板料在進(jìn)行塑性彎曲加工時(shí)總是伴隨著彈性變形，當(dāng)彎曲后去掉外力時(shí)，將立即發(fā)生彈性變形的恢復(fù)，結(jié)果使彎曲區(qū)間的角度和彎曲半徑發(fā)生變化，與模具相應(yīng)形狀不一致，這種現(xiàn)象稱為彎曲件的回彈。在沖壓生產(chǎn)中，掌握回彈的規(guī)律很重要。如果在設(shè)計(jì)模具前，能準(zhǔn)確地掌握材料的回彈規(guī)律及回彈值的大小，在設(shè)計(jì)模具時(shí)可預(yù)先在模具結(jié)構(gòu)及工作部位尺寸上采取措施。在試沖后即使尺寸精度有所差異，其

86、修正量也不會(huì)太大，這不僅縮短了模具制造周期，而且有利于模具成本的降低及彎曲件精度的提高。由于影響回彈的因素很多，在理論上準(zhǔn)確計(jì)算回彈值有困難，通常在模具設(shè)計(jì)時(shí)，按試驗(yàn)總結(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算回彈值，選擇克服回彈的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)試沖后再對(duì)模具工作部分加以修正直到滿足要求。</p><p>　　3.2.1彎曲回彈的原因</p><p>　　根據(jù)前面的板料彎曲變形分析可知，彎曲件產(chǎn)生回彈的主要原因是

87、由于材料的彈性變形所引起的。板料彎曲時(shí)，內(nèi)層受壓應(yīng)力，外層受拉應(yīng)力。塑性彎曲時(shí)，這兩種應(yīng)力盡管超過屈服應(yīng)力，但實(shí)際上從拉應(yīng)力過渡到壓應(yīng)力時(shí)，中間總會(huì)有一段應(yīng)力小于屈服應(yīng)力的彈性變形區(qū)。由于彈性變形區(qū)的存在，彎曲件在卸載后必然會(huì)產(chǎn)生回彈。在相對(duì)半徑較大時(shí)，彈性變形區(qū)占的比例更大，這種回彈尤為顯著。</p><p>　　回彈是由于在板料的厚度上或應(yīng)變分布不均勻而引起的[9]。這種應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诎搴裆系牟痪鶆蚍植颊菑澢?/p>

88、的特點(diǎn)，對(duì)于只施加彎矩的彎曲方式來說，要有效地減少回彈是困難的。為了使回彈減少，應(yīng)盡量使板厚斷面內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變分布均勻，為此可采取在縱向纖維方向?qū)Π辶线M(jìn)行拉伸或壓縮的方法，也可采用在板厚方向?qū)Π辶鲜┘訌?qiáng)壓的方法。在沿板長方向單純拉伸變形的場合，除去外力后，由于在整個(gè)板厚斷面內(nèi)變形的恢復(fù)是均勻的，所以不會(huì)發(fā)生很大形狀的變化。</p><p>　　彎曲時(shí)附加拉力以后，究竟是由于什么樣的機(jī)理，使回彈得以減少呢？在此用簡

89、單的方式加以分析。</p><p>　　彎曲時(shí)附加拉力以后，板料斷面內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變分布的變化如圖3-5所示。</p><p>　　在圖3-5a中，OST為材料的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系，S是材料的屈服點(diǎn)。彎曲在未附加拉力時(shí)，在板料的外表面的應(yīng)變?yōu)棣?，產(chǎn)生了如圖3-5b中的A_A`形式的應(yīng)變分布，則對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值及應(yīng)力分布如圖3-5a上的A_A`形式。在彎曲周向附加拉力P時(shí)，則在整個(gè)斷面上都要加上拉

90、伸應(yīng)變?chǔ)舙，這樣附加拉力后的應(yīng)力和應(yīng)變的分布分別為圖3-5a上的B_B`即圖3-5b上的B_B`，斷面的應(yīng)力分布便變更均勻。去掉附加拉力T后，由于彈性恢復(fù)，在整個(gè)板厚斷面上應(yīng)變都要減少εp`。此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變分布為C_C`，應(yīng)力值比在板厚斷面內(nèi)不附加拉伸力時(shí)</p><p>　　圖3-5 彎曲時(shí)附加拉力后的應(yīng)力和應(yīng)變分布的變化</p><p>　　的彎曲得到的應(yīng)力值要小得多。隨后去掉彎矩結(jié)束

91、加工，由于斷面內(nèi)應(yīng)力降低，此時(shí)所去掉的彎矩大小，遠(yuǎn)比不附加拉力的單純彎曲所需要的彎矩低得多。因而受彎矩大小直接影響的回彈也大大減少。</p><p>　　3.2.2影響回彈的因素</p><p>　　根據(jù)這一章的分析總結(jié)出影響回彈的因數(shù)：</p><p>　　材料的機(jī)械性能。材料的屈服點(diǎn)越高，彈性模量越小，回彈就越大。</p><p>　　材

92、料的彎曲半徑r與板料的厚度t之比值r/t——相對(duì)彎曲半徑。彎曲半徑r越大，材料厚度t越小，即相對(duì)彎曲半徑越大則回彈量就越大，反之就越小。</p><p>　　彎曲校正力的大小。校正力越大，回彈越小。</p><p>　　模具彎曲間隙。間隙越大，回彈量就越大。間隙小于板料厚度時(shí)，有可能出現(xiàn)負(fù)回彈。</p><p>　　彎曲件的形狀。彎曲件直邊過短時(shí)，回彈較大。V形彎曲

93、件的回彈比U形件彎曲的回彈量大。</p><p>　　凹模內(nèi)的形狀及尺寸。凹模深度過小時(shí)，回彈量很大。</p><p>　　另外還與板料的缺陷、模具表面硬度、摩擦力的大小、以及沖壓速度等都有關(guān)系。</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了板料彎曲過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分析及彎回

94、彈的原因、影響的因素。</p><p>　　4參數(shù)計(jì)算及方案確定</p><p><b>　　4.1 問題描述</b></p><p>　　如圖4-1所示為某型號(hào)冰箱的上門面板，材料為08F鋼，板厚為0.5mm，大邊彎曲半徑為10mm。為了建立分析模型，必須根據(jù)圖中已知的參數(shù)計(jì)算出彎大邊時(shí)的毛坯尺寸，從而確定凸凹模的相關(guān)參數(shù)。</p>

95、;<p>　　圖4-1 冰箱的上門面板零件圖</p><p>　　4.2門面板成形工藝過程</p><p>　　冰箱上門面板因是外觀件，表面成形要求高，不允許有劃傷，要保證光亮平整。該門面板弧面上有一裝顯示裝飾板的方形槽孔，其成形難點(diǎn)在于方形槽孔成形后，該處會(huì)否起皺的問題，因方形槽孔邊到彎曲邊的距離很接近。為了拉伸及成形方形槽，先安排切邊預(yù)沖孔工序，然后是拉深壓形工序，拉深后

96、拉伸邊緣會(huì)起皺，則需要一道修邊工序，彎大邊需要彎曲工序及彎小邊的彎邊工序，最后是沖方形孔的沖孔工序。經(jīng)逐道分析，可確定該冰箱上門面板的成形工藝過程為：切邊沖孔—拉深壓形—修邊—彎曲—彎邊—沖方形槽孔。</p><p><b>　　4.3 計(jì)算過程</b></p><p>　?。?）最小彎曲半徑rmin的確定</p><p>　　查《沖壓工藝學(xué)》

97、表3—7可得08F鋼的最小相對(duì)彎曲半徑rmin/t＝ 0.5,即最小彎曲半徑rmin =0.5×0.5=0.25mm，而r＝10mm>>rmin，符合要求且屬于大半徑彎曲。</p><p>　?。?）彎曲件展開尺寸計(jì)算</p><p>　　由門面板成形工藝過程可知，在該道彎曲工序以前有“切邊沖孔”，“拉深壓形”和“修邊”三道工序，所以這個(gè)“展開寬度”應(yīng)指“修邊”以后的

98、板料寬度，而不是把整個(gè)面板展平后的寬度，而且該彎曲件可以看成是底部為固定曲面的U形彎曲件，如圖4-2示。圖中的R2.5mm和R10mm兩段弧需要按手冊(cè)上的公式進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　圖4-2 冰箱門面板寬度方向的簡圖</p><p>　　查《模具設(shè)計(jì)與制造簡明手冊(cè)》（以后簡稱“《模具簡明手冊(cè)》”）表1-122，得單個(gè)弧長計(jì)算公式為： </p><p><

99、;b>　?。?-1）</b></p><p>　　R——彎曲件中性層的彎曲半徑，R=r+Kt，其中的r為彎曲件內(nèi)弧半徑。K為彎曲件的中性層系數(shù)，其值可由《模具簡明手冊(cè)》附表1查得。所以R2.5的弧：r=2.5-0.5=2.0mm , K=0.488，R=r+Kt=2+0.477×0.5 =2.438mm； R10的弧：r=10-0.5=9.5mm，K=0.488；R=9.5+0.488

100、×0.5=9.744mm。</p><p>　　——為彎曲角度，取90º。</p><p>　　所以：R2.5mm弧長展開后的長度為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　R10弧長展開后的長度為：</p><p><b>　?。?-3

101、）</b></p><p>　　查《模具簡明手冊(cè)》表1-122得彎曲件展開長度計(jì)算公式：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　=3.828×2+15.3×2+（560-10×2）+（60.9-10-0.5）×2+(13.5-0.5) ×2</p&

102、gt;<p>　　=705.056mm； 取L=705mm；</p><p>　　即彎曲前的面板如圖4-3示，圖中的L4=L=705mm，L3=560mm，所以直角邊的長度為：</p><p><b>　　（4-5）</b></p><p>　　圖4-3 冰箱門面板彎曲前的尺寸簡圖</p><p><

103、b>　?。?）彈復(fù)角的確定</b></p><p>　　當(dāng)相對(duì)彎曲半徑較大時(shí)（r/t>10）, 彈復(fù)角的數(shù)值可用如下公式計(jì)算：</p><p>　　式中：為簡化系數(shù)，為工件的圓角半徑，為工件的彎曲角度。</p><p>　　查《沖壓工藝手冊(cè)》表3—8可知08F鋼的簡化系數(shù)K值為0.0032，故半徑為10mm的彎曲件回彈角為：</p>

104、;<p>　?。?）凸凹模圓角半徑的選取</p><p>　　考慮到回彈，凸模的角度為： </p><p><b>　　凸模圓角半徑為：</b></p><p>　　由板厚t=0.5mm<2mm,得凹模圓角半徑=(3～6)t=1.5～3mm，這里取=2mm。</p><p><b>　?。?

105、）凸凹模的間隙</b></p><p>　　查《模具簡明手冊(cè)》的表1—125得彎曲模具的間隙系數(shù)n為0～0.2，得摸具的單邊間隙為：</p><p>　　Z=t(1+n)=0.5～0.6mm</p><p>　　（6）凸模的深度計(jì)算</p><p>　　一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)凹模在整形彎曲前的工作階段，其工作原理與普通的帶底的U形彎曲模具的工作

106、原理相似，因此在計(jì)算凹模深度深度時(shí)查U形件的相關(guān)參數(shù)就可以了。如圖4-4和4-5所示的兩幅圖分別是轉(zhuǎn)動(dòng)凹模簡圖和U形彎曲模具簡圖。</p><p>　　圖4-4 凹模簡圖 圖4-5 U形彎曲模簡圖</p><p>　　圖4-5中的L是指工件的直邊長度，根據(jù)公式(4-5)查《沖壓模具》表3-16，得轉(zhuǎn)動(dòng)凹模的直邊深度L0=20mm</p>

107、<p>　　轉(zhuǎn)動(dòng)凹模的總深度可在L0的基礎(chǔ)上加上一個(gè)凹模圓角半徑R，即總深度為20+10=30mm。</p><p>　　（7）凸凹模的寬度計(jì)算</p><p>　　由于彎曲件有“回彈”現(xiàn)象，所以凹模和凸模在設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)考慮回彈，最后設(shè)計(jì)出來的凸、凹模的工作側(cè)面均有一定的斜度，這里計(jì)算出來的凸凹模寬度L凹，L凸均指凸、凹模工作部分的最大尺寸。圖4-6所示的彎曲件簡圖, 其外形寬度L

108、=5600-0.5mm，高度H=60.9mm。</p><p>　　圖4-6 彎曲件尺寸簡圖</p><p>　　查《模具簡明手冊(cè)》第96頁的表1.126，得：</p><p><b>　　凹模寬度：</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>

109、<b>　　凸模寬度：</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　Lmax——即簡圖中所標(biāo)注的L；</p><p>　　δ凸、δ凹——按IT7~9級(jí)取值；根據(jù)冰箱門面板表面要求高，這里的取凸模尺寸精度為IT7級(jí)，凹模尺寸精度取IT8級(jí)；查《模具簡明手冊(cè)》第880頁的附錄得：IT7級(jí)公差數(shù)為