課程的主要內容緒論模壓技術與模具的分類模具的基本結構沖壓成形有限元仿真基本理論沖壓成形三維仿真分析系統沖壓成形仿真的工程應用基于反向模擬的毛坯外形設計技術沖壓模具設計的模面工程技術模具設計制造過程智能化集成技術12/11/20221吉林金網格課程的主要內容緒論12/10/20221吉林金網格第三章的主要內容

第一節板料沖壓成形技術概述第二節沖壓成形過程的計算機仿真技術及作用第三節沖壓成形過程的力學模型與有限元求解方法第四節板殼理論及有限元法第五節模擬仿真軟件的使用

12/11/20222吉林金網格第三章的主要內容第一節板料沖壓成形技術概述12/10/第一章板料沖壓成形技術概述1.1 引言1.2 板料沖壓成形的分類1.3 板料沖壓成形的物理現象1.4板料沖壓成形的常見缺陷及產生原因12/11/20223吉林金網格第一章板料沖壓成形技術概述1.1 引言12/10/20221.1引言

汽車車身的重要性汽車工業是衡量一個國家工業水平的重要標志，為國民經濟的支柱產業。汽車車身占整車質量的百分比大：客車、轎車和專用汽車40－60％；貨車16－30％車輛的更新換代速度加快。降低汽車車身重量對環境保護和緩解能源危機的重要性。12/11/20224吉林金網格1.1引言汽車車身的重要性汽車工業是衡量一個國家工業水平發展汽車工業（轎車）的需要汽車工業的發展對機械、電子、材料、計算機、通信、自動控制等領域的發展起到了重要的促進作用。對轎車車身的要求很高，從而大大促進了新技術和新設備的發展，由此全面帶動了其它各種車型車身技術的開發。

日本轎車的發展對其汽車工業的促進起了舉足輕重的作用就是明顯的例證。

12/11/20225吉林金網格12/10/20225吉林金網格板料沖壓成形技術的概念利用金屬塑性變形的特點，通過一定方式對金屬板料施加壓力，使其產生所需的塑性變形，從而獲得滿足所需的各種形狀的零件。車身覆蓋件和車身結構件車身覆蓋件系指覆蓋車身內部結構的表面板件；車身結構件則指支撐覆蓋件的全部車身結構零件的總稱。12/11/20226吉林金網格板料沖壓成形技術的概念12/10/20226吉林金網格沖壓技術在汽車制造業中重要地位據統計，汽車上有60－70％的零件是用沖壓工藝生產出來的。因此，沖壓技術對汽車的產品質量、生產效率和生產成本都有重要的影響。

沖壓工藝具有生產效率高、尺寸一致性好、原材料消耗低、沖壓件質量輕、強度和剛度好、工藝過程簡單等優點。12/11/20227吉林金網格沖壓技術在汽車制造業中重要地位據統計，汽車上有60－70％的沖壓仿真在汽車業制造中重要性數值仿真是產品和設計和制造的核心技術之一。數值仿真是使板料沖壓成形由“經驗”走向“科學”，由“定性”走向“定量”的橋梁。對于汽車制造業來說，21世紀的競爭核心將是新產品的競爭，實現高質量、低成本、短周期的新車型的開發正是贏得這場競爭的關鍵。12/11/20228吉林金網格沖壓仿真在汽車業制造中重要性12/10/20228吉林金網格板料沖壓成形技術的發展概況有限元技術的發展

1960年，Clough教授在論文中首次提出“有限元”這一名詞，Courant、Argyris、Turner、Clough和Zienkiewicz的論文促成了有限元法的誕生，奠定了早期有限元法的基礎；1967年，Marcal教授和King提出了彈塑性有限元格式；1968年，Yamada（山田嘉昭）推導了小變形問題彈塑性矩陣的顯式表達，大大推進了小變形彈塑性有限元法的發展；12/11/20229吉林金網格板料沖壓成形技術的發展概況12/10/20229吉林金網格1970年，Hibbit、Marcal和Rice基于有限變形理論，應用增量法建立了全Lagrange格式的大位移、大應變彈塑性有限元法，Marcal又于同年推出了彈塑性有限元程序MARC，即現在廣泛應用的商品化大型有限元軟件MARC的前身；1973年，Oden等人建立了熱粘彈塑性大變形有限元方法；1974年，McMeeking等人建立了更新的Lagrange格式的大變形彈塑性有限元方法；至此，用于大變形問題分析的彈塑性有限元理論已經系統的建立起來了。12/11/202210吉林金網格1970年，Hibbit、Marcal和Rice基于有限變形板料成形有限元分析的發展1973年，Kobayashi和Mehta把剛塑性有限元法用于分析沖壓成形問題，這是人們第一次用有限元法來模擬沖壓成形過程；1974年，Iseki等人用彈塑性增量型有限元法模擬了液壓脹形過程；1976年，Wifi基于軸對稱理論，用彈塑性增量型有限元法模擬了圓形坯料在半球形凸模下的脹形和拉深過程；1977年，在美國GM公司召開了一個關于板料沖壓成形力學分析的研討會，有兩篇論文分別采用薄膜單元和庫侖摩擦理論，這在當時已相當完善；12/11/202211吉林金網格板料成形有限元分析的發展12/10/202211吉林金網格1978年，N.M.Wang和Budiansky基于非線性薄膜理論，用彈塑性大變形TL格式分析了任意幾何形狀模具的沖壓成形問題，首次考慮了坯料在模具表面的滑動和粘著效應的接觸摩擦現象；1980年，S.I.Oh和Kobayashi用剛塑性有限元法分析了任意形狀模具的拉深問題；1983年，E.Onate和Zienkiewicz用粘塑性有限元法分析了非對稱模具的沖壓成形問題；1984年，N.M.Wang用剛塑性有限元法分析了速率敏感型材料的沖壓成形問題；12/11/202212吉林金網格1978年，N.M.Wang和Budiansky基于非線性1985年，Toh和Kobayashi采用殼單元理論，用剛塑性有限元法首次分析了方形盒的拉深過程，這標志著沖壓成形三維有限元仿真的開始；1985年，Makinouchi（木野內）用彈塑性有限元法分析了彎曲和修邊過程；1986年，Nakamachi（仲町英治）也用彈塑性有限元法分析了沖壓成形的一般問題；1987年，Park等人用剛粘塑性有限元法分析了軸對稱沖壓成形問題；1988年，Nakamachi用彈塑性有限元法模擬了方形盒的拉深過程。12/11/202213吉林金網格1985年，Toh和Kobayashi采用殼單元理論，用剛塑當前國際上幾個有影響的研究組織

以S.C.Tang為代表的Ford公司的研究小組。他們基于增量型彈塑性有限變形理論（大變形理論），采用Newton－Raphson迭代算法求解，建立了專門由于分析車身覆蓋件沖壓成形分析的靜力隱式（staticimplicit）格式的有限元方法。12/11/202214吉林金網格當前國際上幾個有影響的研究組織12/10/202214吉林美國LawerenceLivermore國家實驗室的Hallqist等人從1976年開始從事動力顯式算法的研究工作，起初開發了用于二維大變形沖擊碰撞分析分析的應用程序DYNA2D，隨后又推出了進行三維分析的DYNA3D和可用于板料成形分析的LS_DYNA3D。該系列軟件采用的是動力顯式積分算法，無收斂問題，可以解決大規模的動力非線性問題。12/11/202215吉林金網格美國LawerenceLivermore國家實驗室的Hal以Nakamachi（仲町英治）、Makinouchi（木野內）為代表的日本板料成形研究組織（JapanSheetMetalFormingResearchGroup）。這是一個由來自于汽車工業、鋼鐵工業、大學和政府機構的37家單位組成的聯合研究機構。他們基于增量型彈塑性有限變形理論和Mindlin理論，采用中心差分算法求解，開發了靜力顯式（staticexplicit）和動力顯式（dynamicexplicit）兩種格式的有限元軟件，應用于日本的一些汽車廠和鋼鐵廠。

12/11/202216吉林金網格以Nakamachi（仲町英治）、Makinouchi（木野以R.H.Wagoner和T.Altan為代表的OSU（OhioStateUniversity）研究小組。他們采用剛塑性和剛粘塑性本構關系，基于薄膜理論和板殼理論，采用修正的Newton－Raphson迭代法求解，開發了分別用于分析二維和三維沖壓成形問題的靜力隱式格式有限元軟件，他們對接觸問題的處理具有獨到之處。12/11/202217吉林金網格以R.H.Wagoner和T.Altan為代表的OSU（以D.Y.Yang和J.H.Kim為代表的韓國漢城大學研究小組。他們采用剛塑性和彈塑性本構關系，應用薄膜單元、殼單元和塊單元，開發了靜力隱式、動力顯式和隱式/顯式耦合三種格式的有限元軟件。以E.Onate等人為代表的位于巴塞羅那的國際工程數值方法中心（InternationalCenterforNumericalMethodsinEngineering）。他們除了開展工程中的有限元理論和方法研究之外，還用“流動型”有限元法對沖壓成形問題進行分析。

12/11/202218吉林金網格以D.Y.Yang和J.H.Kim為代表的韓國漢城大學研NUMISHEET標準考題的發展為了促進板料沖壓成形仿真的研究和應用，國際上發起了定期召開的板料成形三維數值仿真國際會議NUMISHEET（InternationalConferenceonNumericalSimulationof3-DSheetFormingProcess）分別是：OSU標準考題（1988年）、VDI（德國汽車學會）標準考題（1991年）、NUMISHEET’93、NUMISHEET’96、NUMISHEET’99、NUMISHEET’02、NUMISHEET’05。

12/11/202219吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展12/10/202219吉林NUMISHEET標準考題的發展OSU標準考題（1988年）12/11/202220吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展12/10/202220吉林NUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’93（1993年）12/11/202221吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展12/10/202221吉林NUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’96（1996年）12/11/202222吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展12/10/202222吉林NUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’2002（2002年）12/11/202223吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展12/10/202223吉林NUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’2002（2002年）FormingofFrontFender

12/11/202224吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展FormingofFroNUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’2005（2005年）BENCHMARK1:FormingofFrontFender

SpringbackPredictionofDecklidInnerPanel

12/11/202225吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展FormingofFroNUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’2005（2005年）BENCHMARK2:SpringbackPredictionofACrossMember

12/11/202226吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展SpringbackPreNUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’2005（2005年）BENCHMARK3:ChannelDraw/CylindricalCupBenchmarkViewofSpecimenAbeforebinderclosureinStage2ViewofSpecimenBbeforebinderclosureinStage212/11/202227吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展ChannelDraw/C板料成形有限元仿真關鍵技術的發展求解算法動力顯式算法（Dynamicexplicitalgorithm）靜力隱式算法（Staticimplicitalgorithm）一步逆成形算法（One-stepInversealgorithm）

單元技術薄膜單元塊單元殼單元本構關系各向同性材料的屈服準則各向異性材料的屈服準則12/11/202228吉林金網格板料成形有限元仿真關鍵技術的發展12/10/202228吉林求解算法沖壓成形過程是一個大變形的非線性力學過程。動力顯式算法（Dynamicexplicitalgorithm）

如果考慮速度和加速度的影響，采用對角化的質量矩陣和阻尼矩陣，考慮t時刻的運動方程，由中心差分法可得到在時刻的節點位移為

12/11/202229吉林金網格求解算法動力顯式算法（Dynamicexplicital上式即為動力顯式算法，每個自由度的位移可以獨立求出，但該算法是條件穩定的積分算法，為保證計算的穩定性，時間步長應滿足動力顯式增量法最初是為沖擊、碰撞問題的仿真而開發的,在有限元平衡方程中包含慣性力的成分。它采用中心差分算法,不需要剛度矩陣的集合,不存在收斂性問題,因此特別適合于計算大型車身覆蓋件的成形問題。12/11/202230吉林金網格上式即為動力顯式算法，每個自由度的位移可以獨立求出，但該算法它有其固有的缺陷,即為了得到顯著的計算優勢,必須人為地放大真實的凸模速度,為了抵消由此引起的慣性力,就需要用戶在網格大小、質量矩陣、阻尼矩陣等計算參數的選用上積累豐富的經驗。代表性商品化軟件有：LS-DYNA，PAM2G/AutoStamp這類軟件計算效率較高,但計算結果因人而異的現象比較普遍。另外,它的回彈計算能力較差，所需模擬時間比較長，一般適合在模具設計最后階段進行校核。12/11/202231吉林金網格它有其固有的缺陷,即為了得到顯著的計算優勢,必須人為地放大真靜力隱式算法（staticimplicitalgorithm）從理論上講,增量型靜力隱式軟件最適合車身覆蓋件沖壓成形這個準靜力問題,計算結果也是無條件穩定的。

它存在致命的收斂性問題,由于接觸狀態的改變,容易引起收斂速度變慢或發散,從而使計算難以進行下去。另外,計算效率低也是它的一個不利因素。

盡管動力顯式軟件在當今的車身覆蓋件沖壓仿真中占主流地位,但還是有許多學者在繼續從事靜力隱式軟件的開發、完善工作。12/11/202232吉林金網格靜力隱式算法（staticimplicitalgoritFord公司的Tang改進了方程組的解法,從而使計算效率得到較大的改善。

韓國的Yang采用分叉理論來計算起皺問題,從而避免了靜力隱式軟件在壓縮失穩時收斂性差的問題。為了解決靜力隱式算法收斂難和計算效率低下的問題，提出了大步長靜力隱式算法，這類軟件對沖壓過程的高度非線性問題進行了特殊的改進,把彎曲效應和拉伸效應進行分離處理,從而可以采用快速的迭代算法,并改善了收斂性。12/11/202233吉林金網格Ford公司的Tang改進了方程組的解法,從而使計算效率得到代表性商品化軟件有：AutoForm/Incremental,Pam2G/QuickStamp由于采用靜力隱式算法,因此網格的自適應細化等級沒有限制,網格最小可以達到0.5mm,很大的網格和很小的網格可以共存。

但由于對非線性問題進行了近似處理,因此不能準確地模擬節點接觸和脫離工具的過程,對起皺和屈曲的預測結果也往往較差。由于上述的因素，使這類軟件計算效率大為提高,非常適合在模具設計初期及其優化設計中應用。12/11/202234吉林金網格代表性商品化軟件有：AutoForm/Incremental一步逆成形算法（One-StepInversealgorithm）

采用全量理論,整個成形過程是從最終的車身覆蓋件到初始板料(實際上是反向模擬),忽略接觸變形歷史。一步逆成形有限元方法示意圖12/11/202235吉林金網格一步逆成形算法（One-StepInversealgor代表性商品化軟件有：FastForm,DynaForm/MStep,HyperForm,AutoForm/OneStep這類軟件的最大好處是計算效率很高,但是由于采用了過多的假設和簡化，計算精度還有待提高。適合于產品的設計階段，可以給設計人員提供一些定性的參考,傳統的車身設計往往注重于它的動力學性能、美觀等方面的因素,對其沖壓成形性則很少考慮,借助這類軟件可以較好地對車身覆蓋件的成形性進行預測。12/11/202236吉林金網格代表性商品化軟件有：FastForm,DynaForm/M有限元仿真軟件的分類12/11/202237吉林金網格有限元仿真軟件的分類12/10/202237吉林金網格有限元仿真軟件的分類12/11/202238吉林金網格有限元仿真軟件的分類12/10/202238吉林金網格有限元仿真軟件的分類12/11/202239吉林金網格有限元仿真軟件的分類12/10/202239吉林金網格單元技術薄膜單元（薄膜理論），C0型單元，構造格式簡單，但忽略了彎曲效應，考慮的內力僅為沿薄殼厚度均勻分布的平行于中面的應力，忽略彎矩、扭矩和橫向剪切。塊單元（連續介質理論），C0型單元，考慮彎曲效應和剪切效應，格式更簡單，但計算時間太長。12/11/202240吉林金網格單元技術12/10/202240吉林金網格殼單元（板殼理論），既能處理彎曲和剪切效應，又不像實體單元那樣需要很長的計算時間，因此在車身覆蓋件沖壓成形仿真分析中常被采用。殼單元大致分為兩類：一類是基于經典Kirchhoff板殼理論的殼單元；另一類是基于Mindlin理論的殼單元。BT殼單元就是Belytschko等人基于Mindlin理論開發的計算精度和效率都很高的一種殼單元。12/11/202241吉林金網格殼單元（板殼理論），既能處理彎曲和剪切效應，又不像實體單元那本構關系在板料沖壓成形過程中，板料是唯一的塑性變形體，它的應力和應變關系是影響仿真結果可靠性的最重要因素之一。在什么樣的復合應力狀態下材料開始屈服，這就需要建立屈服準則

第一類：各向同性材料的屈服準則屈雷斯卡（Tresca）于1864年提出屈服準則的概念，他認為：當最大剪應力達到某一極限值時，材料即進入塑性狀態。屈雷斯卡條件的數學表達式為12/11/202242吉林金網格本構關系12/10/202242吉林金網格由于屈雷斯卡屈服準則不光滑而產生了數學上的困難，為了簡化計算，1913年，Mises提出的屈服準則數學表達式為

k2為一常數，可由實驗確定。例如，用單拉實驗，可得12/11/202243吉林金網格由于屈雷斯卡屈服準則不光滑而產生了數學上的困難，為了簡化計算第二類：各向異性材料的屈服準則（1）Hill屈服準則1948年，Hill提出了二次屈服準則，若把各向異性主軸作為局部隨體正交坐標軸x，y，z的話，Hill正交各向異性屈服函數可表示為式中F、G、H、L、M、N是材料的各向異性參數，由實驗確定。12/11/202244吉林金網格第二類：各向異性材料的屈服準則式中F、G、H、L、M、N是材該準則在描述r值較高的各向異性時比較合適。其它非二次的屈服準則，如Hill(1979、1990、1993)，Gotoh（1977）、Budianski（1984）等都可以更好的描述鋁合金的屈服行為。（2）Barlat-Lian屈服準則1989年，Barlat和Lian提出新的非二次屈服準則，它可以考慮面內剪切應力，其表達式為：12/11/202245吉林金網格該準則在描述r值較高的各向異性時比較合適。其它非二次的屈服準12/11/202246吉林金網格12/10/202246吉林金網格其中，是等雙拉狀態的Cauchy主應力；是單向拉伸狀態的Cauchy主應力；是純剪切狀態時的屈服剪應力；M是非二次屈服函數指數；是板料軋制方向和面內垂直于軋制方向的各向異性參數；p值可以通過單拉實驗的求出。12/11/202247吉林金網格其中，12/10/202247吉林金網格該準則可以有效的模擬板料拉深成形過程中突緣的塑性流動規律，可以模擬突緣出現2、4、6個制耳的現象，全面地反映了面內各向異性和屈服函數指數m對板料成形過程中的塑性流動規律及成形極限的影響。只是該準則只能應用于平面應力狀態。12/11/202248吉林金網格該準則可以有效的模擬板料拉深成形過程中突緣的塑性流動規律，可1.2

板料沖壓成形的分類

（1）按沖壓過程的變形狀態A純彎曲圖1.1薄板的純彎曲(a)變形前(b)變形后12/11/202249吉林金網格1.2板料沖壓成形的分類（1）按沖壓過程的變形狀態圖1.B純拉伸

圖1.2薄板的純拉伸12/11/202250吉林金網格B純拉伸圖1.2薄板的純拉伸12/10/202250吉（2）按照零件的形狀進行分類（在工程應用中）a拉深b翻邊c脹形d縮口e翻孔圖1.3采用拉深成形的工件12/11/202251吉林金網格（2）按照零件的形狀進行分類（在工程應用中）圖1.3采用拉拉深成形就是利用板面內材料的移動，從平板形成容器狀零件的成形方法。特點：在拉深成形中，壁厚的減小不是變形的本質，因此深的零件也有可能成形，這也就是它被稱為拉深成形的原因，而且，如果采用多次拉深法，不管是多深的立體狀零件都可能成形。拉深成形的實質就在于法蘭部分的變形。12/11/202252吉林金網格拉深成形就是利用板面內材料的移動，從平板形成容器狀零件的成形翻邊就是將坯料的端部進行彎曲，使之帶有凸緣的成形方法。

翻邊成形制品的例子（a）直線翻邊，其彎曲線為直線；（b）延伸翻邊，其彎曲線為內凹形；（c）壓縮翻邊，其彎曲線為外凸形；（d）兩者混合狀態的復合翻邊。脹形成形是在日常生活中經常接觸到的象吹氣球那樣使零件鼓起的一種成形方法。

12/11/202253吉林金網格翻邊就是將坯料的端部進行彎曲，使之帶有凸緣的成形方法。12脹形多用于在大面積中有局部材料鼓起的場合，但除此之外，對形狀和表面有嚴格要求的覆蓋件的成形也常常應用它。脹形的特點

法蘭部分的坯料處于不流動狀態

、表面積增加

脹形的種類局部脹形在實際中應用最廣。例如，車門上的手柄部分。一般可在相當接近脹形極限的狀態下進行脹形。整體脹形如摩托車的擋泥板是脹形區域較廣、而脹形又比較均勻的制件。12/11/202254吉林金網格脹形多用于在大面積中有局部材料鼓起的場合，但除此之外，對形狀大曲面脹形

是大曲率半徑曲面的淺脹形，如汽車覆蓋件等。不存在破裂問題，但存在形狀性問題。軟模脹形

是采用液壓或沖擊波等手段使管形件產生凸臌的脹形方法。分為平板毛坯的脹形和管子脹形兩種。作為軟模脹形的介質有液體、橡膠等。在軟模脹形中裝有上下滑動的剛性凹模的所謂復式液壓脹形法。復合成形是拉深和脹形的復合成形，是介于二者之間的成形方法。12/11/202255吉林金網格大曲面脹形是大曲率半徑曲面的淺脹形，如汽車覆蓋件等。不存圖1.4翻邊成形圖1.5脹形成形12/11/202256吉林金網格圖1.4翻邊成形圖1.5脹形成形12/10/2022圖1.7翻孔成形圖1.6縮口成形12/11/202257吉林金網格圖1.7翻孔成形圖1.6縮口成形12/10/2022圖1.8拉深和翻孔12/11/202258吉林金網格圖1.8拉深和翻孔12/10/202258吉林金網格

1.3

板料沖壓成形的物理現象

沖壓過程12/11/202259吉林金網格1.3板料沖壓成形的物理現象沖壓過程12/10/212/11/202260吉林金網格12/10/202260吉林金網格沖壓成形過程作為一個統一的力學過程，在此基礎上，可總結出四大重要物理現象：接觸碰撞接觸碰撞現象是十分普遍的物理現象，它是兩個物體表面間產生的相互作用的一個過程。接觸碰撞過程的計算是最難的工程計算問題之一，因為它涉及一個求解具有未知邊界條件的邊值問題。12/11/202261吉林金網格沖壓成形過程作為一個統一的力學過程，在此基礎上，可總摩擦磨損摩擦是與接觸不可分割的一個物理現象，它表現為兩接觸表面相對運動的阻礙作用。在板料沖壓成形過程中，有時利用摩擦，而有時要避免摩擦以達到控制材料流動的目的。磨損是摩擦作用的一種反映，它是模具失效的主要形式，磨損的快慢就決定了模具的使用壽命。12/11/202262吉林金網格摩擦磨損12/10/202262吉林金網格大位移、大轉動大變形的出現使線性的應力和應變關系不再有效，大位移和大轉動的產生導致物體的構形不斷改變，從而需要考慮構形處于變化中的物體的平衡方程。由大位移、大轉動引起的非線性問題統稱為幾何非線性問題。彈塑性變形在沖壓成形的加載過程中，工件同時發生彈性和塑性變形，卸載后，大部分彈性變形消失，塑性變形得以保留，何時開始產生塑性變形涉及到材料的屈服準則。12/11/202263吉林金網格大位移、大轉動12/10/202263吉林金網格拉裂

拉裂是深沖工藝產生的常見缺陷，根據程度不同可將拉裂分為微觀拉裂和宏觀拉裂兩種情況。消除拉裂方法

降低拉裂區的拉應變值，可采用不同的途徑，如調整壓邊力、改善潤滑條件、增加輔助工序等。成形極限圖成形極限圖是用來描述材料在給定狀態下所能承受的最大應變的情況，如圖2.1所示，成形極限圖中曲線以下的區域代表成形安全區，曲線以上的區域代表拉裂區。

1.4

板料沖壓成形的常見缺陷及產生原因

12/11/202264吉林金網格拉裂拉裂是深沖工藝產生的常見缺陷，根據程度不同可將拉裂分成形極限圖12/11/202265吉林金網格成形極限圖12/10/202265吉林金網格起皺起皺是板料沖壓成形中另一種常見缺陷，它產生的原因正好與拉裂產生的原因相反，是由于局部壓應力過大引起失穩所致。起皺不僅影響零件的精度和美觀性，還會影響下一到工序的正常進行。如果起皺嚴重就可能導致坯料難以通過凸凹模間隙而被拉斷。消除方法增加起皺處的法向接觸力。12/11/202266吉林金網格起皺起皺是板料沖壓成形中另一種常見缺陷，它產生的原因正好回彈補償不當由于沖壓件彈性變形的存在，卸載后零件會發生回彈。為了補償回彈所引起的沖壓件的尺寸改變，可以采取調整模具形狀和尺寸的方法。做法如下：首先計算出沖壓件的回彈量，然后按照該回彈量反方向修正模具。即便如此，仍然存在問題，一是回彈量難以精確計算，另一個是即使回彈量能夠精確計算，回彈也很難一次補償好，這往往是一個迭代過程。12/11/202267吉林金網格回彈補償不當12/10/202267吉林金網格回彈后的板料回彈補償后的模具型面原始的模具型面圖2.2回彈補償12/11/202268吉林金網格回彈后的板料回彈補償后的模具型面原始的模具型面圖2.2回起皺現象12/11/202269吉林金網格起皺現象12/10/202269吉林金網格第二章沖壓成形過程的計算機仿真技術及作用2.1板料沖壓成形仿真的原理及步驟2.2核心內容與關鍵技術2.3配套的實驗技術2.4板料沖壓成形仿真技術在工藝與模具設計中所能解決的問題12/11/202270吉林金網格第二章沖壓成形過程的計算機仿真技術及作用2.1板料沖壓成2.1板料沖壓成形仿真的原理及步驟沖壓成形過程包含了多個復雜的物理過程，板料的彈塑性變形過程、板料與模具的摩擦磨損過程、摩擦生熱及熱傳導過程、沖擊聲波的傳播過程等，其中，彈塑性變形過程是我們最關心的，與其密切相關的有：模具與板料的接觸和摩擦過程；模具的運動過程；壓機加載過程。12/11/202271吉林金網格2.1板料沖壓成形仿真的原理及步驟沖壓成形過沖壓成形計算機仿真中應考慮的問題可歸結為如下幾個方面：（1）板料的大位移、大轉動和大應變條件下的彈塑性變形的描述和計算；（2）板料和模具間法向接觸力的計算；（3）板料和模具接觸面間摩擦的描述及摩擦力的計算；（4）模具的幾何描述和運動計算；（5）壓機加載過程的描述和模擬。板料沖壓過程的力學過程描述，板料的受力分析。12/11/202272吉林金網格沖壓成形計算機仿真中應考慮的問題可歸結為如下幾個方面：12/板料沖壓成形計算機仿真分析步驟：（1）建立沖壓過程的力學模型；（2）建立有限元分析模型；（3）根據板料變形特性選定殼體單元類型并確定有關參數；（4）選定彈塑性本構關系及有關參數；（5）根據板料和模具的表面特性及其潤滑狀態選定摩擦定律及參數；（6）對壓邊圈的剛體運動和板料的彈塑性變形進行求解；12/11/202273吉林金網格板料沖壓成形計算機仿真分析步驟：12/10/202273吉林（7）將求解的結果按一定的要求形成文字或圖形文件供后處理系統使用。后處理軟件將變形過程進行圖形顯示，顯示內容包括：變形網格圖，渲染變形圖，應力應變分布云圖，厚度分布云圖，局部節點位移、速度和加速度變化曲線以及摩擦力分布圖等。12/11/202274吉林金網格（7）將求解的結果按一定的要求形成文字或圖形文件供后處理系統過程（6）較復雜，其中包括如下主要內容：

a、確定當前狀態下的接觸邊界；b、計算當前狀態下接觸面上的接觸力；c、計算當前狀態下接觸面上的摩擦力；d、計算當前變形狀態對應的內應力；e、計算當前應力狀態所對應的單元節點力；f、計算各節點的內外力矢量和；g、計算節點的加速度，并在此基礎上計算節點的速度和位移；h、計算壓邊圈的剛體運動。12/11/202275吉林金網格過程（6）較復雜，其中包括如下主要內容：12/10/2022.2

核心內容與關鍵技術（1）模型的建立在板料沖壓成形的計算機仿真過程中，模型的建立指兩個方面的工作。首先是分析板料的實際受力和變形過程，從而建立一個可以用有限元方法來求解的力學模型。在力學模型確立后，就要考慮如何建立有限元分析模型。網格重劃和自適應網格技術。12/11/202276吉林金網格2.2核心內容與關鍵技術（1）模型的建立12/10/202（2）板殼理論和板殼單元

板殼理論和板殼單元的選擇不僅影響板料變形的計算精度，也直接影響計算量的大小。常用的板殼變形理論有兩個重要的假設：a）板殼厚度方向的應力為零；b）在板料變形前垂直于板殼中性面的材料纖維在板料變形過程中保持直線狀態，但不一定垂直于變形后的板殼中性面。

12/11/202277吉林金網格（2）板殼理論和板殼單元12/10/202277吉林金網格在相同的板殼理論前提下，可以形成不同的殼體單元。顯式算法：三節點、四節點的單元隱式算法：三節點、四節點或更多節點的單元12/11/202278吉林金網格在相同的板殼理論前提下，可以形成不同的殼體單元。12/10/（3）本構關系在板料沖壓成形過程中，彈塑性變形是發生在板料上的一個十分重要的物理現象。建立材料的彈塑性本構關系模型主要要解決兩個問題：a）在什么樣的復合應力狀態下材料開始屈服；b）材料屈服后如何進行塑性流動。第一個問題是要建立材料的屈服準則，第二個問題是要建立材料的流動準則。與彈塑性本構關系有關的一個重要問題是在屈服狀態下如何準確地求出一個給定應變增量后對應的應力狀態

。12/11/202279吉林金網格（3）本構關系12/10/202279吉林金網格（4）接觸摩擦理論和算法板料的沖壓成形完全靠作用于板料的接觸力和摩擦力來完成，因此接觸力和摩擦力的計算精度直接影響板料變形的計算精度。這就是對實際接觸面的接觸搜尋問題。罰函數法是一種近似方法，允許接觸的邊界產生穿透，通過罰因子將接觸力和穿透量聯系起來，適于顯式算法，罰因子影響結果。拉格朗日乘子法不允許接觸邊界的相互穿透，是一種精確的接觸力算法，只能用于隱式算法當中。摩擦力的計算：經典的和非經典的摩擦定律。12/11/202280吉林金網格（4）接觸摩擦理論和算法12/10/202280吉林金網格（5）模具描述

用有限元方法來描述和處理模具有廣泛的應用的原因：a.從通用性的角度講，采用有限元方法可以避免對于特殊的模具形狀采用特殊的處理方式。有限元本身可以任意精確地近似任何幾何形狀。b.接觸和摩擦算法可采用通常的算法。c.便于圖形顯示和其他后處理操作。

12/11/202281吉林金網格（5）模具描述12/10/202281吉林金網格當然采用非有限元方式描述模具也有其優點，如用很少的幾個面就可以取得很高的描述精度，也減少了仿真計算的工作量。但采用解析面時涉及以下三個問題：a.仿真程序本身必須為工程中每一個可能應用的解析面類型，提供專門的處理模塊；b.對不同類型的解析面采取不同的接觸處理方法；c.圖形顯示時解析面還得做特殊處理。12/11/202282吉林金網格當然采用非有限元方式描述模具也有其優點，如用很少的幾個面就2.3

配套的實驗技術影響仿真技術工程應用效果的實驗技術有兩大類：一類是仿真用原始數據的獲取方法與裝置。仿真用原始數據包括彈塑性本構關系涉及到的參數，如屈服極限、硬化模量等，模具和板料表面摩擦特性和參數等。另一類是仿真關鍵算法的驗證與關鍵參數的修正實驗技術與裝置。仿真方法的驗證包括殼體單元理論和算法的驗證及使用范圍的確定以及摩擦接觸算法的驗證和適用范圍的確定等。12/11/202283吉林金網格2.3配套的實驗技術影響仿真技術工程應用效果的實驗技術有兩實驗技術和裝置是非常重要的，至少有兩個原因：第一，大量的材料數據尤其是國內的材料數據都是若干年前用相對落后的手段和裝置獲得的，而且現在的材料的成分和特性波動較大，單靠從設計手冊獲得的原始數據是不夠的；

第二，仿真結果的可靠性在原理和方法完全正確的前提下還受人為因素的影響，如編程的可靠性、模型建立的合理性和參數輸入的正確性等。生產中的實際沖壓過程只能在一定程度上檢驗仿真軟件的正確性。全面檢驗仿真軟件可靠性的方法是系統設計一系列實驗，使得所有算法在所有可能的實際工作狀態下性能都得到檢驗。12/11/202284吉林金網格實驗技術和裝置是非常重要的，至少有兩個原因：12/10/202.4

板料沖壓成形仿真技術在工藝與模具設計中所能解決的問題（1）起皺的預測與消除（2）拉裂的預測與消除（3）回彈的計算（4）壓邊力的確定（5）毛坯尺寸的計算（6）潤滑方案的優化（7）預測和改善模具磨損12/11/202285吉林金網格2.4板料沖壓成形仿真技術在工藝與模具設計中所能解決的問題在計算機中實現修模和試模有許多獨特優點，主要包括如下幾個方面：節省時間；節省費用；提高模具使用壽命；提高工件品質；減少廢品率；減少原材料浪費；支持新產品的并行工程。12/11/202286吉林金網格在計算機中實現修模和試模有許多獨特優點，主要包括如下幾個方面課程的主要內容緒論模壓技術與模具的分類模具的基本結構沖壓成形有限元仿真基本理論沖壓成形三維仿真分析系統沖壓成形仿真的工程應用基于反向模擬的毛坯外形設計技術沖壓模具設計的模面工程技術模具設計制造過程智能化集成技術12/11/202287吉林金網格課程的主要內容緒論12/10/20221吉林金網格第三章的主要內容

第一節板料沖壓成形技術概述第二節沖壓成形過程的計算機仿真技術及作用第三節沖壓成形過程的力學模型與有限元求解方法第四節板殼理論及有限元法第五節模擬仿真軟件的使用

12/11/202288吉林金網格第三章的主要內容第一節板料沖壓成形技術概述12/10/第一章板料沖壓成形技術概述1.1 引言1.2 板料沖壓成形的分類1.3 板料沖壓成形的物理現象1.4板料沖壓成形的常見缺陷及產生原因12/11/202289吉林金網格第一章板料沖壓成形技術概述1.1 引言12/10/20221.1引言

汽車車身的重要性汽車工業是衡量一個國家工業水平的重要標志，為國民經濟的支柱產業。汽車車身占整車質量的百分比大：客車、轎車和專用汽車40－60％；貨車16－30％車輛的更新換代速度加快。降低汽車車身重量對環境保護和緩解能源危機的重要性。12/11/202290吉林金網格1.1引言汽車車身的重要性汽車工業是衡量一個國家工業水平發展汽車工業（轎車）的需要汽車工業的發展對機械、電子、材料、計算機、通信、自動控制等領域的發展起到了重要的促進作用。對轎車車身的要求很高，從而大大促進了新技術和新設備的發展，由此全面帶動了其它各種車型車身技術的開發。

日本轎車的發展對其汽車工業的促進起了舉足輕重的作用就是明顯的例證。

12/11/202291吉林金網格12/10/20225吉林金網格板料沖壓成形技術的概念利用金屬塑性變形的特點，通過一定方式對金屬板料施加壓力，使其產生所需的塑性變形，從而獲得滿足所需的各種形狀的零件。車身覆蓋件和車身結構件車身覆蓋件系指覆蓋車身內部結構的表面板件；車身結構件則指支撐覆蓋件的全部車身結構零件的總稱。12/11/202292吉林金網格板料沖壓成形技術的概念12/10/20226吉林金網格沖壓技術在汽車制造業中重要地位據統計，汽車上有60－70％的零件是用沖壓工藝生產出來的。因此，沖壓技術對汽車的產品質量、生產效率和生產成本都有重要的影響。

沖壓工藝具有生產效率高、尺寸一致性好、原材料消耗低、沖壓件質量輕、強度和剛度好、工藝過程簡單等優點。12/11/202293吉林金網格沖壓技術在汽車制造業中重要地位據統計，汽車上有60－70％的沖壓仿真在汽車業制造中重要性數值仿真是產品和設計和制造的核心技術之一。數值仿真是使板料沖壓成形由“經驗”走向“科學”，由“定性”走向“定量”的橋梁。對于汽車制造業來說，21世紀的競爭核心將是新產品的競爭，實現高質量、低成本、短周期的新車型的開發正是贏得這場競爭的關鍵。12/11/202294吉林金網格沖壓仿真在汽車業制造中重要性12/10/20228吉林金網格板料沖壓成形技術的發展概況有限元技術的發展

1960年，Clough教授在論文中首次提出“有限元”這一名詞，Courant、Argyris、Turner、Clough和Zienkiewicz的論文促成了有限元法的誕生，奠定了早期有限元法的基礎；1967年，Marcal教授和King提出了彈塑性有限元格式；1968年，Yamada（山田嘉昭）推導了小變形問題彈塑性矩陣的顯式表達，大大推進了小變形彈塑性有限元法的發展；12/11/202295吉林金網格板料沖壓成形技術的發展概況12/10/20229吉林金網格1970年，Hibbit、Marcal和Rice基于有限變形理論，應用增量法建立了全Lagrange格式的大位移、大應變彈塑性有限元法，Marcal又于同年推出了彈塑性有限元程序MARC，即現在廣泛應用的商品化大型有限元軟件MARC的前身；1973年，Oden等人建立了熱粘彈塑性大變形有限元方法；1974年，McMeeking等人建立了更新的Lagrange格式的大變形彈塑性有限元方法；至此，用于大變形問題分析的彈塑性有限元理論已經系統的建立起來了。12/11/202296吉林金網格1970年，Hibbit、Marcal和Rice基于有限變形板料成形有限元分析的發展1973年，Kobayashi和Mehta把剛塑性有限元法用于分析沖壓成形問題，這是人們第一次用有限元法來模擬沖壓成形過程；1974年，Iseki等人用彈塑性增量型有限元法模擬了液壓脹形過程；1976年，Wifi基于軸對稱理論，用彈塑性增量型有限元法模擬了圓形坯料在半球形凸模下的脹形和拉深過程；1977年，在美國GM公司召開了一個關于板料沖壓成形力學分析的研討會，有兩篇論文分別采用薄膜單元和庫侖摩擦理論，這在當時已相當完善；12/11/202297吉林金網格板料成形有限元分析的發展12/10/202211吉林金網格1978年，N.M.Wang和Budiansky基于非線性薄膜理論，用彈塑性大變形TL格式分析了任意幾何形狀模具的沖壓成形問題，首次考慮了坯料在模具表面的滑動和粘著效應的接觸摩擦現象；1980年，S.I.Oh和Kobayashi用剛塑性有限元法分析了任意形狀模具的拉深問題；1983年，E.Onate和Zienkiewicz用粘塑性有限元法分析了非對稱模具的沖壓成形問題；1984年，N.M.Wang用剛塑性有限元法分析了速率敏感型材料的沖壓成形問題；12/11/202298吉林金網格1978年，N.M.Wang和Budiansky基于非線性1985年，Toh和Kobayashi采用殼單元理論，用剛塑性有限元法首次分析了方形盒的拉深過程，這標志著沖壓成形三維有限元仿真的開始；1985年，Makinouchi（木野內）用彈塑性有限元法分析了彎曲和修邊過程；1986年，Nakamachi（仲町英治）也用彈塑性有限元法分析了沖壓成形的一般問題；1987年，Park等人用剛粘塑性有限元法分析了軸對稱沖壓成形問題；1988年，Nakamachi用彈塑性有限元法模擬了方形盒的拉深過程。12/11/202299吉林金網格1985年，Toh和Kobayashi采用殼單元理論，用剛塑當前國際上幾個有影響的研究組織

以S.C.Tang為代表的Ford公司的研究小組。他們基于增量型彈塑性有限變形理論（大變形理論），采用Newton－Raphson迭代算法求解，建立了專門由于分析車身覆蓋件沖壓成形分析的靜力隱式（staticimplicit）格式的有限元方法。12/11/2022100吉林金網格當前國際上幾個有影響的研究組織12/10/202214吉林美國LawerenceLivermore國家實驗室的Hallqist等人從1976年開始從事動力顯式算法的研究工作，起初開發了用于二維大變形沖擊碰撞分析分析的應用程序DYNA2D，隨后又推出了進行三維分析的DYNA3D和可用于板料成形分析的LS_DYNA3D。該系列軟件采用的是動力顯式積分算法，無收斂問題，可以解決大規模的動力非線性問題。12/11/2022101吉林金網格美國LawerenceLivermore國家實驗室的Hal以Nakamachi（仲町英治）、Makinouchi（木野內）為代表的日本板料成形研究組織（JapanSheetMetalFormingResearchGroup）。這是一個由來自于汽車工業、鋼鐵工業、大學和政府機構的37家單位組成的聯合研究機構。他們基于增量型彈塑性有限變形理論和Mindlin理論，采用中心差分算法求解，開發了靜力顯式（staticexplicit）和動力顯式（dynamicexplicit）兩種格式的有限元軟件，應用于日本的一些汽車廠和鋼鐵廠。

12/11/2022102吉林金網格以Nakamachi（仲町英治）、Makinouchi（木野以R.H.Wagoner和T.Altan為代表的OSU（OhioStateUniversity）研究小組。他們采用剛塑性和剛粘塑性本構關系，基于薄膜理論和板殼理論，采用修正的Newton－Raphson迭代法求解，開發了分別用于分析二維和三維沖壓成形問題的靜力隱式格式有限元軟件，他們對接觸問題的處理具有獨到之處。12/11/2022103吉林金網格以R.H.Wagoner和T.Altan為代表的OSU（以D.Y.Yang和J.H.Kim為代表的韓國漢城大學研究小組。他們采用剛塑性和彈塑性本構關系，應用薄膜單元、殼單元和塊單元，開發了靜力隱式、動力顯式和隱式/顯式耦合三種格式的有限元軟件。以E.Onate等人為代表的位于巴塞羅那的國際工程數值方法中心（InternationalCenterforNumericalMethodsinEngineering）。他們除了開展工程中的有限元理論和方法研究之外，還用“流動型”有限元法對沖壓成形問題進行分析。

12/11/2022104吉林金網格以D.Y.Yang和J.H.Kim為代表的韓國漢城大學研NUMISHEET標準考題的發展為了促進板料沖壓成形仿真的研究和應用，國際上發起了定期召開的板料成形三維數值仿真國際會議NUMISHEET（InternationalConferenceonNumericalSimulationof3-DSheetFormingProcess）分別是：OSU標準考題（1988年）、VDI（德國汽車學會）標準考題（1991年）、NUMISHEET’93、NUMISHEET’96、NUMISHEET’99、NUMISHEET’02、NUMISHEET’05。

12/11/2022105吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展12/10/202219吉林NUMISHEET標準考題的發展OSU標準考題（1988年）12/11/2022106吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展12/10/202220吉林NUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’93（1993年）12/11/2022107吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展12/10/202221吉林NUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’96（1996年）12/11/2022108吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展12/10/202222吉林NUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’2002（2002年）12/11/2022109吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展12/10/202223吉林NUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’2002（2002年）FormingofFrontFender

12/11/2022110吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展FormingofFroNUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’2005（2005年）BENCHMARK1:FormingofFrontFender

SpringbackPredictionofDecklidInnerPanel

12/11/2022111吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展FormingofFroNUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’2005（2005年）BENCHMARK2:SpringbackPredictionofACrossMember

12/11/2022112吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展SpringbackPreNUMISHEET標準考題的發展

NUMISHEET’2005（2005年）BENCHMARK3:ChannelDraw/CylindricalCupBenchmarkViewofSpecimenAbeforebinderclosureinStage2ViewofSpecimenBbeforebinderclosureinStage212/11/2022113吉林金網格NUMISHEET標準考題的發展ChannelDraw/C板料成形有限元仿真關鍵技術的發展求解算法動力顯式算法（Dynamicexplicitalgorithm）靜力隱式算法（Staticimplicitalgorithm）一步逆成形算法（One-stepInversealgorithm）

單元技術薄膜單元塊單元殼單元本構關系各向同性材料的屈服準則各向異性材料的屈服準則12/11/2022114吉林金網格板料成形有限元仿真關鍵技術的發展12/10/202228吉林求解算法沖壓成形過程是一個大變形的非線性力學過程。動力顯式算法（Dynamicexplicitalgorithm）

如果考慮速度和加速度的影響，采用對角化的質量矩陣和阻尼矩陣，考慮t時刻的運動方程，由中心差分法可得到在時刻的節點位移為

12/11/2022115吉林金網格求解算法動力顯式算法（Dynamicexplicital上式即為動力顯式算法，每個自由度的位移可以獨立求出，但該算法是條件穩定的積分算法，為保證計算的穩定性，時間步長應滿足動力顯式增量法最初是為沖擊、碰撞問題的仿真而開發的,在有限元平衡方程中包含慣性力的成分。它采用中心差分算法,不需要剛度矩陣的集合,不存在收斂性問題,因此特別適合于計算大型車身覆蓋件的成形問題。12/11/2022116吉林金網格上式即為動力顯式算法，每個自由度的位移可以獨立求出，但該算法它有其固有的缺陷,即為了得到顯著的計算優勢,必須人為地放大真實的凸模速度,為了抵消由此引起的慣性力,就需要用戶在網格大小、質量矩陣、阻尼矩陣等計算參數的選用上積累豐富的經驗。代表性商品化軟件有：LS-DYNA，PAM2G/AutoStamp這類軟件計算效率較高,但計算結果因人而異的現象比較普遍。另外,它的回彈計算能力較差，所需模擬時間比較長，一般適合在模具設計最后階段進行校核。12/11/2022117吉林金網格它有其固有的缺陷,即為了得到顯著的計算優勢,必須人為地放大真靜力隱式算法（staticimplicitalgorithm）從理論上講,增量型靜力隱式軟件最適合車身覆蓋件沖壓成形這個準靜力問題,計算結果也是無條件穩定的。

它存在致命的收斂性問題,由于接觸狀態的改變,容易引起收斂速度變慢或發散,從而使計算難以進行下去。另外,計算效率低也是它的一個不利因素。

盡管動力顯式軟件在當今的車身覆蓋件沖壓仿真中占主流地位,但還是有許多學者在繼續從事靜力隱式軟件的開發、完善工作。12/11/2022118吉林金網格靜力隱式算法（staticimplicitalgoritFord公司的Tang改進了方程組的解法,從而使計算效率得到較大的改善。

韓國的Yang采用分叉理論來計算起皺問題,從而避免了靜力隱式軟件在壓縮失穩時收斂性差的問題。為了解決靜力隱式算法收斂難和計算效率低下的問題，提出了大步長靜力隱式算法，這類軟件對沖壓過程的高度非線性問題進行了特殊的改進,把彎曲效應和拉伸效應進行分離處理,從而可以采用快速的迭代算法,并改善了收斂性。12/11/2022119吉林金網格Ford公司的Tang改進了方程組的解法,從而使計算效率得到代表性商品化軟件有：AutoForm/Incremental,Pam2G/QuickStamp由于采用靜力隱式算法,因此網格的自適應細化等級沒有限制,網格最小可以達到0.5mm,很大的網格和很小的網格可以共存。

但由于對非線性問題進行了近似處理,因此不能準確地模擬節點接觸和脫離工具的過程,對起皺和屈曲的預測結果也往往較差。由于上述的因素，使這類軟件計算效率大為提高,非常適合在模具設計初期及其優化設計中應用。12/11/2022120吉林金網格代表性商品化軟件有：AutoForm/Incremental一步逆成形算法（One-StepInversealgorithm）

采用全量理論,整個成形過程是從最終的車身覆蓋件到初始板料(實際上是反向模擬),忽略接觸變形歷史。一步逆成形有限元方法示意圖12/11/2022121吉林金網格一步逆成形算法（One-StepInversealgor代表性商品化軟件有：FastForm,DynaForm/MStep,HyperForm,AutoForm/OneStep這類軟件的最大好處是計算效率很高,但是由于采用了過多的假設和簡化，計算精度還有待提高。適合于產品的設計階段，可以給設計人員提供一些定性的參考,傳統的車身設計往往注重于它的動力學性能、美觀等方面的因素,對其沖壓成形性則很少考慮,借助這類軟件可以較好地對車身覆蓋件的成形性進行預測。12/11/2022122吉林金網格代表性商品化軟件有：FastForm,DynaForm/M有限元仿真軟件的分類12/11/2022123吉林金網格有限元仿真軟件的分類12/10/202237吉林金網格有限元仿真軟件的分類12/11/2022124吉林金網格有限元仿真軟件的分類12/10/202238吉林金網格有限元仿真軟件的分類12/11/2022125吉林金網格有限元仿真軟件的分類12/10/202239吉林金網格單元技術薄膜單元（薄膜理論），C0型單元，構造格式簡單，但忽略了彎曲效應，考慮的內力僅為沿薄殼厚度均勻分布的平行于中面的應力，忽略彎矩、扭矩和橫向剪切。塊單元（連續介質理論），C0型單元，考慮彎曲效應和剪切效應，格式更簡單，但計算時間太長。12/11/2022126吉林金網格單元技術12/10/202240吉林金網格殼單元（板殼理論），既能處理彎曲和剪切效應，又不像實體單元那樣需要很長的計算時間，因此在車身覆蓋件沖壓成形仿真分析中常被采用。殼單元大致分為兩類：一類是基于經典Kirchhoff板殼理論的殼單元；另一類是基于Mindlin理論的殼單元。BT殼單元就是Belytschko等人基于Mindlin理論開發的計算精度和效率都很高的一種殼單元。12/11/2022127吉林金網格殼單元（板殼理論），既能處理彎曲和剪切效應，又不像實體單元那本構關系在板料沖壓成形過程中，板料是唯一的塑性變形體，它的應力和應變關系是影響仿真結果可靠性的最重要因素之一。在什么樣的復合應力狀態下材料開始屈服，這就需要建立屈服準則

第一類：各向同性材料的屈服準則屈雷斯卡（Tresca）于1864年提出屈服準則的概念，他認為：當最大剪應力達到某一極限值時，材料即進入塑性狀態。屈雷斯卡條件的數學表達式為12/11/2022128吉林金網格本構關系12/10/202242吉林金網格由于屈雷斯卡屈服準則不光滑而產生了數學上的困難，為了簡化計算，1913年，Mises提出的屈服準則數學表達式為

k2為一常數，可由實驗確定。例如，用單拉實驗，可得12/11/2022129吉林金網格由于屈雷斯卡屈服準則不光滑而產生了數學上的困難，為了簡化計算第二類：各向異性材料的屈服準則（1）Hill屈服準則1948年，Hill提出了二次屈服準則，若把各向異性主軸作為局部隨體正交坐標軸x，y，z的話，Hill正交各向異性屈服函數可表示為式中F、G、H、L、M、N是材料的各向異性參數，由實驗確定。12/11/2022130吉林金網格第二類：各向異性材料的屈服準則式中F、G、H、L、M、N是材該準則在描述r值較高的各向異性時比較合適。其它非二次的屈服準則，如Hill(1979、1990、1993)，Gotoh（1977）、Budianski（1984）等都可以更好的描述鋁合金的屈服行為。（2）Barlat-Lian屈服準則1989年，Barlat和Lian提出新的非二次屈服準則，它可以考慮面內剪切應力，其表達式為：12/11/2022131吉林金網格該準則在描述r值較高的各向異性時比較合適。其它非二次的屈服準12/11/2022132吉林金網格12/10/202246吉林金網格其中，是等雙拉狀態的Cauchy主應力；是單向拉伸狀態的Cauchy主應力；是純剪切狀態時的屈服剪應力；M是非二次屈服函數指數；是板料軋制方向和面內垂直于軋制方向的各向異性參數；p值可以通過單拉實驗的求出。12/11/2022133吉林金網格其中，12/10/202247吉林金網格該準則可以有效的模擬板料拉深成形過程中突緣的塑性流動規律，可以模擬突緣出現2、4、6個制耳的現象，全面地反映了面內各向異性和屈服函數指數m對板料成形過程中的塑性流動規律及成形極限的影響。只是該準則只能應用于平面應力狀態。12/11/2022134吉林金網格該準則可以有效的模擬板料拉深成形過程中突緣的塑性流動規律，可1.2

板料沖壓成形的分類

（1）按沖壓過程的變形狀態A純彎曲圖1.1薄板的純彎曲(a)變形前(b)變形后12/11/2022135吉林金網格1.2板料沖壓成形的分類（1）按沖壓過程的變形狀態圖1.B純拉伸

圖1.2薄板的純拉伸12/11/2022136吉林金網格B純拉伸圖1.2薄板的純拉伸12/10/202250吉（2）按照零件的形狀進行分類（在工程應用中）a拉深b翻邊c脹形d縮口e翻孔圖1.3采用拉深成形的工件12/11/2022137吉林金網格（2）按照零件的形狀進行分類（在工程應用中）圖1.3采用拉拉深成形就是利用板面內材料的移動，從平板形成容器狀零件的成形方法。特點：在拉深成形中，壁厚的減小不是變形的本質，因此深的零件也有可能成形，這也就是它被稱為拉深成形的原因，而且，如果采用多次拉深法，不管是多深的立體狀零件都可能成形。拉深成形的實質就在于法蘭部分的變形。12/11/2022138吉林金網格拉深成形就是利用板面內材料的移動，從平板形成容器狀零件的成形翻邊就是將坯料的端部進行彎曲，使之帶有凸緣的成形方法。

翻邊成形制品的例子（a）直線翻邊，其彎曲線為直線；（b）延伸翻邊，其彎曲線為內凹形；（c）壓縮翻邊，其彎曲線為外凸形；（d）兩者混合狀態的復合翻邊。脹形成形是在日常生活中經常接觸到的象吹氣球那樣使零件鼓起的一種成形方法。

12/11/2022139吉林金網格翻邊就是將坯料的端部進行彎曲，使之帶有凸緣的成形方法。12脹形多用于在大面積中有局部材料鼓起的場合，但除此之外，對形狀和表面有嚴格要求的覆蓋件的成形也常常應用它。脹形的特點

法蘭部分的坯料處于不流動狀態

、表面積增加

脹形的種類局部脹形在實際中應用最廣。例如，車門上的手柄部分。一般可在相當接近脹形極限的狀態下進行脹形。整體脹形如摩托車的擋泥板是脹形區域較廣、而脹形又比較均勻的制件。12/11/2022140吉林金網格脹形多用于在大面積中有局部材料鼓起的場合，但除此之外，對形狀大曲面脹形

是大曲率半徑曲面的淺脹形，如汽車覆蓋件等。不存在破裂問題，但存在形狀性問題。軟模脹形

是采用液壓或沖擊波等手段使管形件產生凸臌的脹形方法。分為平板毛坯的脹形和管子脹形兩種。作為軟模脹形的介質有液體、橡膠等。在軟模脹形中裝有上下滑動的剛性凹模的所謂復式液壓脹形法。復合成形是拉深和脹形的復合成形，是介于二者之間的成形方法。12/11/2022141吉林金網格大曲面脹形是大曲率半徑曲面的淺脹形，如汽車覆蓋件等。不存圖1.4翻邊成形圖1.5脹形成形12/11/2022142吉林金網格圖1.4翻邊成形圖1.5脹形成形12/10/2022圖1.7翻孔成形圖1.6縮口成形12/11/2022143吉林金網格圖1.7翻孔成形圖1.6縮口成形12/10/2022圖1.8拉深和翻孔12/11/2022144吉林金網格圖1.8拉深和翻孔12/10/202258吉林金網格

1.3

板料沖壓成形的物理現象

沖壓過程12/11/2022145吉林金網格1.3板料沖壓成形的物理現象沖壓過程12/10/212/11/2022146吉林金網格12/10/202260吉林金網格沖壓成形過程作為一個統一的力學過程，在此基礎上，可總結出四大重要物理現象：接觸碰撞接觸碰撞現象是十分普遍的物理現象，它是兩個物體表面間產生的相互作用的一個過程。接觸碰撞過程的計算是最難的工程計算問題之一，因為它涉及一個求解具有未知邊界條件的邊值問題。12/11/2022147吉林金網格沖壓成形過程作為一個統一的力學過程，在此基礎上，可總摩擦磨損摩擦是與接觸不可分割的一個物理現象，它表現為兩接觸表面相對運動的阻礙作用。在板料沖壓成形過程中，有時利用摩擦，而有時要避免摩擦以達到控制材料流動的目的。磨損是摩擦作用的一種反映，它是模具失效的主要形式，磨損的快慢就決定了模具的使用壽命。12/11/2022148吉林金網格摩擦磨損12/10/202262吉林金網格大位移、大轉動大變形的出現使線性的應力和應變關系不再有效，大位移和大轉動的產生導致物體的構形不斷改變，從而需要考慮構形處于變化中的物體的平衡方程。由大位移、大轉動引起的非線性問題統稱為幾何非線性問題。彈塑性變形在沖壓成形的加載過程中，工件同時發生彈性和塑性變形，卸載后，大部分彈性變形消失，塑性變形得以保留，何時開始產生塑性變形涉及到材料的屈服準則。12/11/2022149吉林金網格大位移、大轉動12/10/202263吉林金網格拉裂

拉裂是深沖工藝產生的常見缺陷，根據程度不同可將拉裂分為微觀拉裂和宏觀拉裂兩種情況。消除拉裂方法

降低拉裂區的拉應變值，可采用不同的途徑，如調整壓邊力、改善潤滑條件、增加輔助工序等。成形極限圖成形極限圖是用來描述材料在給定狀態下所能承受的最大應變的情況，如圖2.1所示，成形極限圖中曲線以下的區域代表成形安全區，曲線以上的區域代表拉裂區。

1.4

板料沖壓成形的常見缺陷及產生原因

12/11/2022150吉林金網格拉裂拉裂是深沖工藝產生的常見缺陷，根據程度不同可將拉裂分成形極限圖12/11/2022151吉林金網格成