圆筒形件最小拉深系数测定及拉深过程模拟分析(基于dynaform)

吉林大学

材料科学与工程学院

材料成型及控制工程专业

（锻压）

综合实验

题 目：圆筒形件最小拉深系数测定及拉深过程模拟分

析

学 号:43090919 姓 名:崔如坤

指导老师:程万军、李欣、张志强

时间：2013年3月3日——2013年3月23日

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目录

一、实验过程报告 ......................................................................................................................................... 1

1、实验目的 ........................................................................................................................................... 1 2、实验内容 ........................................................................................................................................... 1 3、实验用具 ........................................................................................................................................... 1 4、实验步骤 ........................................................................................................................................... 1 5、实验材料（08AL）性能分析 .......................................................................................................... 2 6、影响材料冲杯实验结果的因素 ....................................................................................................... 2 7、实验数据 ........................................................................................................................................... 2 二、用DYNAFORM软件模拟实验过程中的拉深试件 ............................................................................ 3

1、创建三维模型 ................................................................................................................................... 3 2、数据 ................................................................................................................................................... 3

(1) 创建DYNAFORM数据库 ........................................................................................................... 3 (2)导入模型 ................................................................................................................................... 3 (3) 参数设定 ................................................................................................................................. 4 3、网格划分 ........................................................................................................................................... 5 4、网格检查及网格修补 ....................................................................................................................... 6 5、自动设置 ........................................................................................................................................... 7

(1) 初始设置 ................................................................................................................................. 7 (2) 定义板料零件“BAN50” ..................................................................................................... 8 (3) 定义凹模零件“AOMO”、凸模零件“TUMO” ..................................................................... 10 (4) 定义压边圈零件“YBQ” ................................................................................................... 10 (5) 工模具初始定位设置 ........................................................................................................... 11 (6) 工模具拉伸行程参数设置 ................................................................................................... 12 (7) 工模具运动规律的动画模拟演示 ....................................................................................... 12 (8) 提交LS-DYNA进行求解计算 ............................................................................................... 13 6、后置处理 ......................................................................................................................................... 14 7、模拟结果分析 ................................................................................................................................. 15

(1) 零件的最终外形图 ............................................................................................................... 15 (2) 最终零件的壁厚变化分布图 ............................................................................................... 15 (3) 最终零件的FLD图 ............................................................................................................... 16 (4) 最终零件平均应力分布图 ................................................................................................... 16 8、实验结果模拟分析 ......................................................................................................................... 17

(1) 不同直径毛坯的成形极限图 ............................................................................................... 17 (2) 不同直径毛坯的厚度分布图 ............................................................................................... 19 (3) 不同直径毛坯的平均应力分布图 ....................................................................................... 21 (4) 模拟实验结果表 ................................................................................................................... 23

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一、实验过程报告

1、实验目的

（1）掌握最小拉深系数的测定方法。 （2）认识起皱、拉裂现象及其影响因素。

（3）熟悉掌握dynaform软件操作方法，熟悉板料成形模拟原理。

2、实验内容

（1）拉深系数m是每次拉深后圆筒形件的直径与拉深前坯料（或工序件）直径的比值。由公式m=d/D计算。由上式可以看出，m值越小，表明拉深前后的直径差越大，也就是该次工序的变形度越大。如果拉深系数m值取得过小，就会使拉深件起皱、拉裂或严重变薄超差。因此拉深系数有一个客观的界限，这个界限就叫极限拉深系数。 （2）本次实验是测定材料的最小拉深系数。 （3）拉深件的质量问题主要是起皱和拉裂。

（4）板料在拉深时，变形区的失稳会导致起皱。材料起皱时会增大拉深力、降低拉深件质量，有时会损坏模具和设备。影响起皱的主要因素有：坯料的相对高度t/D，拉深系数。

（5）圆筒件在拉深时还有可能因径向力而拉裂。产生拉裂的原因可能是由于凸圆起皱时使径向拉应力σρ增大；或者是压边力过大，使σρ增大，或者是变形程度增大。

3、实验用具

（1）材料试验机。

（2）实验模具：凸模直径dp=34.76mm 凸模圆角半径r=2mm 凹模直径Dd=36.92mm （3）试样：to=0.8~1.2mm的钢板、铝板等。 （4）工具：卡尺、圆规和铁剪等。 （5）实验地点：材料馆243教室。

4、实验步骤

（1）将剪下的圆形试片夹紧在凹模和压边圈之间，并保证试片与凹模中心重合。 （2）放入凸模，然后将整个实验模具放置在材料试验机的工作台面上。

（3）启动试验机慢慢加压，注意观察压力指针的移动，当指针从最大压力值开始回转时，应立即关闭电源打开回程阀门。

（4）放下实验模具，取出实验试片检查。

（5）试片侧壁无拉破现象，应加大试样直径否则，应减小试片直径。

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（6）重复上述步骤，直径取试片侧壁无拉破时可以拉深成功的最大毛坯直径Dmax。 （7）按上述方法和步骤，对其他材料进行实验。

5、实验材料（08AL）性能分析

08AL是优质碳素结构钢的一种，一般用作冷冲压薄板钢中的Al脱氧镇静钢冷轧板,其命名规则类同碳素结构钢，其两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍，即“08”表示钢中平均碳质量分数为0.08%，“A”表示质量等级，“L”为“拉”字的汉语拼音首字母，表示其拉伸性能好。

其主要力学性能参数如下： 试样毛坯尺寸（mm）：25 正火加热温度（℃）：930 抗拉强度（σb/MPa）：≧325 屈服点（σs/MPa）：≧185 断后伸长率（δ5/%）：≧33 布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：≦131 08AL的性能相当于ST14。

6、影响材料冲杯实验结果的因素

材料性质、材料厚度、毛坯直径、有无压边装置、压边力大小。

7、实验数据

序号 凸圆直径 1 2 3 4 5 6 7 8 Ф34.76 Ф34.76 Ф34.76 Ф34.76 Ф34.76 Ф34.76 Ф34.76 Ф34.76 毛坯直径 50 53 55 57 60 68 70 毛坯厚度 1mm 1mm 1mm 1mm 1mm 1mm 1mm 1mm 拉深系数 0.6952 0.6558 0.632 0.6098 有无压边装置 是否是否拉起皱 裂 否 否 否 否 否 是 是 是 否 否 否 否 是 是 是 是 材料（ 08AL ） 有 有 有 有 有（压边力 减小） 有（压边力 减小） 有（压边力 减小） 有（压边力 减小） 极限拉深系数：0.6098 2

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二、用DYNAFORM软件模拟实验过程中的拉深试件

1、创建三维模型

利用CATIA软件创成式外形设计模块建立毛坯板（BAN）、凹模(AOMO,实为凹模和压边圈YBQ的集合体)、凸模（TUMO）的实体模型，如图1、2、3所示。将所建立的实体模型的文件以“*.igs”的格式保存。由于所建立的上模在成型过程中与制件的内表面相接触，所以其几何尺寸与制件的内表面尺寸相一致。

图1 BAN 图2 AOMO 图3 TUMO

2、数据

(1) 创建DYNAFORM数据库

启动DYNAFORM软件，选择文件/另存为菜单选项，修改文件名为“双动板50”，将所建立的数据库保存在自己设定的目录下。 (2)导入模型

选择文件/导入菜单项，将上面所建立的“*.igs”模型文件依次导入到数据库中，如图4所示，选择零件层/编辑菜单项，弹出如图5所示对话框。编辑删除不必要零件层，修改各零件层的名称、编号、和颜色，将毛坯层命名为BAN50，将上模层命名为AOMO,将下模命名为TUMO,单击确定按钮确定。

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图4 导入模型文件 图5 编辑零件层对话框(编辑前后) (3) 参数设定

选择工具/分析设置菜单项，弹出如图6的对话框，按图示设置各参数，注意是双动拉深实验：

图6 分析参数设置对话框

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3、网格划分

选择前处理/单元项，弹出如图7单元对话框，单击图中曲面网格划分图标

，弹

出如图8所示窗口，将最大尺寸改为1mm，其余尺寸按默认尺寸设置，单击选择曲面按钮，弹出如图9选择曲面对话框，单击零件层按钮，弹出如图10选择零件层对话框，由于窗口显示当前零件层为BAN50，故单击BAN50，弹出如图9选择曲面对话框，单击确认回到如图8曲面网格划分对话框，单击应用后点击是即可得到BAN50网格，如图11所示。

图11 BAN50网格图

图7 图8 图9 图10 更换零件层，用相同的方式对TUMO、AOMO进行网格划分，如图12所示。

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图12

4、网格检查及网格修补

(1) 网格划分

选择前处理/模型检查，弹出如图13模型检查/修补对话框，单击

弹出图14控制

键对话框，单击“鼠标选择零件”，选择凹模凸缘面如图16，弹出图17对话框，单机“是”后单击“退出”按钮，其目的在于保证凹模的法线方向指向与板坯接触面的方向。用相同方式对凸模进行网格检查。 图16 检测法向

图13 模型检测/修补界面 图14 图17

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(2)网格修补

在图13中单击图标

进行边界检查，发现只有外轮廓边界呈白色高亮如图18所示，

将白色高亮部分

其余部位均保持不变，说明单元网格无缺陷。单击“清楚高亮”图标清除，再单击“确定”退出模型检查/修补对话框。

图18 检测缺陷

5、自动设置

(1) 初始设置

选择设置/自动设置，弹出新建模拟对话框如图19所示。根据图19进行初始设置，

完成后点击“确认”按钮，弹出如图20所示板料成型对话框。

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图19 新建模拟界面 图20板料成型界面 (2) 定义板料零件“BAN50”

在图20对话框中，单击“板料”选项卡，弹出如图21对话框，单击“定义几何模型”，弹出如图22对话框，单击“添加零件层”，弹出如图23对话框，再单击“BAN50”后单击“确认”即回到图22对话框，单击“退出”按钮返回到图24板材成型对话框。单击“BLANKMAT”按钮，弹出如图25所示对话框，单击“材料库”按钮，弹出如图26所示对话框，选择材料st14(china)，单击“确认”按钮，进入图27对话框，单击“确认”按钮，完成板料零件“BAN50”的定义。

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图21 图22 图23

图24 板料成型界面 图25材料界面

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图26 材料库 图27材料属性 (3) 定义凹模零件“AOMO”、凸模零件“TUMO”

在图24“板料成型”对话框中，选择“工具/die/定义几何形状”命令，弹出如上图22对话框，单击“添加零件层”，弹出如图23对话框，再单击“AOMO”后单击“确认”即回到图22对话框，单击“退出”按钮返回到图24“板料成型”对话框。用相同的方式完成凸模零件的定义,并将凸凹模的工作方向改为反方向。 (4) 定义压边圈零件“YBQ”

在上图24“板料成型”对话框中，选择“工具/binder/定义几何形状”命令，弹出如上图22对话框，单击“复制单元”按钮，弹出如图28所示对话框，单击“选择”按钮，弹出如图29所示对话框，单击按钮

“伸展”，通过滑块将角度值调为“1”单击

选择零件“AOMO”的凸缘面，零件凸缘面呈高亮显示，如图30所示，选择“确认/应用

/退出/退出/退出”命令，退出“板料成型”对话框。利用上面所讲的方法将“binder”层名字改为“YBQ”，同时也应将工作方向改为反方向。

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图28 复制单元 图29选择单元 图30压边圈 (5) 工模具初始定位设置

选择“设置/自动设置/工具/定位„”命令，弹出如图31所示定位对话框，选择工具栏中的“左视图”按钮

来调整视角，将所有参数设置成如图31所示，单击“确认”

按钮，模型位置如图32所示，在“显示控制选项栏”中将“曲面”的去掉，即完成了工模具初始定位设置。

图31工模具参数界面 图32工模具位置关系

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(6) 工模具拉伸行程参数设置

在“板料成型”对话框中，选择“工序/closing”命令，参数设置与图33一致。单击“drawing”将参数设置为与图34一致，即完成了拉伸行程参数等工艺参数的设置。

图33 closing参数界面 图34 drawing参数界面 (7) 工模具运动规律的动画模拟演示

在图34对话框中单击菜单栏“预览/动画演示”命令，弹出如图35所示对话框，将“帧数/秒”值调为 10，点击“演示”按钮，进行动画模拟演示。通过观察动画，可以判断工模具设置是否正确合理。点击“停止”按钮结束动画，返回“板料成型”对话框。

图35动画界面

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(8) 提交LS-DYNA进行求解计算

在“板料成型”对话框中选择“提交（J）/写LS-Dyna文件(F)„”命令，弹出如图36所示对话框，选择“保存/是/确认/退出”退出“板料成型”对话框。启动“Jobs Submitter”，弹出如图37所示“eta/LS-DYNA Jobs Submitter”对话窗口，单击“Add Dyn Job”图标图标

，选择之前保存的dyn格式文件后，单击“Submit Jobs to server”，即进入如图38所示“模拟分析计算窗口”进行分析计算，等待运算结

束后，可在后处理模块中观察整过模拟结果。

图36保存界面

图37eta/LS-DYNA Jobs Submitter 3.0界面

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图38模拟分析计算窗口

6、后置处理

1、单击菜单栏中的后处理进入DYNAFORM后处理程序。选择文件/打开菜单项，浏览保存结果文件的目录，选择d3plot文件，单击打开按钮读入结果文件。

2、单击如图39所示的两个工具按钮 限图和毛坯厚度的变化过程。

，可绘制成型过程中的零件的成形极

图39 变形过程的绘制

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7、模拟结果分析

(1) 零件的最终外形图

(2) 最终零件的壁厚变化分布图

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(3) 最终零件的FLD图

(4) 最终零件平均应力分布图

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8、实验结果模拟分析

(1) 不同直径毛坯的成形极限图

Ф55毛坯

Ф57毛坯

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Ф60毛坯（已拉裂）

Ф毛坯（已拉裂）

Ф68毛坯（已拉裂）

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Ф70毛坯（已拉裂）

不同直径毛坯的厚度分布图

Ф55毛坯

Ф57毛坯

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(2)

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Ф60毛坯（已拉裂）

Ф毛坯（已拉裂）

Ф68毛坯（已拉裂）

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Ф70毛坯（已拉裂）

不同直径毛坯的平均应力分布图

Ф55毛坯

Ф57毛坯

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(3)

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Ф60毛坯（已拉裂）

Ф毛坯（已拉裂）

Ф68毛坯（已拉裂）

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Ф70毛坯（已拉裂）

(4) 模拟实验结果表 序号 1 2 3 4 5 6 材料 凸圆直径dr(mm) Ф34.76 Ф34.76 Ф34.76 Ф34.76 Ф34.76 Ф34.76 毛坯直径D(mm) D1 55 D2 57 D3 60 D4 D5 68 D6 70 St14（China） 毛坯厚度t(mm) 1 1 1 1 1 1 设计高度h(mm) h1=13.31 h2=14.87 h3=17.33 h4=20.79 h5=24.48 h6=26.41 压边力 F（t） 1 1 1 1 1 1 是否起皱 否 否 否 否 是 是 是否拉裂 否 否 是 是 是 是 极限拉深系数：0.6098 23