成飞橡皮囊成形工艺典型件有限元仿真报告.docx

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成飞橡皮囊成形工艺典型件有限元仿真报告

_橡皮囊成形工艺典型件有限元仿真报告

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1摘要：

橡皮囊成形工艺是利用橡皮囊作为弹性凹模（或凸模），用液体作为传压介质使金属板料随刚性凸模（或凹模）变形的一种软模（凸模或凹模）成形方式。

它能够实现落料、弯边、拉深、成形、切边等多种冲压工艺。

橡皮既能够用作凸模，也能够用作凹模进行压延，而以作为凹模压延的情形占多数。

在橡皮囊成形进程中，橡皮既是传压介质，也起到半模的作用，橡皮作用在模具上的载荷具有多向性，使刚性半模处于三向受压状态，模具在工作台上不需要精准定位，压边力在变形进程中随液压力的增加而增加。

图橡皮囊液压机的结构

与常规的冲压生产相较，橡皮囊成形的主要长处有：

●可成形复杂形状零件，如非轴对称件、斜底件、斜凸缘件、带局部凸凹形的零件，并可同时完成下陷和切边的工作。

●可部份取代刚性模落料、弯曲、拉深等工艺方式，大大缩短了生产预备周期。

成形进程中模具应力集中与冲击现象少，模具材料要求不高，模具本钱与钢模拉深相较降低约70%-80%。

●在高压和摩擦力的作用下，材料的塑性可取得充分发挥，零件的回弹小，零件的贴模精度和形状冻结精度大大提高，手工校形量小。

●由于厚度转变均匀，材料内部的损伤率大大降低，显著提高零件的成形质量和结构的靠得住性；橡皮在成形进程中始终紧贴零件，零件表面无擦伤痕迹，零件抗疲劳强度提高。

●能耗低、噪音低和污染小，工人劳动强度低。

由于上述的长处，橡皮囊成形方式在飞机制造领域取得了普遍的应用。

外国现代化飞机制造厂，橡皮囊成形零件已占飞机钣金零件总数的60%以上，国内也占50%以上。

橡皮囊成形方式不仅用于铝合金的成形，也能够用于黑色金属的成形，具有创造庞大技术经济效益的潜力。

目前国内由于工艺研究的相对滞后，使橡皮成形工艺及相应工装的应用还未发挥出应有的价值与效益：

生产的零件类型比较简单；机床使历时工作压力较低，未发挥机床的最佳工作能力；零件仍需大量的手工校形。

在实际橡皮囊液压成形工艺生产中，此刻突出需要研究的有：

模具方案设计、初始下料量估量、可成形性和可行性分析、成形质量控制和模具回弹预测与补偿等问题。

因此，通过数值模拟技术应用提高橡皮成形技术的工艺水平，是急待解决的问题。

关键词：

橡皮囊成形、起皱、破裂、回弹、回弹补偿

2前言

下图为橡皮囊成形机的结构与工作进程图示。

主要的工作单元有橡皮囊（Rubbermemberance）、内压单元（fluidcell），和板料（sheet）与压力内腔模具（Presshousing）。

在实际工作中还会在毛料与橡皮馕之间上覆盖上辅助橡皮垫。

图橡皮囊液压机工作进程

橡皮成形工艺顶用软质介质橡皮代替一部份刚性模具，一方面简化了成形的工装结构，另一方面大量辅助橡皮的利用也增加了工艺的灵活性。

辅助橡皮的主要作用是保护橡皮囊的外胎，将直接与零件发生接触。

在建模时以为辅助橡皮表面受到均布压力的作用，能够只模拟辅助橡皮的变形，而不用考虑整个橡皮馕的变形。

工作中为提高机床利用率，通常同时放置若干不同零件的模具，同时在大量辅助橡皮的作用下，与板料接触的橡皮的边界条件比较复杂。

但能够将模拟用的橡皮垫的边界条件简化为四边固定或对称约束，即将边缘节点的六个自由度中的五个（两个平动与三个转动自由度）约束住，即只有上下运动的自由度；也可按照情形只约束住两个平动自由度，如此一来橡皮垫的边界节点也能够发送转动。

橡皮网格类型选为八节点体单元比较真实，但在动态显式算法中在大变形情形下体单元极易发生沙漏和形状畸变。

同时对于带小圆角的复杂零件，橡皮网格数量庞大，花费大量运算机资源和计算时刻。

为提高计算效率和保证计算稳固性，PAMSTAMP2G新提供了一种自概念的橡皮馕材料，该材料能够适用于壳单元。

橡皮垫与板料、模具的摩擦阻力较大，在实际成形中的影响专门大。

在模拟中取橡皮与金属的摩擦系数常取为。

采用PAM-STAMP2G模拟橡皮囊成形工艺进程流程图如下示用意所示，从那个流程图中能够看出，在模拟橡皮囊成形工艺进程中主要关注：

模具几何设计结果、下料量估量结果、成形精准模拟结果和橡皮囊成形补偿结果及其输出。

这也就别离对应解决了模具设计、毛坯估量、成形进程中缺点（起皱、破裂等）和回弹补偿问题。

图PAM-STAMP2G模拟橡皮囊成形工艺进程流程图

3有限元模型成立

弯边件是橡皮囊液压成形工艺中最多见的零件形式，按照弯边形状的不同，可分为直弯边件、凸弯边与凹弯边件。

本例将给予事前设定好的橡皮馕快速设定宏进行像皮囊成形进程设定，以使读者对橡皮囊分析所涉及的对象和进程有一个大体了解。

读者也能够基于附送的宏模板进行自己做需要的模拟分析，以实现橡皮囊成形进程模拟的快速设定，降低操作强度。

曲弯边件成形模拟大体流程

曲弯边件成形模拟自动设置教程主要有六个步骤：

1.创建项目。

2.导入几何模型。

3.给模型定位，成立坐标系，创建橡皮、工作台。

4.设置工艺参数。

5.设定求解器，开始计算。

项目创建

如Error!

Referencesourcenotfound.，点击按钮，创建新项目。

输入设定项目名称为demo。

项目类型（Projecttype）设为Autostamp，点击OK，完成项目创建。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..1

几何导入

点击菜单Project→Import→CAD，弹出CAD导入模块转换设定对话框。

选择Setupmodule，选择Automatictransfer，弹出网格划分对话框。

点击“+”，弹出模型导入对话框。

选择零件的数模igs文件：

DATA\13-Rubberforming\，打开。

弹出CAD导入的几何参数设定对话框，默许设置，点击OK。

在Meshing栏（Error!

Referencesourcenotfound.左）中，双击Parameters分栏中的参数，激活网格参数设定对话框（Error!

Referencesourcenotfound.右）。

修改最大单元尺寸（Maximumelementsize）=10。

OK完成。

点击Error!

Referencesourcenotfound.左图中Apply，开始自动划分网格，模具被导入。

利用Error!

Referencesourcenotfound.中工具栏中的角度调整按钮，变换适合的视角，如Error!

Referencesourcenotfound.所示。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..2

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..3

导入板料。

重复上述步骤的操作导入板料，在网格划分的时候，把一样把板料最大小单元尺寸（Maximumelement）概念为最小10。

在窗口左侧的Ppoject工具框—Visibility栏里选中模具对应的Group8526（或相应编号），单击右键，在弹出的菜单里点击Information选项。

如Error!

Referencesourcenotfound.左图，把模具名称修改成die；按Error!

Referencesourcenotfound.右图点击，修改模具的颜色为红色。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..4

重复上述操作给板料修更名称（Blank）和颜色（Green）。

成形坐标系成立

快速设定宏要求坐标系Z轴正方向（+Zdirection）与冲压方向严格一致。

若是不一致的话，必需创建一个Z轴正向与冲压方向一致的局部坐标系（Localaxissystem）。

按Error!

Referencesourcenotfound.所示，鼠标右键点击die，在弹出的菜单里点击Addobject，弹出对象创建对话框。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..5

选择CoordinateSystem，把名称设为Local。

点击OK，弹出坐标定位对话框。

选择原点法向法（Originandvector）。

在模具上表面选择任意1点。

设定Vector为X=-1。

点击OK，所建坐标系的Z轴（粉红色）垂直于模具上表面（Error!

Referencesourcenotfound.）。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..6

模型定位

对模型定位，点击菜单栏Geometry→Autopositioning：

设定成形方向（Direction）为XZ轴=1（或-1），即保证与橡皮囊翻边方向一致；选择坐标系为Local；

为把板料放置在模具上方，把die作为参照物（Reference），blank为移动物（move），点击Transform。

弹出板料需要移动的距离对话框，点击OK。

取得Error!

Referencesourcenotfound.所示的合理定位结果。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..7

橡皮垫创建

点击DataSetup工具框—Process栏中

，弹出板料网格划分窗口。

选择Rectangle栏，成立长方形的橡皮垫。

选择Local坐标系。

板料角点（Corner）：

在3D图形区中，如Error!

Referencesourcenotfound.所示位置大致点一个点。

设定a为300MM，b为-600MM。

⏹设定负值是为了调整橡皮垫的生产方向。

网格最大单元尺寸（Maximum）设为3MM，命名（Generateblankin）为Rubber。

点击Create，橡皮垫创建成功，结果如Error!

Referencesourcenotfound.所示。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..8

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..9

构建的橡皮垫的位置并非正确，因此需要对其移动调整。

在Project工具框—Visibility栏当选择rubber，只显示橡皮垫。

在对象选择栏（Error!

Referencesourcenotfound.）中，激活Selectalll，以选中橡皮垫对象rubber。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..10

如Error!

Referencesourcenotfound.，在Datasetup工具框—Transformation栏当选择平移

，激活平移对话框。

⏹设置坐标系为Local。

⏹设置Vector为：

X=1方向，移动幅值（Magnitude）100MM，点击Translate。

⏹设置Vector为：

Y=-1方向，移动幅值（Magnitude）50MM，点击Translate。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..11

移动的结果，如Error!

Referencesourcenotfound.所示。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..12橡皮移动的结果

工作台创建

工作台用于在模拟进程中限定橡皮垫的成形位置，避免其由于过度变形致使计算失败。

犹如橡皮垫创建，依旧在Project工具框—Visibility栏当选择rubber，只显示橡皮垫。

在对象选择栏中，激活Selectalll，以选中橡皮垫对象rubber。

在Datasetup工具框—Transformation栏当选择平移

，激活平移对话框。

设置坐标系为Local。

设置Vector为：

Z=1方向，移动幅值（Magnitude）35MM，点击Translate。

设置生成对象（Generatedin）：

Station。

结果如Error!

Referencesourcenotfound.所示。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..13

橡皮垫边界条件对象创建

该对象用于描述橡皮垫的边界运动情形。

依旧在Project工具框—Visibility栏当选择rubber，只显示橡皮垫。

如Error!

Referencesourcenotfound.，点击Selectnode，选择橡皮垫的所有边界节点。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..14

在3D图形区右击→Addselectiontoobject，弹出对象转移对话框（Error!

Referencesourcenotfound.）。

设定转移目标对象为bianjie，点击Add，完成。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..15

基于快速设定宏的工艺参数设置

导入快速设定宏模板

如Error!

Referencesourcenotfound.，点击Datasetup工具框—Transformations栏中

，激活宏模板。

点击Error!

Referencesourcenotfound.中所示快速设定宏右上角的文件夹，导入宏模板。

选择DATA\13-Rubberforming\。

该宏为双层板式的快速设定宏模板，其中有以下默许设定用户能够在对象属性中修改：

●摩擦系数为。

●成形时刻为ms。

●极限压力、橡皮囊的材料参数和厚度必需在进程控制栏中基于对象属性进行修改。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..16

对象设定

在Group下拉菜单当选择Blank（Error!

Referencesourcenotfound.），单击“＋”（Add），在对象添加栏当选择Blank，为板料凸模指定对象。

单击“—”，删除Rubber。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..17

同上，逐个点击Group下拉框中的对象和“+”，依照Error!

Referencesourcenotfound.进行对应设定：

Die、rubber、bianjie、base。

表Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..1

Group

Object

Die

Die

Blank

Blank

Rubber

Rubber

Bianjie

bianjie

Station

Staion

材料属性导入

Blank材料属性设定。

在Blank栏中，双击板料厚度，弹出对话框，设定Thickness值为1.27MM。

双击RollingDirection，利用默许轧制方向：

X。

点击Error!

Referencesourcenotfound.中Blank栏下方的的磁盘导入按钮

，弹出材料库。

点击材料库（Error!

Referencesourcenotfound.）右上角材料导入项

，导入DATA\13-rubberforming\al2024材料。

在材料库当选择al2024T3，Apply激活。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..18

Rubber材料材料属性设定。

厚度利用默许值。

双击RollingDirection，利用默许轧制方向：

X。

材料仍然导入Al2024T3。

⏹如此的目的，并非是为了给橡胶附上真实的材料属性，只是起到一种填充作用，真正的材料属性被宏模板内置的橡胶材料属性替代。

⏹内置的橡胶材料在进程管理模块→Rubberforming进程→Globalobject→user-defined属性中概念，内部默许厚度为6MM。

用户能够找到相应两个数值。

其中的和为橡胶材料的两个弹性系数，用户也能够针对修改。

进程管理设定与设定保留

此例计算不考虑回弹，因此点击计算进程控制条（Error!

Referencesourcenotfound.）左侧

，在进程定制对话框中中失活Springback。

点击设定宏中的Apply，保留设定结果。

弹出覆盖确认对话框，点击Replace确认。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..19

基于属性的计算参数修正

点击DataSetup工具栏－Process栏中

，激活对象属性进程列表（Error!

Referencesourcenotfound.）。

若是显示的不一样，点击表中上方列表显示模式（Displaylistmode）的stage-object-attribute选项。

双击Allstage进程→GlobalObject→Globaladvancedparameters，弹出高级属性对话框，选择厚向积分方式（Thicknessintegrations）为Uniform，点击OK完成。

图Error!

Notextofspecifiedstyleindocument..20

求解器设定

点击菜单栏中Solver→Hosts，弹出求解器管理对话框。

点击求解器管理对话框上方的“＋”，弹出Newhost对话框。

为求解方案设定名称：

Autostamp-SP。

在Solver栏中的Precision当选择Doubleprecision单精度求解器。

在Launch栏中，设定计算用求解器路径（Solverlauncher）：

选择安装目录下\Binary\Solver-32Bit\，点击OK，完成设定。

在关闭求解器管理对话框的时候，会弹出信息框，问是不是永久保留该求解器设定，点击Yes，确认。

提交计算

至此，所以计算参数均已设定完毕。

提交求解器计算。

点击菜单栏中Solver→Start，弹出开始计算对话框，点击OK。

弹出计算单位确认对话框，点击Yes确认。

弹出属性概念检查表，无错误后，点击Continue。

弹出求解信息框，给出大体求解信息，点击“肯定”。

弹出开始计算对话框，点击“肯定”后，计算开始。

开始时有可能因为系统原因，计算不能激活，因此会弹出是不是等待对话框。

点击OK，确认等待即可。

4模拟条件

要求采用橡皮囊液压成形工艺生产出下面的零件，如下图所示。

成形零件要求

零件采用的材料参数为：

Al2024

Al2024力学性能数据见下表，

项目方向（0）

屈服强度Rp（MPa）

抗拉强度

Rm（MPa）

均匀延伸率Agt（%）

断裂延伸

率At（%）

厚向异性系数r

应变强化

系数K（MPa）

应变强化

指数n

0

71

177

312

66

178

315

67

175

311

平均值

45

64

166

299

65

163

294

66

167

302

平均值

65

90

66

162

280

72

164

275

64

165

281

平均值

65

板料采用材料的硬化曲线

零件采用的工艺参数为：

工具和板料之间的摩擦系数为，相当于板料和橡皮直接接触，没有采用润滑剂，橡皮囊液压的压力为20MPa，这些参数就是从橡皮囊液压成形工艺设备的实际的成形工艺参数取得的。

零件成形模拟采用的整体模型图为如下两图所示，

模拟整体模型图

5成形精准模拟结果

计算下料量结果

PAM-INVERSE计算下料量的结果显示图如下三图所示。

从这三个图中能够明显看出，PAM-INVERSE能够快速肯定零件初始下料量的大小，为以后的生产提供很重要的依据，整个计算进程只要10分钟左右，能够快速解决以往要手工计算和凭经验来肯定下料量的问题，明显减少花在那个方面的精力和时刻。

导入零件图显示

反算下料量取得的结果显示

反算下料量对比结果显示

成形工艺精准模拟结果

对于查看橡皮囊液压成形工艺精准模拟结果，主要查看回弹后对比的模拟结果，因为实际生产进程中回弹现象是不可避免的，因此查看回弹后的结果对实际设计和生产的指导作用是最大的。

下面别离分析模拟分析结果。

成形后板料和模具完全贴合

回弹计算后板料的厚度散布图

从上图中，能够看出模具曲率较大的部位，厚度减薄比较厉害，是最可能发生破裂的部位，要避免因过度减薄而破裂。

回弹计算后板料的最大主应变散布图

回弹计算后板料的最小主应变散布图

从上两图中，能够看出模具弯曲曲率较大的部位的应变较大，侧壁部份的应变也较大，这与塑性成形理论是一致的，通过软件模拟取得的结果咱们能够清楚看出成形后板料的应变散布情形，为咱们实际生产提供靠得住的参考。

回弹计算后板料的最小主应力散布图

回弹计算后板料的最小主应力散布图

从上两图中，能够看出通过查看回弹计算后的应力散布图，能明显看出成形后板料的应力最大的部位，模具弯曲曲率较大的地方的主应力较大，与塑性成形理论完全一致，为实际设计生产提供靠得住的依据。

成形极限线图（FLD）是板料在不同应变路径下的局部失稳极限应变即工程应变

和

或真实应变

和

组成的条带形区域或曲线，表示了板料在不同的应力状态作用下的变形极限，它全面反映了板料在单向或双向拉应力作用下的局部成形极限。

FLD的提出，为定性和定量研究板料的局部成形性能成立了基础，这对研究复杂形状拉深件成形有很重要的作用，FLD在评价薄板成形性能分析中取得普遍地应用。

成形极限线图（FLD）是一个估量给定类型的板金的缺点并修正的工具，是判断和评定板料成形性能的最为简单和直观的方式，是解决板料成形问题的一个有效的工具，是金属模调试中决定金属模设计质量的一个好工具。

FLD图中的纵坐标轴表示最大主应变的百分率，横坐标轴（水平轴）表示最小主应变的百分率。

只要在FLD中描出零件的最大主应变和最小主应变，就可以表示出一个零件的应变状态。

成形极限图（FLD）成形极