基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種沖壓成形領(lǐng)域模具磨損的預(yù)測方法，具體為通過數(shù)值模擬技 術(shù)計算沖壓成形界面上摩擦功的耗散，結(jié)合實驗中模具表面損傷極限，實現(xiàn)生產(chǎn)中沖壓成 形模具磨損的預(yù)測。
【背景技術(shù)】
[0002] 工程中，沖壓模具是用來成形各種薄壁零件的重要裝備。然而，隨著許多薄壁零件 輕量化的需求，先進(jìn)高強(qiáng)鋼因其輕質(zhì)、優(yōu)良的防撞性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為實現(xiàn)輕量化的首選 材料。但由于其強(qiáng)度級別高，在成形過程中需要更大的壓邊力，導(dǎo)致鋼板、模具界面承受較 高的接觸壓力和剪切力，界面溫升明顯，這些都將導(dǎo)致鋼板、模具表面損傷的加劇。由于模 具的制造成本較高，所以保證模具在工作過程中的精度、延長模具壽命對于保障沖壓件產(chǎn) 品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益極為重要。模具磨損是影響模具使用壽命的決定性因素， 磨損造成的模具失效占失效模具總量的70%左右。模具由于局部磨損失效過早報廢，沖壓 件產(chǎn)品由于沖壓過程中模具表面的局部磨損而出現(xiàn)質(zhì)量不穩(wěn)定，即表面損傷問題，從而造 成模具工業(yè)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的降低。因此，對模具磨損的研宄和預(yù)測在工程中具有 重要意義。
[0003] 本質(zhì)上，模具的磨損失效是在沖壓過程中由于模具與板料的摩擦作用，摩擦功的 耗散造成模具表面特性發(fā)生變化，產(chǎn)生表面磨損，導(dǎo)致沖壓件表面損傷現(xiàn)象，它屬于成形界 面磨損的一種形式。目前關(guān)于界面磨損的研宄和預(yù)測手段主要以實驗為主，然而由于摩擦 學(xué)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性、摩擦磨損涉及的因素過多、磨損正交實驗設(shè)計次數(shù)較多、工作量巨大 且重復(fù)性較弱等，磨損的實驗研宄和預(yù)測成本很高，難以實現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)廣泛的工程應(yīng)用。因 此，工程上對經(jīng)濟(jì)、便捷、有效的沖壓成形模具表面損傷預(yù)測方法仍有迫切需求。
[0004] 經(jīng)對現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索，至今未發(fā)現(xiàn)有關(guān)基于摩擦功和數(shù)值模擬的方法對沖壓成形中 模具表面損傷預(yù)測的公開報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對上述傳統(tǒng)表面損傷實驗預(yù)測方法中的不足，提供一種基于摩擦功和數(shù) 值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，利用數(shù)值模擬求解成形界面間摩擦功耗散的方法實現(xiàn)表 面損傷的預(yù)測，目的在于為生產(chǎn)中提供一種有效的沖壓零件表面損傷預(yù)測方法。由于數(shù)值 模擬只依托于一般的計算機(jī)硬件和相應(yīng)的軟件平臺，所以其可以經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)對多種參數(shù)的 快捷控制、不同參數(shù)下數(shù)值模擬的重復(fù)、對比等；同時，數(shù)值模擬技術(shù)以及充分的模擬實驗 也保證了數(shù)值預(yù)測結(jié)果的可靠性。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，具體包括以下步驟：
[0008] 第一步，根據(jù)給定的模擬試驗工況以及參數(shù)建立用于數(shù)值模擬的有限元模型，計 算模擬試驗成形界面的摩擦功耗散量；
[0009] 第二步，根據(jù)上述計算的每種工況下的摩擦功耗散W，結(jié)合模擬試驗中沖壓件表面 損傷達(dá)到一定深度的極限沖壓次數(shù)N，構(gòu)建N-W圖；
[0010] 第三步，根據(jù)給定實際生產(chǎn)沖壓工況及參數(shù)，數(shù)值計算實際沖壓成形界面摩擦功 耗散W，結(jié)合步驟二中的N-W圖，直接預(yù)測實際沖壓工況下的沖壓件表面損傷。
[0011] 所述第一步中計算模擬試驗成形界面的摩擦功耗散量的方法是：假定一個工作行 程內(nèi)需要n個增量步完成數(shù)值計算，接觸副摩擦系數(shù)取常數(shù)，則一個工作行程中板料上任 意位置X處的摩擦功為
【主權(quán)項】
1. 一種基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，其特征在于，具體包括w下 步驟： 第一步，根據(jù)給定的模擬試驗工況W及參數(shù)建立用于數(shù)值模擬的有限元模型，計算模 擬試驗成形界面的摩擦功耗散量； 第二步，根據(jù)上述計算的每種工況下的摩擦功耗散W，結(jié)合模擬試驗中沖壓件表面損傷 達(dá)到一定深度的極限沖壓次數(shù)N，構(gòu)建N-W圖； 第=步，根據(jù)給定實際生產(chǎn)沖壓工況及參數(shù)，數(shù)值計算實際沖壓成形界面摩擦功耗散W，結(jié)合步驟二中的N-W圖，直接預(yù)測實際沖壓工況下的沖壓件表面損傷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，其特征在 于，所述第一步中計算模擬試驗成形界面的摩擦功耗散量的方法是；假定一個工作行程內(nèi) 需要n個增量步完成數(shù)值計算，接觸副摩擦系數(shù)取常數(shù)，則一個工作行程中板料上任意位 置X處的摩擦功為
其中：y為接觸副摩擦系數(shù)，Pi為第i個增量步的接觸應(yīng)力，Ti為第i個增量步的界 面摩擦力，其大小在數(shù)值模擬結(jié)果中直接提取得出，Si為第i個增量步相應(yīng)的滑動距離，由 模型建立過程中增量步的大小和總滑動距離決定，n《極限沖壓次數(shù)N。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，其特征在 于，所述的數(shù)值計算是采用準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)，使用隱式靜力算法進(jìn)行有限元計算過程進(jìn)行求解。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，其特征在 于，所述數(shù)值計算的具體方法，包括步驟如下： 1) 建立各部件數(shù)值模型； 2) 設(shè)置各部件材料屬性； 3) 完成各部件的裝配； 4) 設(shè)置接觸屬性； 5) 設(shè)置接觸分析過程的分析步； 6) 單元選擇和網(wǎng)格劃分； 7) 設(shè)定每一個分析步的邊界條件，然后設(shè)定應(yīng)力結(jié)果的輸出； 8) 提交分析； 9) 結(jié)果輸出； 數(shù)值計算完成后，即可導(dǎo)出接觸面所有節(jié)點每個增量步對應(yīng)的切應(yīng)力T1，然后根據(jù)設(shè) 定的總滑動距離和增量步相除求得Si，即可求出每個節(jié)點摩擦功損耗w(x)，進(jìn)而利用模具 接觸面節(jié)點數(shù)目n求得總的摩擦功耗散量W。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，其特征在 于，所述步驟1)中的各部件數(shù)值模型包括沖壓過程中凸模、凹模、壓邊圈W及板料的數(shù)值 模型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，其特征在 于，所述步驟2)中材料屬性包括彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)變硬化指數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，其特征在 于，所述步驟4)中的接觸是指板料與工具之間的接觸，包括=個接觸對，分別是板料上表 面與凸模之間、板料上表面與壓邊圈之間和板料下表面與凹模之間，接觸屬性包括有摩擦 的接觸屬性和沒有摩擦的接觸屬性，模型中設(shè)定板料與凸模之間的摩擦系數(shù)為零，另外兩 個接觸對中的摩擦系數(shù)按給定工況取值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，其特征在 于，所述接觸對中的接觸屬性定義為主-從算法；在一個表面上的節(jié)點不能侵入另一個表 面的某一部分，法向采用默認(rèn)的硬接觸，切向采用各向同性罰函數(shù)摩擦準(zhǔn)則，并使用有限滑 動接觸公式，面對面離散方式進(jìn)行定義，每一個接觸對中將工具設(shè)為主面，板料為從面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，其特征在 于，所述步驟5)中的接觸分析分為W下5個分析步： 分析步1 ;固定板料中面的端點沿豎直方向的位移W防止板料的初始移動，并應(yīng)用一 個位移邊界條件將夾具向下壓在板料上，W在板料和夾具之間建立牢固的接觸關(guān)系，同時 考慮幾何非線性的影響，此分析步由一個增量步完成，設(shè)置初始時間等于總體時間； 分析步2 ;由于前一步中建立了板料、夾具、凹模之間的接觸，板料中面右端的約束就 不再需要了，所W在該個分析步中撤除板料在豎直方向的該個約束，此分析步由一個增量 步完成，設(shè)置初始時間增量等于總體時間； 分析步3 ;施加壓邊力，壓力載荷，此分析步由一個增量步完成，設(shè)置初始時間等于總 體時間； 分析步4 ;在分析開始時，當(dāng)建立在板料、夾具、凹模之間的接觸時，凸模和板料是分開 的，W避免任何過盈接觸，此步中，凸模下行，直到剛好與板料發(fā)生接觸，同時撤除板料中面 左端的豎直方向的約束，并在板料頂面施加一個小的壓力，將其拉向凸模表面，此該個分析 步中，設(shè)置初始時間增量為10%的總體時間； 分析步5 ;撤除作用在板料上的壓力載荷，并使凸模向下移動完成成形操作，通過位置 控制來實現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，其特征 在于，所述步驟6)中，所有部件均使用具有增強(qiáng)沙漏控制的4節(jié)點雙線性平面應(yīng)變縮減積 分進(jìn)行單元劃分網(wǎng)格，使用3節(jié)點雙線性平面應(yīng)變縮減積分單元進(jìn)行過渡，為了獲取較精 確的界面接觸壓力，在有限元模型中，在凸模圓角、凹模圓角及板料與凹模接觸界面的網(wǎng)格 進(jìn)行細(xì)分。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于摩擦功和數(shù)值模擬的成形界面損傷預(yù)測方法，包括以下步驟：第一步，根據(jù)給定的模擬試驗工況以及參數(shù)建立用于數(shù)值模擬的有限元模型，計算模擬試驗成形界面的摩擦功耗散量；第二步，根據(jù)上述計算的每種工況下的摩擦功耗散W，結(jié)合模擬試驗中沖壓件表面損傷達(dá)到一定深度的極限沖壓次數(shù)N，構(gòu)建N-W圖；第三步，根據(jù)給定實際生產(chǎn)沖壓工況及參數(shù)，數(shù)值計算實際沖壓成形界面摩擦功耗散W，結(jié)合步驟二中的N-W圖，直接預(yù)測實際沖壓工況下的沖壓件表面損傷情況和許用沖壓次數(shù)。本發(fā)明利用數(shù)值模擬求解成形界面間摩擦功耗散的方法實現(xiàn)表面損傷的預(yù)測，是一種更加經(jīng)濟(jì)、便捷、有效的新的預(yù)測方法。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104794266
【申請?zhí)枴緾N201510161231
【發(fā)明人】于忠奇, 趙亦希, 顧新建, 孫利
【申請人】上海交通大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月3日