陳煒

更新時間:2023-04-19 04:46:45 閱讀：評論：0

王子騫-保爾柯察金

2023年4月19日發(作者：竹子的詩詞)板料多步沖壓回彈的數值模擬研究

作者：江蘇大學陳煒王曉路高霖
摘要：回彈是板料沖壓成形過程中一種常見但很難解決的現象。首先研究了板料彎曲變形中
卸載回彈的原理，然后以依維柯側壁上內板為例，采用動態和靜態算法相結合的方法，在考
慮每吳漢東道工序板料回彈的基礎上，對其進行多步沖壓回彈的數值模擬，最后對模擬結果和實驗
結果進行比較，驗證該模擬方法提高回彈計算精度的有效性，為板料沖壓成形工藝的制定提
供科學依據。
關鍵詞：回彈；多步沖壓；數值模擬
中圖分類號：TG386.41 文獻標識碼：A 文章編號：

1 前言

通常，一個完整的沖壓過程要經過拉延、整形、修邊、沖孔、翻邊等多步工序才能完成。在
這一過程中，回彈是板料成形工藝制定中要考慮的關鍵因素，零件的最終形狀取決于成形后
的回彈量，當回彈量超過允許容差后，就成為成形缺陷，影響零件的幾何精度。特別是近幾
年來由于高強度薄鋼板和鋁合金板材的大量使用，回彈問題更為突出。

目前，板料回彈的精確預測以及如何減小回彈量、降低殘余應力成為板料成形模擬中的熱點
問題。從NUMISHEET’93（第二屆板料成形三維數值模擬國際會議）開始，每屆會議都有
關于回彈預測的標準考題（BENCHMARK），在NUMISHEET’99上，專門有一個關于回
彈預測和回彈誤差控制的會議專題，其中文章達到10篇，約占全部會議文章的11﹪[1]；
而在NUMISHEET’2002上，關于回彈預測和控制的會議專題論文達20篇之多，占到全部
會議論文的21﹪以上[2]。
在實際生產中要控制和補償回彈，提高回彈預測的精度是至關重要的[3]。通常我們在進行
板料多步沖壓的回彈預測時，都忽略了板料每道工序后的卸載回彈，未將其回彈考慮到下一
道工序的計算之中，然而板料的最終形狀是其整個變形歷史的累積效應，其變形歷史等對殘
余應力和回彈計算都有一定影響[4]，那么因忽略了每道工序后的回彈而產生的累積誤差勢
必影響最終的回彈預測精度。

本文在進行板料多步沖壓數值模擬時以依維柯側壁上內板為例，采用動態和靜態算法相結合
的方法[4]來模擬其多步沖壓過程，將前一道工序的回彈計算結果作為下一道工序的輸入，
并通過模擬結果和實驗結果的對比來驗證該數值模擬過程的正確性及有效性。

2 板料多步沖壓回彈的數值模擬研究

2.1板料卸載回彈的原理研究

板料在外載荷作用下發生任何一種塑性變形時，其變形都是由塑性變形和彈性變形兩部分組
成。當作用板料上的外載荷卸掉之后，塑性變形區的材料保存殘余變形而使零件變形。但是，
由于彈性變形區材料的彈性恢復以及塑性變形區材料彈性變形部分的彈性恢復，使其形狀、
尺寸都發生與加載時變形方向相反的變化，這種現象稱之為回彈。這就是生產中回彈現象的
內因。

回彈現象實際上是當外載荷去除后，板料發生彈性恢復而引起的，這其實是卸載過程中材料
的附加變形。卸載的彈性恢復是一個尋求內部應力自相平衡的過程，產生的彈形恢復應變引
起零件幾何形狀發生改變（即回彈），當零件達到內部應力自相平衡時，彈性恢復過程結束，
這時的剩余內應力即為殘余應力。

以彈塑性彎曲變形為例，彎曲變形區在外彎曲力矩作用下，于內區產生切向壓縮應力、外區
產生切向拉伸應力，變形區斷面上的切向應力如圖1（a）所示。同時，變形區內﹑外兩區
中的彈性變形成分產生了與塑性變形應力方向相反的彈性應力，見圖1（b）。卸載后，彎
曲件在彈性彎曲力矩作用下產生相應的變形（即回彈）而達到新的平衡狀態。而塑性應力與
彈性應力則形成新的應力分布狀態，達到內部應力分布的新的平衡狀態，見圖1（c），此
應力狀態使彎曲件形狀處于新的穩定狀態。

圖1彈塑性彎曲卸載過程中板料界面的切向應力
2.2 板料多步沖壓回彈的數值模擬

完整的回彈數值模擬可以分為兩步：加載成形過程模擬和卸載回彈過程模擬。前一步計算是
回彈過程模擬的基礎，為其提供應力、應變等數據，該步計算的準確與否將直接影響回彈計

算的精度[英語演講小故事 5]。板料多步沖壓的過程實際上是一個多道工序的成形過程，前一道工序的模擬
結果直接影響下一道工序的模擬精度。通常我們在模擬板料的多步沖壓過程時，都忽略了每
道工序后板料的回彈，即忽略了板料在每道工序后的應力變化，而板料的回彈計算精度又與
其變形歷史密切相關[6]，那么忽略每道工序后的回彈勢必將影響多步沖壓最終的模擬精度。

多步沖壓回彈數值模擬充分考慮了每道工序后板料的卸載回彈過程，模擬時在每道工序求解
結束后進行回彈計算，然后將回彈計算的結果作為下一道工序的輸入，來進行下道工序的數
值模擬。該模擬過程與實際沖壓過程是一致的，始終遵循“加載成形→卸載回彈→加載成形”
這一過程，從而提高了板料多步沖壓數值模擬的精度。

3 依維柯側壁上內板的多步沖壓回彈數值模擬

以下將針對依維柯側壁上內板（如圖2），使用Dynaform軟件作為前后處理的工具，采用
動態和靜態算法相結合的方法（使用LS-DYNA作為每道工序數值模擬的求解器，
LS-NIKE3D作為卸載回彈計算的求解器）國家安全領導體制，對其多步沖壓及其回彈過程進行數值模擬，并
在剖面A和剖面B處（主要針對部位I和部位II）對模擬結果與實驗結果進行比較。

圖2 依維柯側壁上內板
依維柯側壁上內板的多步沖壓過程包括拉延、修邊沖孔、整形翻邊三道典型的沖壓工序。采
用的材料是ST14O5，厚度為0.7mm，材料性能參數如表1所示。在對多步沖壓過程進行
數值模擬時，每道工序結束后首先進行回彈計算，然后將回彈的結果輸入下一道工序進行求
解，其中板料的變形歷史信息是通過每步求解結束后生成的dynain文件來實現在各道工序
及回彈計算之間的傳遞。

表1 ST14O5的材料性能參數
楊氏模量泊松比屈服強度抗拉強度應變強化系數硬化指數
b(MPa) K (MPa) n Youngs(GPa) Possion Ratio s(MPa)
300 570 0.18 1.8 1.5 1.8 206 0.28 170
各向異性指數
R R R
004590
對于依維柯側壁上內板，我們分兩種狀態對其進行了多步沖壓回彈的數值模擬：

1）狀態一：是在每道工序結束后都考慮板料的回彈，然后將回彈模擬的結果輸入下一道工
序；
2）狀態二：則在每道工序結束后不考慮板料的回彈，僅僅在翻邊結束后對其進行回彈計算。

圖3、4、5是狀態一時，即在每道工序結束后都加入板料的回彈計算，板料在拉延、修邊
沖孔和整形翻邊各道工序及其回彈模擬后的等效應力分布圖。從圖中可以看到，在各道工序
后的回彈模擬中，板料上絕大部分的節點都處于卸載狀態魔芋的功效，但在部分節點附近的區域出現了
局部加載的現象，如圖3（b）中的區域a、圖5（b）中的區域b。這是因為回彈雖然屬于
小變形非線性問題，但本質上是從復雜的全應力轉向彈性卸載的過程，這是一個非常復雜的
過程，不同于一般的彈性變形計算。回彈現象本身就是成形板料內應力釋放的結果，但是在
局部區域會因為周圍區域單元的應變對該區域產生反向加載，從而引起應力的增幼兒口語大。對于復
雜工件的回彈，反向加載通常都局限于曲率半徑很小的區域，如工件圓角處，即是圖3（b）
中的區域a、圖5（b）中的區域b。

圖3狀態一時拉延后及拉延回彈后的等效應力分布

圖4狀態一時修邊沖孔后及修邊沖孔回彈后的等效應力分布

圖5狀態一時整形翻邊后及整形翻邊回彈后的等效應力分布
采用狀態二（每道工序結束后不考慮板料回彈）進行模擬，忽略了每道工序后的應力卸載（包
括局部加載）過程，直接在前一道工序結束后的板料狀態下進行下一道工序的計算。這樣的
模擬過程與實際生產過程是不一致的，因每道工序后忽略了回彈而產生的誤差必定將累積到
最后一道工序，從而影響最終的回彈模擬結果。

針對這兩種不同的模擬過程，本文分別對剖面A和剖面B處（如圖2）的最終回彈量與實
驗結果進行了比較。整形翻邊后回彈量較大的部位主要在部位I和部位II（如圖2），故將
這兩個部位的回彈量與實驗結果進行了比較，主要測量Y方向和Z方向的位置偏差。圖6、
圖7分別是剖面A和剖面B的輪廓以及模擬結果與實驗結果的回彈量比較情況。從圖中可
以看到，在每道工序后加入回彈計算（狀態一）的模擬結果與實驗結果得到很好的吻合，在

許多部位模擬結果甚至和實驗結果基本重合，如圖6c、圖7c中的凸緣處、圖7b的斜面部
位等。而忽略了每道工序后的回彈（狀態二）的模擬結果明顯比狀態一的精度低，與實驗結
果相比出現了較大的誤差，如圖6b、圖7b中最下端的凸緣部位，圖6c、圖7c中最上端的
凸緣部位。

圖6 兩種狀態下剖面A的結構板輪廓及回彈量比較

圖7兩種狀態下剖面B的的輪廓及回彈量比較
通過對模擬結果和實驗結果進行比較，不參天大樹什么意思難看出在多步沖壓數值模擬的中間過程中加入回彈
計算，能更加準確地模擬板料多步沖壓的過程，極大地提高了板料多步沖壓的回彈預測精度。

4 總結

在板料多步沖壓數值模擬的中間過程中加入回彈計算，相對傳統的多步沖壓模擬過程而言，
避免了因忽略每道工序后的回彈而造成的應力變化模擬不準確、進而影響最終工序回彈模擬
精度的問題，因此該模擬過程能更準確地模擬板料在多步沖壓過程中的加載成形和卸載回彈
的過程，以及板料在各道工序之間應力信息的變化情況，極大地提高了板料多步沖壓回彈模
擬的精度，為板料成形工藝的制定提供了科學的依據。

參考文獻
[1] , . Proceedings of NUMISHEET’99, France: University of
Franche-Comte and ENSMM Besancon, 1999
[2] Dong-Yol Yang, Soo Ik Oh, Hoon Huh, etc. Proceedings of NUMISHEET’2002, Korea:
Jeju Island,秒的英文 2002
[3] , ux, t. Numerical simulation of springback using enhanced
assumed strain elements, Journal of Materials Processing Technology. 2004 (153-154):
314-318
[4] Zhang Z T, Hu S J. Stress and residual stress distributions in plane strain bending.
International Journal of Mechanical Sciences. 1998, 40(6): 533-543
[5] 陳煒. 沖壓成形數值模擬在車身制造中的應用研究：[博士后論文]. 江蘇大學，2003.12
[6] 徐丙坤，施法中. 板料沖壓成形回彈的數值模擬. 北京航空航天大學學報，2001(2):
194-197(end)

甘之如飴意思-藝智苑

本文發布于:2023-04-19 04:46:44，感謝您對本站的認可！

本文鏈接：http://m.newhan.cn/zhishi/a/168185080545452.html

本文word下載地址：陳煒.doc

本文 PDF 下載地址：陳煒.pdf

上一篇：保潔員招聘

下一篇：返回列表

標簽：陳煒

留言與評論（共有 0 條評論）