基于JSTAMP的板材拉深成形及回弹仿真

　　1 引言

   　 家电产品和汽车中相当数量的结构件和覆盖件都是板材冲压件，并且这些产品对冲压件的外观和强度要求很高。尤其在汽车行业中，对于车身安全性和轻量化的要求越来越高，但是回弹问题对于铝合金和高强度钢的使用是一个限制。另一方面，车身冲压件也向整体化成形方向发展，覆盖件形状也日趋复杂，如何选择冲压件材料和确定最优成形工艺是实现车身大批量制造的关键技术。在这个背景下，越来越多的企业在产品开发和模具设计过程中引入板材CAE仿真环节。日本的丰田、本田等整车厂商已经应用CAE软件指导冲压件的开发和生产，并产生了良好的经济效益。我国科研机构和企业已从国外引进了板材冲压仿真技术，JSTAMP/NV是其中的一个代表。

　　2 JSTAMP/NV在板材冲压成形仿真中的应用

    　JSTAMP/NV是由日本JSOL公司开发的基于LS-DYNA求解器的板材冲压成形仿真软件包，在日本板材冲压仿真软件市场上占据领先地位，能够模拟板材冲压的全过程。其主要特点包括：(1)高精度的回弹预测功能，软件采用了当前最先进的Yoshida-Uemori材料模型，并在软件参数设定中集成了十余年来JSOL公司为汽车厂商提供工程咨询的经验，还可以生成高精度的回弹补偿模具CAD模型；(2)在分析中，还可考虑模具变形因素的影响，一般的板材成形仿真软件中只把模具定位为刚体，忽略了模具实际产生的变形。JSTAMP/NV可以分析模具在冲压过程中产生的变形和应力分布来判定模具构造的合理性，及在模具变形情况下，板材的成形；(3)针对新出现的高强度钢板和热成形等新材料、新工艺提出了准确的解决方案；(4)软件具有清晰友好的操作界面和流程化的参数设定方案，能使用户操作变得相当简单。此外，JSTAMP/NV中还提供了强大的材料模型数据库、拉深筋数据库。软件主要包括四个模块：HYSTAMP逆向求解模块、标准冲压成形仿真模块、管材液压成形模块和热成形模块。它集成了Ls-Dyna(971版本)，Joh-Nike和HYSTAMP三个求解器，在设计的初始阶段即可快速评估产品的可成形性，材料成本和工艺成本。在以下内容中，将以著名的国际板材成形数值模拟会议(Numisheet2005)上提出的汽车行李箱盖内板成形实验为例，论述了JSTAMP/NV在板材冲压成形过程中的应用过程。

　　3 汽车行李箱盖内板成形仿真

   　 3.1 基准课题介绍

   　 汽车行李箱盖内板成形是2005年Numisheet会议的第一个基准课题，由美国通用汽车提供，目的是测试板材冲压仿真软件在回弹预测方面的性能。

    　3.2 材料参数

    　本文以Benchmark实验提供的铝合金材料为例完成仿真分析，仿真所用的材料参数如表1所示，铝合金的应力-应变关系曲线如图1所示：

图1 应力-应变关系曲线

表1 铝合金材料参数

　    3.3 基准课题仿真分析

 　   首先，根据产品的CAD数据进行工艺分析并在JSTAMP工序流程面板上完成工序设定。行李箱盖内板形状较复杂，且板面有内孔。仿真可依次设定为拉深、冲裁和回弹三个工序，并且需要布置拉深筋调节面内材料的流动。为避免仿真中出现计算不稳定的现象，在拉深工序前还需要增加板材夹持工序，该工序模拟凹模、板材与压边圈压合。JSTAMP/NV程序的项目面板和流程化的操作面板为多工序数据管理提供了极大的方便。仿真使用倒装拉深方案，固定凸模位置，设定凹模沿Z方向由上至下的行程，最终与凸模压合，冲压板材成形。

　    然后，输入Benchmark实验提供的凹模的CAD数据，并由程序自动生成网格，并在此基础上通过网格偏移得到凸模和压边圈的网格模型，整个网格模型数量约为5万。接下来，完成每个工序的分析条件设定。板材夹持工序使用中心积分单元(ELFORM=2)，可减小计算时间，其它参数接受程序默认值。为保证回弹计算精度，拉深工序中使用高斯积分单元(ELFORM=16)，并且设定IHQ=8，控制沙漏。同时设定拉深筋和模具动作参数。仿真中使用与实验相同的设定，本例中在行李箱盖内板的四周布置对称的拉深筋，见如图2所示的Bead1~Bead9，拉深筋截面参数见表2所示，其中R1和R2为外圆角半径，R3和R4为中心半径，H为拉深筋高度。设定压边圈的夹持力为1334KN，凹模行程由程序自动计算模具移动量确定。在冲裁工序中输入冲裁线的CAD数据，该数据也可由HYSTAMP模块计算修正后得到。回弹工序中仍然使用高斯积分单元(ELFORM=16)，并且设定IHQ=1，JSTAMP/NV提供Ls-Dyna和Joh-Nike两个回弹计算求解器，可以分别计算后对比结果。实验中，完成冲裁工序后，行李箱盖内板仍放置于测试夹具上，测试板板外侧点的回弹量。夹具位置见图2中的A1-A4，B-C共6个点。其中A1-A4为10x10mm的矩形区域，限制Z方向位移；B为直径为20mm的圆形区域，限制X和Y方向位移；C区域为20x24的槽和直径为20mm的测试点的位置见图2，由左下角的①开始，逆时针编号，共20个测试点。

图2 分析条件设定

表2 拉深筋截面参数