基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种冲压成形领域模具磨损的预测方法，具体为通过数值模拟技 术计算冲压成形界面上摩擦功的耗散，结合实验中模具表面损伤极限，实现生产中冲压成 形模具磨损的预测。
【背景技术】
[0002] 工程中，冲压模具是用来成形各种薄壁零件的重要装备。然而，随着许多薄壁零件 轻量化的需求，先进高强钢因其轻质、优良的防撞性和经济性已经成为实现轻量化的首选 材料。但由于其强度级别高，在成形过程中需要更大的压边力，导致钢板、模具界面承受较 高的接触压力和剪切力，界面温升明显，这些都将导致钢板、模具表面损伤的加剧。由于模 具的制造成本较高，所以保证模具在工作过程中的精度、延长模具寿命对于保障冲压件产 品质量、提高生产效率和经济效益极为重要。模具磨损是影响模具使用寿命的决定性因素， 磨损造成的模具失效占失效模具总量的70%左右。模具由于局部磨损失效过早报废，冲压 件产品由于冲压过程中模具表面的局部磨损而出现质量不稳定，即表面损伤问题，从而造 成模具工业以及相关产业经济效益的降低。因此，对模具磨损的研宄和预测在工程中具有 重要意义。
[0003] 本质上，模具的磨损失效是在冲压过程中由于模具与板料的摩擦作用，摩擦功的 耗散造成模具表面特性发生变化，产生表面磨损，导致冲压件表面损伤现象，它属于成形界 面磨损的一种形式。目前关于界面磨损的研宄和预测手段主要以实验为主，然而由于摩擦 学系统本身的复杂性、摩擦磨损涉及的因素过多、磨损正交实验设计次数较多、工作量巨大 且重复性较弱等，磨损的实验研宄和预测成本很高，难以实现较为经济广泛的工程应用。因 此，工程上对经济、便捷、有效的冲压成形模具表面损伤预测方法仍有迫切需求。
[0004] 经对现有文献检索，至今未发现有关基于摩擦功和数值模拟的方法对冲压成形中 模具表面损伤预测的公开报道。
【发明内容】
[0005] 本发明针对上述传统表面损伤实验预测方法中的不足，提供一种基于摩擦功和数 值模拟的成形界面损伤预测方法，利用数值模拟求解成形界面间摩擦功耗散的方法实现表 面损伤的预测，目的在于为生产中提供一种有效的冲压零件表面损伤预测方法。由于数值 模拟只依托于一般的计算机硬件和相应的软件平台，所以其可以经济地实现对多种参数的 快捷控制、不同参数下数值模拟的重复、对比等；同时，数值模拟技术以及充分的模拟实验 也保证了数值预测结果的可靠性。
[0006] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0007] -种基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，具体包括以下步骤：
[0008] 第一步，根据给定的模拟试验工况以及参数建立用于数值模拟的有限元模型，计 算模拟试验成形界面的摩擦功耗散量；
[0009] 第二步，根据上述计算的每种工况下的摩擦功耗散W，结合模拟试验中冲压件表面 损伤达到一定深度的极限冲压次数N，构建N-W图；
[0010] 第三步，根据给定实际生产冲压工况及参数，数值计算实际冲压成形界面摩擦功 耗散W，结合步骤二中的N-W图，直接预测实际冲压工况下的冲压件表面损伤。
[0011] 所述第一步中计算模拟试验成形界面的摩擦功耗散量的方法是：假定一个工作行 程内需要n个增量步完成数值计算，接触副摩擦系数取常数，则一个工作行程中板料上任 意位置X处的摩擦功为
【主权项】
1. 一种基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，其特征在于，具体包括w下 步骤： 第一步，根据给定的模拟试验工况W及参数建立用于数值模拟的有限元模型，计算模 拟试验成形界面的摩擦功耗散量； 第二步，根据上述计算的每种工况下的摩擦功耗散W，结合模拟试验中冲压件表面损伤 达到一定深度的极限冲压次数N，构建N-W图； 第=步，根据给定实际生产冲压工况及参数，数值计算实际冲压成形界面摩擦功耗散W，结合步骤二中的N-W图，直接预测实际冲压工况下的冲压件表面损伤。
2. 根据权利要求1所述的基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，其特征在 于，所述第一步中计算模拟试验成形界面的摩擦功耗散量的方法是；假定一个工作行程内 需要n个增量步完成数值计算，接触副摩擦系数取常数，则一个工作行程中板料上任意位 置X处的摩擦功为
其中：y为接触副摩擦系数，Pi为第i个增量步的接触应力，Ti为第i个增量步的界 面摩擦力，其大小在数值模拟结果中直接提取得出，Si为第i个增量步相应的滑动距离，由 模型建立过程中增量步的大小和总滑动距离决定，n《极限冲压次数N。
3. 根据权利要求2所述的基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，其特征在 于，所述的数值计算是采用准静态假设，使用隐式静力算法进行有限元计算过程进行求解。
4. 根据权利要求3所述的基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，其特征在 于，所述数值计算的具体方法，包括步骤如下： 1) 建立各部件数值模型； 2) 设置各部件材料属性； 3) 完成各部件的装配； 4) 设置接触属性； 5) 设置接触分析过程的分析步； 6) 单元选择和网格划分； 7) 设定每一个分析步的边界条件，然后设定应力结果的输出； 8) 提交分析； 9) 结果输出； 数值计算完成后，即可导出接触面所有节点每个增量步对应的切应力T1，然后根据设 定的总滑动距离和增量步相除求得Si，即可求出每个节点摩擦功损耗w(x)，进而利用模具 接触面节点数目n求得总的摩擦功耗散量W。
5. 根据权利要求4所述的基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，其特征在 于，所述步骤1)中的各部件数值模型包括冲压过程中凸模、凹模、压边圈W及板料的数值 模型。
6. 根据权利要求5所述的基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，其特征在 于，所述步骤2)中材料属性包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度、应变硬化指数。
7.根据权利要求6所述的基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，其特征在 于，所述步骤4)中的接触是指板料与工具之间的接触，包括=个接触对，分别是板料上表 面与凸模之间、板料上表面与压边圈之间和板料下表面与凹模之间，接触属性包括有摩擦 的接触属性和没有摩擦的接触属性，模型中设定板料与凸模之间的摩擦系数为零，另外两 个接触对中的摩擦系数按给定工况取值。
8.根据权利要求7所述的基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，其特征在 于，所述接触对中的接触属性定义为主-从算法；在一个表面上的节点不能侵入另一个表 面的某一部分，法向采用默认的硬接触，切向采用各向同性罚函数摩擦准则，并使用有限滑 动接触公式，面对面离散方式进行定义，每一个接触对中将工具设为主面，板料为从面。
9.根据权利要求8所述的基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，其特征在 于，所述步骤5)中的接触分析分为W下5个分析步： 分析步1 ;固定板料中面的端点沿竖直方向的位移W防止板料的初始移动，并应用一 个位移边界条件将夹具向下压在板料上，W在板料和夹具之间建立牢固的接触关系，同时 考虑几何非线性的影响，此分析步由一个增量步完成，设置初始时间等于总体时间； 分析步2 ;由于前一步中建立了板料、夹具、凹模之间的接触，板料中面右端的约束就 不再需要了，所W在该个分析步中撤除板料在竖直方向的该个约束，此分析步由一个增量 步完成，设置初始时间增量等于总体时间； 分析步3 ;施加压边力，压力载荷，此分析步由一个增量步完成，设置初始时间等于总 体时间； 分析步4 ;在分析开始时，当建立在板料、夹具、凹模之间的接触时，凸模和板料是分开 的，W避免任何过盈接触，此步中，凸模下行，直到刚好与板料发生接触，同时撤除板料中面 左端的竖直方向的约束，并在板料顶面施加一个小的压力，将其拉向凸模表面，此该个分析 步中，设置初始时间增量为10%的总体时间； 分析步5 ;撤除作用在板料上的压力载荷，并使凸模向下移动完成成形操作，通过位置 控制来实现。
10.根据权利要求7所述的基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，其特征 在于，所述步骤6)中，所有部件均使用具有增强沙漏控制的4节点双线性平面应变缩减积 分进行单元划分网格，使用3节点双线性平面应变缩减积分单元进行过渡，为了获取较精 确的界面接触压力，在有限元模型中，在凸模圆角、凹模圆角及板料与凹模接触界面的网格 进行细分。
【专利摘要】本发明公开一种基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，包括以下步骤：第一步，根据给定的模拟试验工况以及参数建立用于数值模拟的有限元模型，计算模拟试验成形界面的摩擦功耗散量；第二步，根据上述计算的每种工况下的摩擦功耗散W，结合模拟试验中冲压件表面损伤达到一定深度的极限冲压次数N，构建N-W图；第三步，根据给定实际生产冲压工况及参数，数值计算实际冲压成形界面摩擦功耗散W，结合步骤二中的N-W图，直接预测实际冲压工况下的冲压件表面损伤情况和许用冲压次数。本发明利用数值模拟求解成形界面间摩擦功耗散的方法实现表面损伤的预测，是一种更加经济、便捷、有效的新的预测方法。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104794266
【申请号】CN201510161231
【发明人】于忠奇, 赵亦希, 顾新建, 孙利
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月3日