基于多体动力学的精冲模具动态仿真

华中科技大学硕士学位论文基于多体动力学的精冲模具动态仿真姓名：黄明珠申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王义林2011-01-13华中科技大学硕士学位论文I摘要基于精密冲裁技术的精冲级进模具是一种单副模具加工复杂外形零件的成型装备。精冲模具已被广泛应用于半冲、沉孔、弯曲、倒角等多个复杂加工工艺领域中。论文以精冲模具为研究对象，对精冲模具冲裁过程中动态应力与动态弯矩的求解方法进行了深入研究，取得如下成果：针对精冲模具中经常出现的偏载现象、凸模破坏与模具寿命低等问题，本文采用了数值模拟技术和虚拟样机技术，对精冲模具的冲裁过程进行了动应力分析，模拟出了凸模的动态受力状况。论文采用碰撞接触方法与弹簧-阻尼单元线性化处理方法，建立了冲裁中分离部分与条料、凸模间的作用力关系。针对轴承用密封盖的工艺特点，利用自上而下的设计技术创建了一副精冲模具模型，为仿真提供了模拟实体部分；运用网格剖分技术与有限元法，分析求解了各工步相关零件的受力情况，为动力学初始条件加载提供基础；论文在虚拟样机动力学软件中完成了精冲模具刚性多体系统动力学模型的创建，模拟得出了关键零件的动力学特性的变化规律，并找到了一种求解精冲模具在多个行程点承受动态弯矩变化规律的新方法。论文研究结果为条料排样、模具设计的合理性提供了新的检测依据，从而在模具被制造出来之前就进行模具结构优化，同时为后续的精冲模具疲劳测试研究提供参考数据。精冲模具中，虚拟样机技术的应用将大大缩短精冲模具设计时间，优化模具结构，降低开发成本，缩短研发周期，提高企业经济效益。关键词：精冲模具；多体系统；数值模拟；应力分析华中科技大学硕士学位论文IIAbstractFineBlankingDiebasedontheprecisionblankingtechnologyisakindofprecisionequipmentwhichcanprocesspartswithcomplexgeometricappearance,ithasbeenwidelyappliedinvariouscomplexprocessingfields,suchashalfcutting,sinkingholes,bending,chamferingandsoon.Fineblankingdieasaresearchobject,thepaperconductsin-depthstudyonthesolvingmethodofthedynamicstressanddynamicmomentintheblankingprocessofFineBlankingDie,andachievesthefollowingresults:Aimattheproblemsofcomplexsheetdeformationandlowmouldlife,thepaperadoptsnumericalsimulationtechnologyandvirtualprototypingtechnology,carriesoutadynamicstressanalysis,andsimulatesthedynamicforcestatusofpunch.Thesisadoptsthecollisioncontactmethodandthespring-dampingunitlinearizationmethod,andestablishesarelationshipofforcebetweenseparateparts,blankingstripandpunches.Aimatcharacteristicsofsealingcoverwhichisusedtosealbearing,thepaperadoptsthetop-downdesigntechnologyandcreatesasolidmodelofFineBlankingDie.Itadoptsthemeshdissectiontechnologytofiniteelement,andanalyzestheforcesituationofsomeparts,Thesisestablishesacompleterigidmulti-bodysystemdynamicsmodeloffineblankingmould.Throughsolvingcalculation,theresearchobtainstheruleofthedynamiccharacteristicsofthekeyparts,anddynamicbendingmomentchangesofthewholemould.Theresultcanprovideanewtestbasistoprovewhetheritisareasonabledesignforthemould,andsometestdataforfurtherresearchonthefatiguetestsofFineBlankingDie.ThevirtualprototypetechnologywillgreatlyshortenthedesigntimeofFineBlankingDie,reducethedevelopmentcostsandenhancetheeconomicbenefitsofenterprises.Keywords:FineBlankingDie，multi-bodysystem，numericalsimulation，stressanalysis独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□本论文属于，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1精冲模具的工作原理与基本工作过程1.1.1精冲模具的工作原理材料加工技术中，精密冲裁是一种无屑加工技术，它主要应用金属材料的塑性剪切力学性能进行材料加工，即在完整的单次冲压行程中，通过无屑加工获得更加优质的零件[1]。与普冲相比，它的弯形翘曲程度较低，冲件的冲切面无裂纹，平直度公差严格，零件的互换性较好，尺寸精度更高，冲裁面相对更加光滑整洁，同时，在较低的成本下，精冲能够得到更好的产品质量[2-3]。连续精冲模冲压成型是在精密冲压成型压力机上，通过适宜于精密冲裁的精冲模具结构，设置合理的模具材料和加强模具结构的精密性的各种辅助方法进行冲裁加工的[4]。在精冲压力机上，精冲模具连续冲裁，如图1-1所示[5]。精冲模具开始合模，上模板与中支板向下运动，压边圈5首先接触到材料，在压边力FR的作用下，压边圈5上齿圈（V型）被压入材料，在条料上形成V型凹槽，并与凹模相互作用，压紧条料，凸凹模1在冲裁力FS作用下被压入材料，顶件器2的反压力FG对材料产生反作用力，反向将材料压紧，开始冲裁。V形齿圈的齿形面对材料的横向流动产生横向侧压力，从而阻止金属材料的横向流动，并避免金属件在剪切区内产生撕裂和破损，在三向应力的作用下，材料的塑性增强，可冲压性能大大提高。图中，凸模9，异型凸模10，顶件器8和顶件器3固定，由凸凹模1冲压材料，由各凸模与凹模的刃边形状形成冲裁零件。华中科技大学硕士学位论文2图1-1精冲模具复合成型简图1-凸凹模；2-主顶件器；3-异型顶件器；4-条料；5-压边圈；6-凹模框；7-凹模；8-顶件器；9-凸模；10-异型凸模；FS-冲裁力；FR-压边力；FG-反顶力1.1.2精冲模的基本工作过程精冲级进模是冷冲模的一种。它是在一副模具内按照所需加工的零件的冲压工艺，将模具工作部位分为多个等距工位，按顺序在各工位完成不同的工作，通过选择合适的精冲压力机，精确控制步距来完成工件的成型工作[6]。精密冲压成型的工作过程主要分为，即开模送料-闭模预压-冲裁-条料分离-开模清料五个步骤，具体来讲：1)模具开模，在送料机的步歇运动中送入条料；2)模具闭模，在压边力的作用下，强力压板/压边圈利用压边力和反顶力压紧条料，反顶力通过凹模/凹模框反作用力于条料上；3)凸模与凹模继续冲压条料；4)工件与条料分离，滑块结束行程，模具为开模作准备，卸除压边力和反顶力；5)模具开模，除去废料，清除精冲件，送进条料。华中科技大学硕士学位论文31.2国内外研究现状与发展趋势在精冲领域，精冲零件的几何形状从简单趋于复杂化、成型加工方法趋于三维化、尺寸规格大型化、成形工艺从平面冲裁提高到复合成型、板料由薄变厚、板材强度趋于更高，随之成型加工的精冲模具结构的发展趋势也进行着同步变化，复合化、自动化、大型化和标准化精冲模具也大量被加工制造出来[7]。针对精冲生产过程，目前的许多研究主要都属于理论研究，对精冲成形机理进行重要探讨。精冲成形中已经进行了大量的数值模拟研究，针对精冲成形过程应力应变分布，裂纹预测等方向，T.C.Lee等人利用刚塑性有限元方法进行了数值模拟[8-9]。而R.Hambli采用有限元的方法模拟了压边力作用下的精冲过程[10]。T.S.Kwak等人的研究则有比较好的结论，即随着间隙的增大塌角的宽度和高度增大，断裂带增大，光亮带减小，齿圈越高光亮带越大，齿形距离越大光亮带越小[11-12]。针对精冲过程中间隙与V形齿圈对剪切面的影响，他们运用刚塑性有限元方法对进行了分析模拟，研究中采用Cockcrotf和Latham的断裂准则与单元网格破坏规则，主要分析间隙以及齿圈高度、齿形、齿距对塌角、光亮带与断裂带的影响情况。贾建军等人对精冲断裂过程做了有限元模拟，得出了凸凹模间隙与工件剩余厚度之比是影响断面质量的关键因素的结论，并开发了基于空穴材料的刚塑性有限元分析系统[13-14]。郑鹏飞等人对精冲挤压复合工艺进行了有限元模拟研究，集中在网格变形、动态应力应变分布，主要分析应变应力情况，对成形工艺和精冲工业生产具有比较大的作用[15-16]。黄毅宏等人研究了精密冲裁中厚板铝材料工艺参数影响情况，工艺参数包括压边圈形状尺寸、压边力与反压力[17]。针对精冲技术及精冲模具中精冲机理与工艺参数对精冲件质量的影响等方面，通过实验和模拟技术，国内外学者虽然作了一定的研究，但仍存在大量的问题。为了提高精冲模具寿命，国内外已经采取了一些应对措施。在精冲机床的制造方面，研究精密滑动导轨取代滚动导轨，以增强滑块的导向刚性；采用焊接床身以增强整体刚性和减轻质量。对精冲模具凸、凹模，进一步研究高强度、高韧性、高耐磨性材料。这些方法都能解决一定的问题。但由于缺乏对模具结构受力状况的分析手华中科技大学硕士学位论文4段，很难了解到模具工作过程的动态应力情况，更无法预测模具的使用寿命，因而不能提出有效的改进措施。多体系统动力学是经典力学基础上的新学科，现在已经发展到了相对成熟的阶段。由于航天航空以及机械工业的需要，多体动力学的相关理论和研究得到较大的发展，在这些研究中，很多较系统的理论和计算方法被总结和完善，由于计算机的发展，各种算法效率得到极大的提高，由此，在该领域，应用这些新技术，多个多刚体系统动力学分析软件被开发出来，并被应用到航天与机械领域[18]。但是，这些软件还不能完全解决实际问题，由于变形的存在，行业中开始研究多柔体系统动力学。续刚体动力学之研究成熟，多柔体系统动力学理论开始了迅速的发展，目前国外动力学软件较有影响的有ADAMS，NADS，F