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有限元分析在冲压模具分析中的应用

发布于:2016-04-23 18:52
有限元分析

      冲压成形是现代工业中一种十分重要的加工方法,在汽车、航空、家用电器、仪器仪表等工程领域得到广泛应用。由于模具的生产加工周期长,模具材料费用高,模具制造成本在实际生产成本中占有相当大的比例。因此,对于冲压模具除了要求生产效率高、所生产的零件符合其质量要求和技术条件外,提高冲压模具的使用寿命也是非常重要的。
      由于模具的结构复杂,工作环境较差,容易产生模具材料低周疲劳、变形、断裂等缺陷而使模具失效。为防止模具在使用过程中失效,通常的做法就是使模具更大、更厚、更硬、增加模具预应力或使用组合模,但在有些情况下,这些解决办法却会使情况变得更糟。随着计算机性能的不断提高和数值模拟技术的逐渐完善,近年来出现了许多功能强大的专业性强的分析App,如采用有限元分析的方法对模具组件在工作状态中的应力、应变等问题的详细分析已得到了越来越多的注意,开展这方面的研究已经取得了很大的发展并得到了实际应用。通过有限元分析,可以及早地发现问题,排除经验设计的偏差,提高设计在工艺实践中的精确性和可靠性,避免多次修模、试模的过程,从而可以缩短模具生产调试周期,降低制模成本和延长模具的使用寿命。
      有限元模拟技术最早应用于金属塑性加工成形领域始于上个世纪70年代,经过30多年的发展,有限元法已经发展成为种类较为齐全、App功能较为丰富、工程应用较为广泛的一种分析工具。
      材料有限元模型分两种典型的模型,即刚塑性材料模型和弹塑性材料模型,与之相对应,塑性有限元法也分为刚塑性有限元法和弹塑性有限元法。刚塑性有限元法不计弹性变形,可大大简化有限元列式和求解过程,提高计算效率。但由于刚塑性有限元法忽略了弹性变形,仅适用于塑性变形区的分析,不能进行卸载分析,无法得到应力、应变、回弹和残余应力,此外刚性区的应力计算也有一定误差,这也就限制了它在冲压成形中的应用。
      弹塑性有限元法同时考虑金属材料的弹性变形和塑性变形,既可以分析塑性成形的加载过程,又能分析卸载过程,包括计算工件变形后内部的残余应力、应变、工件的回弹以及与模具的相互作用。因此,弹塑性有限元法在冷冲压、冷轧等数值模拟中应用最广。
      对于冲压模具而言,根据加工需要,模具材料一般采用高强度、高硬度和高耐磨的工具钢或硬质合金钢(如:SKD11、SKH51、G5、G8等),其在冲压时与加工材料表面相互作用过程中,一般只会发生小量的弹性变形,而不会出现塑性变形。所以采用弹塑性有限元法对冲压模具进行应力、应变的分析能取得更满意的结果,Young-Seon等验证了采用模具弹性体模型进行应力、应变有限元模拟分析比采用刚性体模型模拟所得的结果与实际实验结果更加吻合。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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