“精算”那些事 第五篇： 冲压有限元仿真知多少

      提到冲压相关的有限元仿真，往往关注产品本身的成形仿真，也就是板料塑性变形。其关注点仅局限于冲压产品的成形问题： 开裂、起皱、尺寸回弹、外观面品等，然而一个冲压产品从设计阶段到批量，整个开发周期无论是产品设计、工艺、工装模具结构设计、冲压模具的调试研合、量产时产品工序件间的传递、转运等等整个过程涉及的工况较为复杂、条件的波动对模具工装、产品 都会起到一定的影响。如 模具及压机工作台面的弹性变形、一些刚性较差产品在工序传递间是否存在一定的塑性变形、再比如模具一些强度较差的易损零件的疲劳寿命等等，如果通过有限元仿真技术在开发阶段及时发现问题、对产品设计、工艺设计及模具工装设计都能起到一定的指导、优化的作用。

          下面简要介绍下作为冲压（模具）工程师各开发阶段我们要做哪些方面的仿真工作。（注：仅为作者观点）

        阶段一：冲压SE    

         仿真1：快速成形仿真  （业内100% 都在用，不再啰嗦） 

     仿真2： 产品模态仿真

       关于模态仿真作为从事冲压工艺及模具相关的工程师来说，可能比较陌生、模态分析大多属于产品开发及NVH 系统所关注的。 具体相关定义不过多赘述、感兴趣的自行查阅。对于冲压工艺工程师来说，单件产品的模态分析可以帮助我们确认产品刚性是否存在风险，通过模态分析快速识别产品容易发生回弹的区域，特别是俗称的“软回弹”加以识别并提出合理的改善对策。当然模态分析是整个车身系统分析中最为重要的一项、不仅涉及整车刚度还涉及相关NVH开发，这里仅仅是从冲压工艺角度考虑这一性能指标。如下例：

  

                                         20阶 约束模态分析

此产品前2阶模态均不大20HZ、产品刚性较差

现场实际产品扫描

焊接现场匹配状况

小结：通过模态仿真与现场实际状况的对比 可以发现仿真产品刚性较差的位置基本与实际产品回弹较大位置相对应，这种“软回弹”在产品尺寸提升过程非常困难（回弹补偿量极难把握），所以SE阶段一定将风险提出，目前冲压工艺人员做此项仿真的不多、大部分是通过经验判定、没有量化的数据不易说服产品设计者进行产品变更、建议推广。

仿真3：产品RPS点位置的合理性仿真（产品自重仿真）

这项仿真较为简单，其目的主要是验证产品在检具上的姿态，是否会存在由于产品自身重力的影响导致产品尺寸精度的判定出现误判。

四点支撑重力塌陷

六点支撑时的重力塌陷

仿真4：针对上车体与下车体拼装时，由于上车体自身重量导致其连接零件出现压缩变形，较为典型的零件如：B柱、窗框等。此分析属于静力结构学仿真、依其变形结果，原始数据会做过弯补偿用于开模。

阶段二：工艺设计开发阶段

         仿真1：正式产品成性分析，指导冲压工艺设计，此阶段的设计与SE阶段的设计不同、需考虑更加全面、完善，不仅仅要考虑产品的成形性同时还要考虑结构设计的可行性、生产节拍及生产的稳健性等等。

   

                        SIGMA稳健性分析

          仿真2：传输、跌落变形仿真    对应一些刚性较差、且使用自动化生产的产品、此项仿真有一定必要性，可直达我们确认一些具体的工艺方案 如：抓手  吸盘位置的选取、 制件空抛时的姿态及定位的可靠性，特别是级进模托起及送料的稳定性。如下案例：

 

                   级进模开模托起时出现较大的颤动、导致无法顺利送料。

                         

           通过仿真可以提前识别其振幅、对连料带进行强化处理。

                                     送料方向位移模拟

不合理夹持位置的抬起姿态模拟

合理夹持位置的抬起姿态模拟

空抛产品与模具定位情况的模拟

产品跌落至传送带及传输的模拟

仿真3：冲裁模拟   对于薄板来说其意义不大、最多也就是识别下立切位置毛刺情况，或者是刃口较弱区域模具的受力状态。但对于内高压成性进行模内冲孔、 就管类产品空切应该有一定的指导意义。

                         切边 仿真

管腔无内压状态冲孔

                   管腔内压150MPA  时冲孔

                     

           实际模内冲孔时由于内压波动造成孔边塌陷

空切矩形管材

小结：冲裁仿真对于管材 内高压冲孔、空切及厚板（3MM）冲切、精冲等工况具有一定指导意义。

阶段三：模具结构设计阶段

        仿真1：模具结构变形仿真       随着冲压高强钢大量的使用、且客户对研合率、研合效率的要求越来越高、模具结构变形仿真的意义就不言而喻了。  

        作用1： 结构强度快速识别、避免由于结构强度不足造成量产时局部镶块结构在大的循环载荷冲击出现疲劳损伤。

上图为一个底盘件的案例 ：翻边与翻孔间距只有9MM  产品料厚3MM 。如规划工艺为先翻边再翻孔、其凹模最边缘壁厚仅9MM ，其结构强度能否满足量产使用？？？

翻孔凹模

这时通过结构变形仿真、很快就会告诉我们答案：我们进行体单元（模具弹塑体单元、弹塑板料体单元）的全耦合成形分析

翻孔凹模等效塑性应变

  翻孔凹模法向位移  

 通过仿真我们可以直观的确定模具强度肯定无法满足量产、预估连50件都用不了（注：关于寿命问题当然通过疲劳仿真可以解决 ）

作用2： 缩短模具研合时间、减轻钳工工作量。

                    考虑机床挠度、模具重量 模具到底状体受力仿真

   凸模Z向变形云图

压边圈Z向变形云图

凹模Z向变形云图

   下工作台面Z向挠度变形云图

通过仿真我们很快可以确定为什么模具研合时出现着色四周硬、中间空的“空心”现象了，模面数据设计时提供合理的参考数值。

      当然冲压成形仿真 属于接触非线性、受产品接触位置位移的变化、其成形接触力始终为非线性变化的，我们还要考虑冲压过程中模具体所受载荷状态、当工具体作为弹塑体与作为刚体时，仿真回弹的结果也是不同的。

材质：DP980  T=1.6MM   凹模Z值位移

凸模的Z值位移云图

基于板材成形仿真及模具结构变形仿真可以构建一套模面细化数据流程了。

对于内高压成形来说，个人认为结构变形是必不可少的，模具在较大内压及合模力双重载荷下，其结构势必存在变形风险，特别是存在侧向力时，产品出现分模痕很难消除。

内高压结构受力分析

小节：模具结构变形受力仿真、个人认为其作用在冲压模具领域应该是除成形仿真之外最为重要的一项仿真了，把传统的经验评判转变到数据量化支持。摆脱“3、4、5”“4、5、6”标准束缚，并结合拓扑优化仿真、疲劳仿真把“好钢用刃上”在结构设计中可以完美呈现。另在跟业内朋友交流结构变形仿真时、最关注的就是仿真时间问题，其实目前结构变形仿真有两种方案：1、耦合法  2、插值法（理解为接触力映射法） 采用耦合法确实有网格划分精度、时间等影响，不易操作。 插值法相对来说就简单多了、把复杂的非线性（接触非线性、几何非线性、材料非线性）动力学仿真，转换成简单的结构静力学仿真，时间基本就可以忽略不计了。

仿真2：废料滑落仿真   无需多言  主要确认废料滑落是否顺畅、是否存在卡滞 、无法落入工作台废料坑等现象。        

                   

阶段四：模面细化阶段      

板材精算仿真1：成形精细仿真    此阶段的仿真主要是依据结构变形仿真  成形仿真出现的模具工具体、机床挠度等弹性变形、产品成形过程中料厚的变化（变薄、增厚）  及其它模面工程相关（R避空、工艺补充区域避让、刀具补偿、局部强压等）重新构建工具体模面、并进行精算分析（采用两到三款成形仿真软件进行验证分析）。并基于精算结果进行相应的回弹补偿，如果需要的话。

 精算仿真流程

总结：冲压工艺涉及"材料力学"“结构力学”多工况问题。就仿真而言既有动力学问题，又有静力学问题。充分利用仿真技术，最大程度将现场问题进行虚拟数字呈现，提前发现风险，有助于优化工艺，降低开发成本。

文章来源：成型之道 无问东西