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拉深成形技術作為板料成形技術的一個主要方面,是利用具有一定過渡圓角的模具結構,將板料或開口空心毛坯加工成為具有一定形狀的腔體類零件的一種成形技術。在汽車行業中,獲得拉深的產品零件很多,鑄件毛坯這使得這一技術成為汽車行業的關鍵技術之一,從而體現了拉深成形的重要性。隨著今后工業化水平的飛速發展,沖壓拉深技術必將得到更大的發展和進步。
沖壓拉深成形是板料成形最重要的成形手段之一,沖壓拉深成形技術與工藝方法的不斷提高和完善,是板料成形技術不斷發展的重心。
發達國家20世紀沖壓技術的日益成熟也促進了板料拉深的進一步發展,在這一方面,國外的研究走在了我們國家的前面。對于形狀比較復雜的大型覆蓋件沖壓技術,在對液壓拉深法(或稱機械液壓拉深法)的研究上,1951年美國開發Hydroform Press就進入了實用階段。早在八十年代初,由GM公司的N.M.Wang, Budiansky教授和Ford公司的S.C.Tang等人就把數值模擬方法成功的應用于車身板料沖壓成形過程的分析中,形成了車身板料沖壓成形仿真分析的應用研究領域。時至今日,這一技術在生產中已經比較成熟,但是,就板料成形數值仿真的研究領域來說,這里涉及的方面很多,每一個研究領域的發展,都對板料拉深成形的發展起到促進作用。近年來,意大利Palerm。大學R.Dilorenzo教授等人利用模糊控制技術和板料成形數值模擬技術相結合,構成一閉環控制系統,在板料成形的設計階段,確定最佳的壓邊力變化曲線。在確定的每一個控制循環中,有限元模擬提供當前變量值給模糊控制器,由模糊控制器來確定最佳的壓邊力,從而確定成形過程的最佳壓邊力曲線。這在板料拉深成形的壓邊力控制問題上開創了新的思路。
隨著改革開放后現代化工業的發展,以及國家在薄板生產和加工領域的投入和支持,我們在板料成形技術這一領域的發展取得了輝煌的成就。毛坯鑄造在板料拉深的數值仿真領域,我們緊跟世界潮流,不僅自主開發了很多全自動數控生產線,而且初步實現了板料成形的計算機前期失效分析與成形過程的數值仿真工作,并且己經部分應用于生產中。像國內的上海交通大學,華中科技大學,清華大學和哈爾濱工業大學等一批高等院校己經進入了比較成熟的階段。如上海交通大學利用“板料拉深成形摩擦系數測試系統”,研究不同種類的潤滑劑在不同壓邊力值設定的條件下,拉深過程中的摩擦系數與壓邊力、拉深力與壓邊力之間的關系,這一系統對國內板料拉深成形的發展起到積極的作用。
另外,適用于大變形問題的非線性有限元法提出后,在板料成形模擬中得到了廣泛的應用,解決了大批以前用經典方法無法解決的問題。在早期板料成形模擬尚處于探索階段時,研究工作就已逐漸展開,例如Wang和Budiansky采用流動坐標中的有限變形理論推導出針對一般材料成形問題的薄膜殼有限元模型,模擬了許多材料的半球頭脹形成形過程,其計算結果與實驗吻合得較好,標志著這一領域應用研究的開始。為了研究厚度、邊界條件和材料模型對應變分布的影響,Nakamachi等還應用Kirchhoff薄殼模型分析了各種不同厚度圓形板的自由脹形和凸模拉脹。而Iskai等不僅分析了非軸對稱問題,而且還用有限元方法來確定非對稱拉深件的合理毛坯形狀和尺寸,賦予了有限元法應用于板料成形分析的全新內容。
經過一定時期的發展,板料成形模擬在世界各地蓬勃發展,研究進入了快速發展階段。三年一屆的工業成形中的數值方法(NUMIFORM)和板料成形數值模擬(NUMISHEET)國際會議集中反映了這方面的研究工作的進展情況。這些國際會議交流展示了板料成形分析發展的各個方面,內容涉及新材料模型研究、成形模擬、缺陷及失穩分析、本構方程建立、程序前后置處理、FEM程序開發及與CAD系統連接等。在本構關系方面,Chou等提出了增量形式的應力合成本構理論。該理論由于考慮了大塑性變形而導致厚向簡化,因此可以很好地模擬板料成形,其所需計算時間大大少于厚向積分法。在殼體理論方面,LEE提出了適合板料成形分析的比較完善的薄殼大變形理論及其增量形式的變分原理。該理論包含了有限延伸、轉動、彎曲和厚度變化,引用了HILL提出的板殼法向各向異性流動的拉哥朗日公式,失效判據也可以方便地應用到這個理論中來。在計算方法上,動力顯式算法逐漸成為主流。該算法無收斂問題,單次求解迅速,并無須建立總體剛度矩陣,從而大大節省存儲空間,可在較小的存儲空間中計算大規模的動態非線性問題,被一致認為是求解接觸碰撞這一類強非線性問題的有效方法。
從20世紀70年代后期開始,經過二十多年的發展,鑄造毛坯板料成形數值模擬技術逐漸走向成熟,己形成商品化的板料成形分析CAE軟件,得到許多工業部門的重視和應用,美國通用、福特,德國的大眾、奔馳,日本的豐田、日產等大型汽車制造公司,都已開始應用板料成形分析CAE軟件指導板料成形件的開發和生產,產生了很好的經濟效益。
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