基于Abaqus的沖壓模具仿真
1、背景描述
當前，制造行業加工工藝的趨勢正朝著高新技術的方向發展。由于新產品、新技術的開發成本太高、開發時間過長，加上開發成果沒有保障，越來越多的公司在研發、制造過程中開始注重仿真技術的應用。采用ABAQUS對加工工藝進行模擬有著諸多優點：
數值模擬減少了耗時的原型實驗，縮短了產品投放市場的時間；
合理的參數設計可以降低對工件的損耗；
合理的坯料設計，減少了飛邊，也減少原材料的浪費；
對模具的設計、加工提供合理建議；
優化加工過程，提高產品成型質量；
采用ABAQUS進行仿真模擬的目的：
1.節約開發成本
2.加快研發速度
3.提高產品質量
2、問題描述
1、本實例是關于板件的沖壓成型仿真模擬，圖1為拉延模具三維實體，圖2為模具上模的剛性實體，圖3為模具下模的剛性實體，圖4為模具壓邊圈的剛性實體，圖5為毛坯的初始形狀，其中定義上模、壓邊圈、下模為離散剛性的，即在模擬過程中假設這幾個部件不發生變形，只有毛坯件發生變形，完成沖壓，在分析過程中定義毛坯為可變性的。
圖1 拉延模三維模型
圖2 模具上模剛性實體
圖3 模具下模剛性實體
圖4 壓邊圈剛性實體
圖5 毛坯初始形狀
2、將上述模具四部分進行裝配，其中上模在最上端，下模在最下端，壓邊圈在下模上，毛坯在壓邊圈下方下模上放著，在模具沖壓的過程中，下模固定不動，由上模向下運動來實現板料的沖壓成型，壓邊圈在上模下壓之前已將將板料壓緊，防止板料在拉伸的過程毛坯串動，和提高拉伸后型面質量。拉著板料的邊緣，使拉伸時板料不易起皺。下圖6模具為在abaqus中的裝配體。
圖6 模具裝配體
3、定義毛坯的材料屬性，進入屬性模塊，定義新材料名稱為steel，該材料的密度為7.85E-9，楊氏模量為210000，泊松比為0.31，定義塑性屬性為圖7所示，
圖7 材料的屬性定義
4、創建截面類型別殼，類型為均質的截面，同時將截面特性賦予給毛坯。定義如下圖8所示：
圖8 賦予板料單元屬性
5、定義求解時的分析步，總共定義3個分析步，第一個分析步為壓邊圈向下移動10mm，使壓邊圈和毛坯接觸。第二個分析步為壓邊圈向下移動1.0*E-01mm，使壓邊圈能夠緊緊的壓著毛坯，在沖壓的過程中能拉緊毛坯，使毛坯不易起皺。第三個分析步為上模沖頭向下移動50mm，完成沖壓過程。如圖9所示：
圖9 定義三個分析步
分析步定義的類型為動力、顯式的，時間長度為0.001，幾何非線性打開。如圖10所示：
圖10 分析步時間長度定義
6、進入相互作用管理器，創建摩擦的相互作用屬性，定義接觸屬性名稱為fric， 選擇力學-切向行-摩擦公式，選擇罰，定義摩擦系數為0.1，如圖11。
圖11 定義接觸屬性
7、定義相互作用，分別定義三個接觸，第一個是上模和毛坯下表面的接觸作用，第二個是下模和毛坯下表面的接觸作用，第三個是壓邊圈上表面和毛坯下表面的接觸作用。著三個相互作用在拉伸過程中真實的模擬毛坯沿切向的摩擦滑動。如圖12所示：
圖12 創建接觸部分的相互作用
8、進入約束管理器，創建上模、下模、壓邊圈的約束，使上模、下模、壓邊圈在仿真的過程中以剛體的形式進行仿真，即不發生彈性形變，且定義參考點，參考點為之前定義的參考點。過程如圖13所示：
圖13 創建剛形體參考點約束
8、劃分網格，由于定義的是離散剛體，所以需要對離散剛體進行網格劃分，同時毛坯件也需要網格劃分，離散剛體和毛坯的網格盡量小一些，這樣可以更準確的模擬真實的變形情況。對上述部件進行網格劃分后，應當對網格的單元類型進行定義，該實例中，定義毛坯的單元類型為顯式、殼單元S4R，離散剛形體的單元類型為顯式、離散剛性單元R3D4。毛坯和離散剛形體的選擇情況分別如圖14和15所示：
圖14 網格的劃分情況
圖15 選擇單元類型
9、定義邊界條件，為之前創建的分析步創建邊界條件，分別創建下模的完全固定邊界條件、上模的沿Y軸下移的邊界條件、壓邊圈下移的邊界條件、毛坯沿X軸固定的邊界條件。創建的邊界條件應和分析步相一致。如圖16所示：
圖16 定義運動的邊界條件
10、創建作業，進行求解。
圖17為板件沖壓過程中金屬板中Mises應力分布云圖
圖17 沖壓過程應力分布云圖
圖18 為沖壓結束金屬板中Mises應力分布云圖
圖18 板件成型應力分布云圖
從應力分布云圖中可以看出，板件在拉伸過程中兩個圓弧處發生了很大的塑性變形，由此可能造成的結果是板件的拉裂和變薄，對板件的最終質量產生不利影響。板件中間部位在拉伸的過程中產生了收縮，中間部位在成型后板件厚度方向上變形量不是很大，板件兩端沒有產生大的收縮，板件的凸處是靠塑性變形產生的。在拉伸開始前，給予壓邊圈一個向下的位移，使壓邊圈壓緊板料，之后拉伸時壓邊圈靠摩擦力拉緊板料，使成型過程中不易起皺。
圖19為拉伸過程中整個模型的動能歷史曲線。
圖19 成型分析動能歷史
數據如下圖20：
圖20 能量數據
圓弧節點處的最大、最小應力為下圖21所示：
數據如下：
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