基于ABAQUS的减振器连接套冲孔过程仿真分析.pdf

第43卷第4期 辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol.43,No.4 2023 年 8 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)Aug.2023 收稿日期：2022-07-07 作者简介：沈 彪(1997-)，男，河北保定人，硕士生。张德强(1964-)，男，河北石家庄人，教授，硕士。DOI:10.15916/j.issn1674-3261.2023.04.004 基于 ABAQUS 的减振器连接套冲孔过程仿真分析 沈 彪，张德强，国世帅，孙文豪，姜亚通（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）摘 要：减振器连接套孔的冲孔过程是一个非常复杂的变形过程，其有着变形区很小、冲裁力较集中的特点，还伴随着板料的断裂问题。为了进一步分析减振器连接套孔的冲孔过程和力学性能，通过非线性有限元软件ABAQUS 对冲孔过程进行仿真，得到冲孔过程中主要变形区的应力应变分布情况，分析了冲裁力的变化规律，并与经验公式算出的结果进行对比，可以说明有限元软件 ABAQUS 模拟仿真的可行性，为冲裁工艺参数的优化等提供理论依据。关键词：减振器；冲裁力；ABAQUS；有限元分析；应力应变 中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2023)04-0228-04 Simulation Analysis of Punching Process of Shock Absorber Connecting Sleeve Based on ABAQUS SHEN Biao,ZHANG De-qiang,GUO Shi-shuai,SUN Wen-hao,JIANG Ya-tong（College of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）Abstract:The punching process of connecting sleeve of shock absorber is a very complex deformation process,which has the characteristics of small deformation area,concentrated punching force accompanied by sheet metal fracture.In order to further study the punching process and mechanical property of connecting sleeve of shock absorber,the punching process is simulated by non-linear finite element software ABAQUS.It can obtain the stress and strain distribution in the main deformation area during punching process,and can analyze the variation of punching force and compare with the results calculated by empirical formula,which can illustrate the feasibility of simulation by finite element software ABAQUS and provide theoretical basis for optimization of punching process parameters.Key words:shock absorber;blanking force;ABAQUS;finite element analysis;stress and strain 减振器多数应用于汽车，其作用是使汽车的振动降低，用来改善行驶平顺性。减振器还可以增大车轮的附着力，过滤路面的振动，使得汽车经过不平路面更加的平缓1。随着中国汽车行业的蓬勃发展，冲压新工艺也一直在创新，对生产的节拍要求也越高，对操作者等保护措施要求也不断提高2。汽车冲压件的类型也越来越多，减振器连接套作为一个连接件起着重要的作用。在整个冲裁过程中，首先在应力集中区出现裂纹，受拉应力的作用裂纹快速扩展，从而使得板料分离。在考虑冲裁模具使用寿命时，就要对冲裁力进行详细的分析。吴小蓉等3通过仿真软件 ANSYS对厚为 2 mm 的紫铜板料模拟了冲裁过程，通过实验结果，分析了冲裁过程中冲裁力随时间变化关系。Stegeman 等4对冲裁过程中的位移场和应变场进行了研究，并采用 2 种不同的冲裁间隙对钢试件第 4 期 沈彪等：基于 ABAQUS 的减振器连接套冲孔过程仿真分析 229 进行了分析，得到了两种间隙的载荷位移曲线，证明了数值模拟与实验结果吻合较好。利用有限元软件 ABAQUS 对减振器连接套冲裁过程进行数值模拟，可得应力应变分布情况、冲裁力随时间变化的曲线，分析冲裁力受影响的关键因素，为冲裁工艺参数的优化提供合理建议或理论依据。1 总体方案分析 冲裁过程的流程如图 1 所示。图 1 总体方案框架 本文主要研究了冲裁变形过程、冲裁过程建模及冲裁力的变化情况。并用有限元软件 ABAQUS进行了模拟仿真，为冲裁工艺参数的优化等提供理论依据。2 减振器连接套冲裁过程模拟分析 2.1 冲裁变形过程 冲裁过程历经弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段三个阶段，最大冲裁力是出现在塑性变形阶段，故详细分析冲裁过程中塑性变形阶段的冲裁力对选用冲裁设备具有一定的意义。冲裁板料的变形过程如图 2 所示。(a)弹性变形 (b)塑形变形 (c)塑性变形 (d)断裂分离 (e)断裂分离 图 2 冲裁变形过程 当冲头与板料接触后，材料进入弹性变形阶段(图 2(a)，此时板料受到弯矩和压力，会使板料发生弹性压缩、弯曲与拉伸变形5；随着冲头行程的不断深入，冲头刃口附近的材料达到屈服强度就会进入塑性变形阶段(图 2(b)、(c)，逐渐地，冲头刃口处板料的应力先会增到极限，就会发生裂纹6；冲孔过程继续进行，材料进入断裂分离阶段(图2(d)、(e)，一直到上下裂纹相遇，会使板料产生断裂分离。2.2 减振器连接套冲裁过程模型的建立 ABAQUS 软件计算的核心是它的两个求解器，分别为隐式分析 ABAQUSStandard 和显示分析ABAQUSExplicit，两者是相互完善的、相互补充的。显示分析求解器适用于模拟短暂、瞬时的动态事件，以及求解冲击和其他高度不连续问题。冲裁过程是瞬时的，故选用 ABAQUSExplicit 求解器。2.2.1 几何模型建立与量纲系统 在构建模型之前，选择合适的量纲系统是非常有必要的。ABAQUS 没有默认的单位制，常用的量纲系统有 SI、SI（mm）、US Unit（ft）、US Unit（inch）。本文选用的是 SI（mm），长度 mm、载荷 N、质量t、时间 s、应力 MPa、能量 mJ。由于冲裁过程比较复杂，所以在建立有限元模型时，要考虑网格划分的方法及计算机的运算强度等因素，就有必要对模型进行一定的简化。简化后模型如图 3 所示，d 为冲头直径，v 为冲头速度，c为冲裁间隙。图 3 板料冲孔模型 文中减振器连接套材料为 Q235 钢，冲头材料为 40Cr，由于冲头的硬度远远大于减振器连接套的硬度，所以在建立模型时，将模具看作是刚体，这样可以减少计算机运行时间。材料力学参数如表 1 所示。表 1 板料、模具的材料力学参数 材料 密度/(tmm-3)弹性模量 E/MPa 泊松比 屈服强度/MPa Q235 钢 7.8910-9 206000 0.3 235 40Cr 7.8210-9 206000 0.29 785 2.2.2 网格划分 在模拟分析时，网格的划分方式对仿真结果会产生一定的影响。通常情况下，网格的疏密会影响计算结果的精度和计算时长。冲裁间隙区变形比较大，要设置单元删除的方法实现断裂分离，剪切区网格的疏密对仿真结果有着较大的影响7。故而，在能保证达到仿真结果精度的前提下，对板料的断d 1-冲头 2-板料 3-凹模 c v 230 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷 裂部位进行网格加密化8，最小网格尺寸为 0.01 mm，而在距离中心间隙较远的部位网格密度较小，冲裁模具约束为刚体，网格划分可粗略。所以有限元模型选取四节点四边形单元 CAX4R，网格划分模型如图 4 所示。图 4 网格划分 2.2.3 接触边界条件与约束载荷 本文采用施加速度控制方式，冲头只保留一个自由度，即竖直方向，其余自由度都要被限制，凹模设置为完全固定，表示板料是在一个支撑面上。冲头与板料间的接触设置为面面接触，由约束为刚体的冲头外表面作为主面，板料表面作为从面，从面是可以被穿透的。法向接触参数为硬接触，切向接触参数为罚函数，摩擦系数为 0.15。非线性动力学问题中比较突出的特点是载荷随时间变化，为了降低运算时间，在冲头开始接触板料时开始计算，冲头位移的大小与板料厚度相同，故整个冲裁过程的相对运动就构成了。初始速度 15 mm/s，本次模拟仿真的是减振器连接套，孔径为 12 m，厚度为 3 mm，冲裁时间为 0.2 s。2.3 冲裁过程的仿真结果分析 对于整个冲裁过程，冲裁模具间的板料受力最大并且变化比较剧烈9，对于冲裁加工，变形区非常的狭小，几乎不能用实验的方式去研究，随着有限元仿真的快速发展，应用有限元技术可以获得精确的变形区的应变场、应力场10。以下就对冲裁过程的应力应变仿真的结果进行分析。随着冲头的不断深入，从接触板料到冲裁完成，整个冲孔过程分为 200 步。在此过程中伴随着裂纹的形成、发展及断裂。首先，板料在冲头的作用下发生弹性变形，当冲头达到第 15 步时，板料达到材料的屈服极限，弹性变形结束，开始塑性变形；当冲头达到第 25 步时，板料首先模具刃口处发生裂纹，直到上下裂纹汇合到一起；当冲头达到第 38 步时，冲孔过程才完成。2.3.1 等效应变分析 等效应变是描述金属变形程度的一个参数，等效应变图见图 5。(a)冲头接触板料 (b)板料产生裂纹 (c)板料裂纹重合 (d)完全断裂 图 5 等效应变图 从图 5(a)可看出，板料要发生较大的变形，这是由于冲头与板料接触边缘是发生最大等效应变的地方；从图 5(b)可看出，该阶段已经开始了塑性变形；从图 5(c)可看出，板料变形明显，也开始出现裂纹；从图 5(d)可看出，冲裁的过程基本结束。从以上 4 个等效应变图来看，在凹模与冲头刃口边缘的应变最大，整个冲裁过程中变形非常集中，在凹模与冲头的间隙区及附近较小范围内。2.3.2 等效应力分析 等效应力是表示压力的大小作用在板料上的一个参数，等效应力见图 6。从该图可看出，冲头与板料接触边缘应力最大，等效应力与等效应变的分布相同。从图 6(a)可看出，冲头对板料施加压力，第 4 期 沈彪等：基于 ABAQUS 的减振器连接套冲孔过程仿真分析 231 (a)冲头接触板料 (b)板料产生裂纹 (c)板料裂纹重合 (d)完全断裂 图 6 等效应力图 导致板料与冲头接触区应力大幅增加；随着冲头的不断深入，当冲裁力增到图 6(b)的位置，边缘等效应力便出现最大值；从图 6(c)可看出，板料的内部应力继续增加，其变形也特别明显；直到图 6(d)冲头的行程，整个板料的孔形状也就基本确定。2.3.3 冲裁力变化分析 随着时间的变化，冲裁力的曲线如图 7 所示。从图中可看出其变化的趋势。当冲头深入板料0.15 mm 之前，冲裁力快速增大，此阶段属于材料的弹性阶段(a 到 b)；当冲头深入达到 0.027 5 mm之前，冲裁力增大速度变得缓慢，此阶段材料开始 图 7 冲裁力随时间变化曲线 发生塑性变形，直到冲头深入 0.037 5 mm 时开始有裂纹产生(b 到 c)；裂纹缓慢从上下刃口处向中间靠近，冲裁力的变化情况不是很明显(c 到 d)；直到上下裂纹汇合，冲裁力很快变为零，板料的冲孔过程基本结束(d 到 e)。影响冲裁力的因素有很多，综合考虑材料的力学性能、冲裁板料的轮廓周长、板料的厚度及冲孔间隙等因素，冲头为平刃口的冲裁力有如式(1)所示的经验公式。F=KLt(1)式中：F 为冲裁力最大值，N；L 为冲裁板料的轮廓周长，mm；t 为板料的厚度，mm；为材料的抗剪强度，MPa；K 为考虑各种因素影响的修正系数。由经验公式算出板料厚度为 3 mm 的冲裁力为33.9 kN。可以看出，模拟仿真的冲裁力大小与经验公式算出的结果相差不大，说明了有限元软件ABAQUS 模拟仿真的可行性。3 工艺参数对冲裁力的影响 3.1 冲裁间隙对冲裁力的影响 冲裁间隙是指冲头与凹模刃口之间的距离，是冲裁过程中影响冲裁力的最重要的因素。冲裁间隙过小，会使得金属材料与模具之间摩擦严重，冲裁力急剧增大，从而导致减小模具使用寿命；冲裁间隙过大，会使得板料被拉入凹模，虽然冲裁力会变小，但是会产生的比较大的毛刺，大大降低了截面质量。3.2 冲裁速度对冲裁力的影响 冲裁速度也是影响冲裁力的一个因素，在一定范围内，冲裁速度越大冲裁力越小。但是冲裁速度过大的话，冲裁过程中产生的温度就很高，会影响金属板料塑性变形，还会影响模具的磨损程度。(下转第 238 页)d c b a e 冲裁力 F/kN 时间/s 238 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷 的分析及思考J.资源节约与环保,2021(8):128-131.2 Yan B,Fan P,Lei X,et al.A Real-Time Apple Targets Detection Method for Picking RobotBased on Improved YOLOv5J.Computer Vision and Pattern Recognition,2021,39(20):152-160.3 王莉,何牧天,徐硕,等.基于 YOLOv5s 网络的垃圾分类和检测J.包装工程,2021,42(8):50-56.4 李成.基于改进 YOLOv5 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