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      金屬板扭接的有限元模擬

      金屬板扭接的有限元模擬

      A.A. de Paula a, M.T.P. Aguilar b, A.E.M. Pertence c, P.R. Cetlin a,?

      a Department of Metallurgical and Materials Engineering, UFMG, Rua Espirito Santo 35, 2o Andar, 30160-030 Belo Horizonte, MG, Brazil b Department of Materials and Construction Engineering, UFMG, Rua Espirito Santo 35, 2o Andar, 30160-030 Belo Horizonte, MG, Brazil c Department of Mechanical Engineering, UFMG, Cidade Universita′ria, Pampulha, Belo Horizonte, MG, Brazil

      Received 5 June 2006; received in revised form 19 July 2006; accepted 21 August 2006


      摘要

      利用有限元分析(FEA)對各種沖壓模具幾何形狀的連接方法進行了模擬。仿真研究了 這些變化對關節咬邊和頸厚的影響。確定了沖模組的相關幾何參數。并模擬了法向力作用下的關節分離;由于模擬過程中涉及到薄板彎曲問題,提出了一種計算分離力的新方法,消除了分離過程中的薄板彎曲問題。確定 了適當的咬邊對接頭強度的重要性。

      ? 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.


      1. 介紹

      薄板連接是薄壁結構制造的基礎。傳統的連接 方法包括螺釘、鉚釘或焊接。鉚釘和螺釘 需要預先沖孔或鉆孔的板材和目前困難的控制連接壓力。焊接需要對材料進行局部加熱,這可能導致材料力學性能的變化。薄板連接的另一 種方法稱為緊箍[1 - 6],它包括薄板的局部冷變形,機械變形,如圖1中圓形連接區域所示。.

      壓緊類似于薄板成形操作;然而,材料幾乎沒有從固結區域向節理方向流動。因此, 操作的初始步驟基本上對應于材料的純拉伸。與 傳統的鈑金成形相比,鉸接的一個根本區別在于,在模具和接頭底部的沖頭之間有一個對相鄰板材的有意鍛造。在接頭的底部, 將要連接的兩片薄板的總厚度減少到其初始厚度的一小部分,典型的厚度減少幅度為60%。兩 塊薄板的壓縮導致徑向運動。

      如圖1所示,模具內的凹槽的填充情況。最終的接合關節的一般幾何圖形如圖2所示,其中關節的重要特征也顯示在[6]中。

      關節的一個重要特征是分離薄片所需的力。這 個力取決于脖子的厚度和咬邊,如圖2所示。細頸會導致薄片分離,包括頸部上薄片斷裂。小的凹槽 導致低的分離力,與垂直滑動分開的兩頁。采用兩種方法對連接進行了試驗,如圖3所示[4]。

      薄板的分離(圖3(a))涉及到薄板彎曲,這有利于接頭的開口和薄板的分離。另- -方面,圖3(b)下的剪切荷載與圖3(a)下的加載完全不同,對兩種試驗結果的比較可能比較困難。

      Mota和Costa[4]比較了鎖緊(使用TOX模具)和點焊接頭在汽車用低碳鋼板中的性能。節點直徑為8mm,節點底部厚度減小84%,最終值為0.2 mm。作者采用 了兩種測試方法,如圖3所示。在剪切作用下(圖3(b)),扭接接頭的強度比點焊接頭弱50%。在分離載荷作用下, 鉸接接頭比點焊接頭弱70%(圖3(a))。.

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      圖1. 連接的橫截面視圖。


      2. 仿真程序

       

      公司的有限元軟件DEFORM-2D進行了仿真。在塑性流動公式中, 需要滿足的基本方程是平衡方程、不可壓縮條件和本構關系。為避 免材料不可壓縮條件下的變形鎖定,對二維四邊形單元采用罰積分法和選擇積分法。在應用 罰元法時,速度是主解變量。變分方程為::


      Varis[1,2]測試了不同厚度的高強度結構鋼板在剪切作用下的鉸接節點(圖3(b)) 組合。并進行了計算機模擬,以驗證所提出的程序。并進行了計算機模擬,以驗證所提出的程序。.

      本文的目的之一是利用有限元方法,模擬了連接模具和沖模幾何形狀的變化對連接接頭的材料流動、順向頸厚和下凹的影響,并直接影響連接強度。此外,還對分離方法進行了有限元分析,該分離方法消除了圖3(a)所示的分離測試方法中所包含的薄板彎曲問題。


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      圖3所示。扭接接頭強度的測試方法:(a)脫扣法和(b)剪切法。

      式中 ν是速度, Fi 面力, σˉ , εˉ, εˉ˙,分別是有效應力,有效應變,有效應變率。 V 和 S 是變形工件的體積和變形工件的表面. K是較大的懲罰值,使溶液中的膨脹應變速率最小。采用改進的拉格朗日有限元方法求解變分方程。 只要有必要,在用戶可以更改的控件下自動執行重定向。.

      基本模擬的接合幾何如圖4所示。 其他模擬包括槽的幾何形狀的變化,以及模直徑(d)和沖頭直徑(d)和形狀的變化。 本文沒有考慮底部厚度或模具深度的變化。板材材質為1100鋁合金每個厚度0.5毫米。 該材料的流量曲線由軟件給出,如圖5所示。 這種材料被認為是純塑料的,而沖孔和模具被認為是剛性的。

      仿真考慮了軸對稱問題,允許其僅由一半的模具表示,如圖4所示。 沖頭以8mm /s的速度向下移動,直到底部厚度達到0.4 mm(減少60%)。 由于薄板的塑性變形,兩者接觸時的摩擦系數取0.4。取模具為剛性,模具與板材之間的摩擦系數為0.12。 每個表格的網格中有534個元素和630個節點。模擬步驟數設置為150步,每步1.167個10秒。

      由圖4中描述的基本幾何圖形生成的接合關節進行了分離模擬。

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      圖4所示.模擬連接的基本幾何圖形(尺寸單位:mm)。角 半徑為02毫米。.


      這些如圖3(a)所示,包括鋼板的分離和一種新方法,包括圍繞接頭的上半徑將.上鋼板粘結到沖頭上,以及將下鋼板粘結到模具上。在模具中沒有橫向支撐, 允許下片的水平移動,類似于實際的扭接。新的分離方法如圖6所示。工具 與板材的結合涉及高摩擦系數和模具、沖床與板材之間的高接觸壓力。然后沖孔速度倒轉, 而機器人-湯姆模具保持固定。增加了模擬的步驟數,使兩張紙完全分離。.

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      圖. 5. 鋁1100(塑料區)流量曲線

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      圖. 6. 用于分離模擬的改進模具

       

      3. 結果與討論

       

      3.1. 加入仿真改變了模具和沖頭的幾何形狀


      基本幾何圖形的仿真結果如圖7所示。 可以看出產生了一個小的咬邊,模具槽沒有完全填滿。頸部厚度相對于原始上片厚度也有所減少。 然后進行了十次其他模擬,每一次模擬都涉及到?;蛲鼓V械囊?種幾何變化,如表1所示。

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      圖7. 模擬與基本沖頭和模具接合后的板材幾何形狀。


      Table 1

      從基本的接合幾何圖形開始的幾何圖形的變化。. Geometry Change

      1 槽厚度降低

      2 錐形穿孔機

      3 圓錐沖頭,斜槽

      4 沖頭略呈圓錐形,坡口厚度增加

      5 模具直徑(d)縮小

      6 凹槽厚度略有減小,沖頭略呈圓錐形

      7 坡口厚度略有減小,沖頭端徑減小

      8 凹槽深度減小,傾斜,沖頭略呈圓錐形

      9 凹槽深度減小,沖頭略呈圓錐形

      10 凹槽深度大大減小,沖頭略呈圓錐形


      圖8定性地顯示了模擬中使用的所有幾何圖形的結果。每個圖中的數字對應表1的情況。坡口厚度 的減小(圖8(1))并沒有引起節理幾何形狀相對于基本節理的顯著變化。一個圓錐沖頭(圖8(2))導致比圖7更高的脖子厚度,但沒有咬邊。在上片也觀察到一個變薄的區域(見箭頭),這削弱了關節。一個圓錐沖頭,與一個斜槽(圖(3))減輕了在圖8(2)中討論的減薄效果,但咬邊仍然是不存在的。減 小凸模的圓錐度和增加坡口厚度(圖8(4))實際上消除了上片的細化,并導致一個小的下凹,類似于基本幾何形狀的情況。

      模具直徑的減小(圖7中的d)增加了咬邊,如圖8(5)所示。這也可以觀察到與沖頭小圓錐度相關的凹槽厚度略有減少(圖8(6))。通過減小沖頭 直徑(d)也可達到類似的情況,如圖8(7)所示。 圖8(8 -10)中的模具幾何形狀表明,減少凹槽深度和改變其形狀并不會促進更好的咬邊,實際上增加了副線向上流動和提升板材的趨勢,因為凹槽在沖頭到達其最終位置之前被填充。斜坡似乎不是一個重要的參數。.

      所有的結果顯示在圖8中不顯示的話,可以聯合幾何形狀的變化,與基本的一個(見圖7)。兩個最終打孔/模具幾何變化模擬:圖9(1)對應于圖8(9),但是打了附近的一個突出它的角落里,和表進行一些限制了向_上的運動。圖9(2)與 圖8(10)相對應,同時也顯示了穿孔角的突起。在這兩種情況下, 關節咬邊明顯高于基本幾何。圖9(1)中較深的槽允許在高模具壓力 下更安全的操作條件,因為槽沒有完全填充。此外, 對薄板向上運動的限制被認為可以導致更好的節理幾何。.

       

      3.2. 分離模擬

       

      如圖10所示為根據圖3(a)所示的鉸接分離情況。關節使用 了基本的接合工具(見圖4),圖10只顯示了關節的一半,因為模擬軸對稱。一個明確的彎曲的薄片可以觀察,這往往破壞的關節咬邊。


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      圖 8. 模擬板料的幾何形狀后,與各種幾何修改的沖頭和模具。


      在仿真中得到了鉸接分離時所使用的分離力,如圖11所示。達到最大值76?N后,載荷逐漸減小。利用另一個分離模擬圖6中描述的幾何形狀和方法。消除薄板彎曲,分離時的載荷曲線如圖12所示。


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      Fig. 9.改進的穿孔,在他們的驕傲羅顯示突出unches, displaying a protrusion at their corner.

       

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      圖10. 用分離的方法分離接合的接頭。

      圖12中的最大載荷為137n,明顯高于分離關節時的載荷。在計算節點強度時, 考慮了薄板彎曲的有害影響。圖12中載荷-時間曲線的不規則方面可能與分離模擬過程中沖模和板料之間接觸定義中的許多問題有關。

      根據圖6所示的方法,也對9-1和9-2的幾何形狀進行了分離。載荷時間 曲線也呈現出已經討論過的預期不規則性,最大分離載荷為310和260 N, 這就證實了增加的咬邊對扭接強度的作用。

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      圖. 11. 分離負載曲線。

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      圖. 12. 分離負載曲線。


      4. 結論


      與基本的連接沖模/模組不同,在沖模錐度和端部直徑、模具直徑和凹槽厚度、形狀和深度等方面的變化并沒有給接頭的凹口帶來有益的變化,但可能會引起頸厚問題。凸角的引入,與略微圓錐形的模具和凹槽深度的減少,以及限制了板的向上運動,導致了加強了連接的下凹。

      用分離的方法對接合的接頭進行測試,涉及到一種薄板彎曲部件,它可以降低分離力。在沒有彎曲的情況下,關節分離的模擬結果表明,關節分離力更大。加強的 下凹與較高的分離力在接合關節。


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