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板材剪切与冲裁加工过程有限元模拟及实验研究

作　者: 秦泗吉
导　师: 李硕本
学　校: 燕山大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 剪切与冲裁周期对称模型有限元及网格重划冲裁力塌角位移测量断裂
分类号: TG386
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

板材、线材、棒材、管材及其它异型材等都可用剪切的方法进行加工。剪切加工是冲压生产的重要方式之一。在各种剪切加工中，板材的剪切加工最简单，应用也最广，它不仅可作为其它冲压加工方法的准备工序，合理设计模具和工艺参数，还可直接得到精度很高的零件。由于在板材的剪切加工过程中材料的变形集中在很小的区域内，且以断裂方式告终，使得这一过程非常复杂。对这个问题的深入研究需要解决许多基础技术问题，包括实验过程中的几何量测量、有限元模拟的网格重划技术、与实际相符的断裂判据等。由于存在很多困难，在剪切加工方面所作的理论研究工作很少。而理论研究工作的不足，又制约了生产的发展。随着剪切加工方法的广泛应用和使用要求的提高，对冲压制件的质量要求越来越高；与之相对应的理论研究，也显得越来越紧迫和重要。根据相似理论说明了冲裁力与板厚成正比所满足的条件。这一结果可用于指导进一步的有限元计算和实验研究。对符合周期对称条件的板材剪切加工模型进行了分析，提出了模型的简化方法，指出了剪切与冲裁加工的多数情况是符合或接近周期对称的，因此，可进一步将这些问题简化成周期对称问题处理。此方法不仅可使这类问题用有限元分析的工作量大大减少，而且可根据需要选择模型的对称边界形状。由大变形弹塑性有限元的基本理论，针对剪切或冲裁加工所研究的平面或轴对称问题，提出了网格重划的新方法。该方法是在ANSYS有限元分析软件的基础上，对新旧网格间的信息传递进行了恰当的处理，利用ANSYS参数设计语言(APDL)编程实现的。这为随后的剪切加工过程的有限元模拟奠定了基础。针对板材剪切与冲裁加工的特点，设计了一种应变片式位移传感器。传感器可根据需要对量程进行调节，且相对精度不变，特别适于中小位移的测量，结合数据采集系统可在材料试验机上实现不同厚度的板材剪切加工或精密冲裁实验的位移测量。这为用实验方法研究板材剪切加工过程提供了保证。用有限元分析的方法得到了某一变形时刻变形区内的应力、应变的分布情况，包括各种变形参数条件下的应力应变分布的全貌，及特征点、特征线上的应力、应变，可作为进一步分析板材剪切加工过程的基础。根据有限元分析得到的特征线上最大剪应力的方向，按照裂纹扩展的规律并结合实验结果，提出了确定最佳冲裁间隙的方法，对不同冲裁间隙进行了分析，得到了最佳冲裁间隙，可作为确定合理冲裁间隙的依据。用有限元分析和实验研究的方法，对多种材料进行了计算或实验，得到了剪切力与凸模行程的关系曲线，进而分析了冲裁力与板厚的关系，指出了板材剪切与冲裁加燕山大学工学博士学位论文工过程中的冲裁力与板厚并不成正比，单位厚度上的冲裁力随着板厚的增大而减小，并对这一现象进行了解释，且根据有限元分析和实验结果，提出了计算冲裁力的新方法，构造了新的计算冲裁力公式。用有限元分析的方法，计算得到了剪切加工断面的塌角与凸模行程及材料硬化指数的关系，并用实验加以验证。分析表明，当上模行程相同时，虽然根据体积不变条件可以得出塌角部分的材料量不变，但对于不同硬化指数的材料，塌角高度随硬化指数的增大而增大，塌角部分的水平尺寸随硬化指数的增大而减少。理论分析和实验研究表明，板材剪切加工涉及到许多复杂的问题，对这些问题进行分析和研究，可以揭示剪切加工过程中的变形机理和裂纹扩展机制，及寻求促进或抑制裂纹扩展的措施，预测或控制剪切制件的端面特征，有助于提出新的剪切或冲裁加工工艺等，对相关问题还需要作许多更深入细致的工作。

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-14
第1章绪论  14-30
  1．1 板材剪切与冲裁加工概述  14-20
    1．1．1 板材剪切加工工艺原理  15
    1．1．2 剪切区力态分析  15-17
    1．1．3 剪切裂纹的形成与发展  17-18
    1．1．4 剪切断面分析  18-20
  1．2 影响剪切与冲裁加工的因素  20-22
  1．3 板材剪切加工在冲压生产中的应用及精密冲裁  22-25
  1．4 板材剪切与冲裁加工研究现状及本文的选题意义  25-29
  1．5 本文的主要研究内容  29-30
第2章板材剪切加工的模型及有限元分析基础  30-56
  2．1 引言  30-31
  2．2 基于相似理论的模型分析  31-33
  2．3 符合周期对称条件的剪切与冲裁加工的模型分析  33-39
    2．3．1 一般周期对称问题  33-35
    2．3．2 符合周期对称条件的剪切与冲裁加工的模型分析  35-38
    2．3．3 基于周期对称条件的有限元分析模型的建立及简化  38-39
  2．4 有限元分析模型  39-41
    2．4．1 几何模型  39-40
    2．4．2 材料模型  40-41
  2．5 有限元分析的塑性理论基础  41-44
    2．5．1 屈服准则  41-42
    2．5．2 流动准则  42
    2．5．3 硬化准则  42-43
    2．5．4 加载与卸载  43
    2．5．5 弹塑性本构方程  43-44
  2．6 基于ANSYS的二维网格重划技术  44-50
    2．6．1 ANSYS有限元分析软件简介  45-46
    2．6．2 网格重划技术的实施方法  46-48
    2．6．3 计算程序框图  48
    2．6．4 局部网格重划  48-49
    2．6．5 网格重划方法的计算验证  49-50
  2．7 断裂问题的处理  50-51
  2．8 其它几个技术问题的处理  51-55
    2．8．1 非线性问题的处理  51-52
    2．8．2 非线性迭代的收敛判据  52-53
    2．8．3 接触问题的处理  53-54
    2．8．4 摩擦问题的处理  54-55
  2．9 本章小结  55-56
第3章板材剪切与冲裁加工过程有限元分析  56-83
  3．1 引言  56
  3．2 应力应变分析  56-70
    3．2．1 应力应变分布  57-62
    3．2．2 特征点处的应力应变  62-67
    3．2．3 特征线上的应力应变  67-68
    3．2．4 特征线上的最大剪应力及最大剪应力的方向  68-70
  3．3 板厚对冲裁力的影响  70-76
    3．3．1 计算冲裁力的传统方法  71-73
    3．3．2 不同板厚情况下的剪切力行程曲线  73-74
    3．3．3 板厚对冲裁力的影响  74-76
  3．4 间隙对冲裁力的影响及最佳冲裁间隙  76-80
    3．4．1 不同间隙情况下的剪切力行程曲线  76-77
    3．4．2 根据刃口连线上的最大剪应力的方向确定最佳冲裁间隙  77-80
  3．5 板材硬化指数对塌角的影响  80-82
  3．6 本章小结  82-83
第4章板材剪切加工的实验系统及实验方法  83-92
  4．1 引言  83
  4．2 板材剪切加工实验系统  83-86
    4．2．1 实验模具  83-84
    4．2．2 数据采集系统  84-86
  4．3 调节式位移传感器设计  86-88
    4．3．1 板材剪切加工实验对位移测量的要求  86
    4．3．2 调节式位移传感器结构及工作原理  86-88
  4．4 板材剪切加工实验测量系统的标定  88-89
  4．5 实验材料  89-90
  4．6 本章小结  90-92
第5章板材剪切加工过程实验研究  92-104
  5．1 引言  92
  5．2 剪切力行程曲线  92-94
  5．3 冲裁力影响规律的实验研究  94-102
    5．3．1 影响冲裁力的因素  95-96
    5．3．2 间隙对冲裁力的影响  96-97
    5．3．3 板材厚度对冲裁力的影响  97-99
    5．3．4 冲裁力的计算方法  99-102
  5．4 塌角影响规律的实验研究  102-103
    5．4．1 塌角与行程的关系  102
    5．4．2 塌角高度与板材厚度及硬化指数的关系  102-103
  5．5 本章小结  103-104
结论  104-106
参考文献  106-112
攻读博士学位期间所发表的论文  112-113
致谢  113

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