基于MARC的铆钉冲压成形数值模拟与分析.docx

基于MARC的钏钉冲压成形数值模拟与分析机械设计制造及其口动化专业XXX［摘要］根据挤压成形的原理，结合钏钉的特点，采用冷锻成形工艺进行成形，通过 MARC有限元软件对成形过程进行数值模拟、分析重点通过改变挤压速度V及凹模过渡 圆角R,模拟钏钉成形过程中金属的成形规律及应力、应变分布情况，从而得到不同挤 压速度V、不同R下所对应的挤床力利用MATLAB强大的计算、分析功能对数据进行拟 合优化，从而获得合理的钏钉冷挤压成形的工艺参数及有效的模具设计参数［关键词］钏钉；有限元;数值模拟；拟合优化Numerical Simulation and Analysis of Rivet Ramming FormingBased on MARCMechanical Design,Manufacturing and Automaction Major XXXAbstract: According to extrusion forming's principle, combining rivet's characteristic, using the cold forging forming technics to carry on the forming, the finite element software cames on the numerical simulation, the analysis through MARC to the forming process. Mainly through change extrusion speed V and lower die transition fillet R, simulates the metal formed rule and the stress, the strain distributed situation in the rivet forming process, thus obtains the appropriate extrusion pressure which under different extrusion speed V, different R corresponds. Using the MATLAB formidable calculate, the analysis function carry on the data fitting optimization, thus obtains the reasonable rivet impact extrusion forming the technological parameter and the effective mold design parameter.Key words： rivet; finite element; numerical simulation; fitting optimization目 录1绪论 11.1课题的H的和意义 11.2课题的主要研究内容 11.3小结 12钏钉成形过程的有限元模拟与模具分析 22.1有限元技术的应用与简介 22.2有限元成形模拟技术 22. 2.1几何模型的建立和网格划分 22. 2.2有限元模拟过程 32.3钏钉冲圧成形模拟分析 42.3. 1基本参数设定 42.3.2挪钉冲压成形模拟前的分析 42.3.3挪钉冲压成形的模拟分析 52.4小结 93基于MATLAB钏钉冲压模拟数据优化拟合 93. 1 MATLAB 简介 93.2冃前有关优化拟合问题的研究和发展 93. 3 MATLAB数值拟合优化分析 103.4小结 14总结 15参考文献 16致谢 171绪论1.1课题的目的和意义长期以来，模具的设计和成形工艺过程分析主要的依据是积累的实际经验、行业 标准和传统理论。

因实际经验的非确定性、行业标准的实效性，以及传统理论对变形条 件和变形过程进行了简化，因此，对复杂的模具设计往往不容易获得满意的结果，使得 调试模具的时间长，次数多，模具结构尺寸的加大，甚至导致模具的报废，严重得浪费 了材料现代成形加工与模具制造技术正朝着高效率、高速度、高精度、高性能、低成 本、节省资源等方向发展，因此传统的模具设计方式已远远无法满足要求计算机技术 的出现发展和工程实践中对数值分析要求的日益增长，以及70年代塑性有限元理论的 发展，许多槊•性成形过程小很难求解的问题可以用有限元方法求解，使得有限元的分析 方法得到了很快的发展1960年CLOUGH首次提出后，有限元就获得了飞速的发展通过有限兀数值模拟技 术来校验工艺和模具设计的合理性已经在冷挤压成形工艺领域得到的足够的体现在模 具的设计阶段，利用有限元软件对模具进行建模和网格划分，定义合理材料参数和载荷 工况，数值模拟技术可以很直观地观察到金属流动的应力、应变、模具受力、工件可能 出现的缺陷情况这些重要的信息对合理的模具结构，模具的选材及成形工艺的参数确 定，以及方案的最终确定有重要的指导意义通过MARC有限元软件对冷徹模具进行模拟仿真分析，可以充分考虑各种成形影响 因索：挤压速度，温度，摩擦力热传递的变化，有针对性进行数值模拟和分析，选择合 适的凹模过渡出圆角R值，缩短模具的开发周期，节省材料。

1.2课题的主要研究内容1、 针对御钉金属成形过程，主要探讨金属燃性成形理论、有限元理论知识、模具 设计等问题2、 在给定的坏料儿何形状尺寸，给定材料和设备条件的情况下，利用功能齐全的 高级非线性有限兀软件MRAC对钏钉冲压成形过程的数值模拟，在考虑挤压速度V,圆角 R的影响，观察应力应变的变化，挤压力变化，成形的缺陷，获得合理的挤压力3、 对通过MARC采集到的数据用matlab进行曲线拟合优化，获得最理想的挤压速 度V和圆角半径R —组数据，从而获得无折叠及表而光滑的优质钏钉锻件1.3小结本章简述了利用有限元软件MARC进行钏钉冲圧模具设计与优化的Fl的和意义，重点指出了本课题的主要研究内容2钏钉成形过程的有限元模拟与模具分析2.1有限元技术的应用与简介有限元法起源于20世纪40年代提出的结构力学中的矩阵算法有限元是克拉夫 于1960年首次提出的开始主要作为一种动力学分析的数值计算方法，后来发展成为 求解偏微分方程边值、初值问题的一种离散化方法近20年来已广泛地用于：工程结 构、传热、流体运动、电磁等连续介质的分析，并在气象、地球物理、医学等领域得到 应用和发展电子计算机的出现和发展，使有限元法在许多实际问题的应用变成现实， 并且有广阔的前景。

有限元木质上是一种求解微分方程近似解答的手段，其核心思想是离散，即将连 续结构体假想地离散为有限数戸的单元组合体，通过对每个单元的物理性能进行分析， 然后将这些离散的单冗组集起来，重构得到原连续体的近似结构，得到满足工程要求的 近似结果MARC 全称 Marc Analysis Research Corporation,始创与 1967,是全球第一家非 线性有限元软件公司于1999年被MSC公司收购收购后，MSC公司将前Marc亚太 总部合并入MSC亚太总部，将％re北京办事出合并入MSC北京办事处，有关业务同时 并入MSC 111国相应办事处并对Marc公司的产詁进行整合使Marc与MSC的产品Nastran 更好的联合仿真和多学科求解Marc具有极强的结构分析能力，还有丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元 库它的结构分析材料库提供了结果单元、连续单元和特殊单元库为了进一步提高计 算精度和分析效率，血“提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，可自动确定 分析加载步长除此之外，Marc支持全局口动网格重划，以纠正过渡变形后产生的网格 畸变，确保多边形分析的继续有效的进行2.2有限元成形模拟技术2. 2.1几何模型的建立和网格划分由于钏钉成形的轴对称性，采用二维模型。

模型如图2-1所示1—凹模2—工件3—冲头图2-1钏钉成形过程示意图胚料定义为变形体，凹模和冲头定义为刚性体轴线定义为对称体模具几何型 面描述的H的是给成形过稈•中的钏钉配料节点的运动以精确的定位与约束，因此模具型 面的儿何描述方法不仅影响成形模拟的速度，而且还影响成形模拟的精度，在钏钉成形 有限元模拟技术中占用重要的地位划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工 作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响网格数量的多少 将影响计算结果的精度和计算规模的大小一般来说，网格数量增加，计算精度会有所 提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量吋应权衡考虑在钏钉冲压成形 模拟中采用四边形网格由于钏钉冲压成形模拟由于包含大的非弹性变形，需要采用自 适应网格技术保证结果的可靠性在这个过程中的网格自适应划分是基于拉格朗日方程 来重划分的2. 2.2有限元模拟过程1 •在处理中，依据钏钉成形的形状及实际情况定好几何模型和划分网格后，通过 MATERIAL PROPERTIES命令来定义材料的特性，屈服强度，然后施加到所有的单元上 再单击CONTACT命令进行接触定义，先定义变形体，后定义两个刚体，一个冲头(凸模), 冲头的速度和方向，一个凹模，最后定义轴对称接触体。

然后单击MESH ADAPTIVITY命 令来定义全局网格自适应划分2•在ANALYSIS分析部分中，定义LOADCASES,选中接触表、网格重划分，指定收敛判 据是相对残余力，确定加载吋间和增量步个数通过JOBS激活工况，设置接触和网格重 划分参数，在ANALYSIS OPTIONS菜单选'pLARGE DISPLACEMENT,使用更新的LAGTANGE方 法，定义AXISYMMETRIC分析，最后保存文件，运行RUN.3 •后处理在后处理中，可以通过PREV和NEXT观察每一•步模拟情况，也可以通过SCA\选择来增 量步的模拟情况，或通过单击MONT TOR來模拟工件的整个变形过程及其中的应力应变分 布的变化，同时叶可以观察到网格重划分的变化与结果单击PATH PLOTnf以定义节点 间路径的应力应变图和载荷行程图2. 3钏钉冲压成形模拟分析2.3.1基本参数设定(1) 钏钉材料为Q215,其物理参数如下：弹性模量2X108KP,泊松比v二0. 3,密度二7. 85 XW6kg/mm3,屈服强度二2.15X105KPo(2) 摩擦边界条件，工件与上下模及对称轴的间的摩擦取常剪应力模型，即弹塑性 FEM模型，摩擦因子取0. 3。

3) 压力机为自由锻水压机，工作速度100〜300mm/seco2.3.2钏钉冲压成形模拟前的分析如下图2-2,由于凹模圆角过渡处金属流动应力集中，很容易显现折叠，局部变形 严重，致使工件报废，而且对凹模的磨损严重，会大大降低模具的寿命，圆角半径微小 的变化都会使模具的寿命产生极犬变化，因此，选择合适的过渡圆角半径是优化模具的 关键在锻造过程中工件材料应变速率的分布在很大程度丄影响着微光组织结构的特 点，尤其是在结晶晶粒尺寸和再结晶体积百分比应变速率的控制常常是通过对模具速 度的控制来实现的因此，模具的挤丿玉速度V在成形优化设计中变得十分重要图2-2模型优化示意图2. 3. 3钏钉冲压成形的模拟分析由于冷挤压模具设计的圆角过小，半径大约在R二0. 5〜l.Omin,造成挤压时金展流动 在圆角处应力过于集中，容易尖角和折叠现象，模拟成形会出现废品•挤压速度设计过小 V=lOOmm/s,速度过小结晶晶粒尺寸和再结晶体积百分比，过大模具受损严重因此要 。