钣金成型例题讲解
一、背景
当前，制造行业加工工艺的趋势正朝着高新技术的方向发展。由于新产品、新技术的开发成本太高、开发时间过长，加上开发成果没有保障，越来越多的公司在研发、制造过程中开始注重仿真技术的应用。采用ABAQUS对加工工艺进行模拟有着诸多优点：
1.数值模拟减少了耗时的原型实验，缩短了产品投放市场的时间；
2.合理的参数设计可以降低对工件的损耗；
3.合理的坯料设计，减少了飞边，也减少原材料的浪费；4.对模具的设计、加工提供合理建议；5.优化加工过程，提高产品成型质量；采用ABAQUS进行仿真模拟的目的：1.节约开发成本2.加快研发速度3.提高产品质量
二、问题的描述
本实例模拟油箱的冲压成型过程。图1为实际的油箱形状，是由两个如图2所示的结构组成，考虑冲压成型过程中，它的结构的对称性，我们通过建立图3所示的结构，对其进行模拟分析，达到分析整个油箱成型分析的目的。首先，我们将通过ABAQUS/CAE完成图4所示的装配图，其中平面铝板将被冲压成型为图3的结构。
1
图2
图3
图1
成型模具－阳模
压边条
金属板
成型模具－阴模 图4
三、建立模型
3.1创建成型模具－阳模
1、首先运行ABAQUS/CAE，在出现的对话框内选择Create Model Database。
2、在主菜单model中命名新建模型为Forming example，并保存文件为examle_forming.cae。
3、从Module列表中选择Part，进入Part模块。
图5
出现这样一
4、选择Part→Create来创建一个新的零件。在提示区域会
2
个信息。
5、CAE弹出一个如图5的对话
框。将这个零件命名为punch，确认Modeling Space、Type和BaseFeature的选项如下图。输入300作为Approximate size的值。点击Continue。ABAQUS/CAE初始化草图，并显示格子。
6、在左侧工具条上点击 ，在提示栏中依次输入下表的坐标点，采用图标 连接1和2点、6和7点，采用
连接图中2、3、4点和4、5、6点。曲线不用闭合。点击按
钮Done，在弹出的对话框中输入拉伸长度为296，创建拉伸壳，如图6所示。
1 2 3 4 5 6 7 x -150.0 -102.47 -93.46 -84.76 1.57 34.2 34.2 y -31.1 -31.1 -30.28 -27.86 39.73 144.40 200.00 图6
7、在工具条选择Tools→Datum…，在弹出的对话框中选择Type:Plane，Method:3points，
点击OK。依次选择不在同一直线上的三个点，如下图7所示，如果想修改点的选择，可以在第三个点选中之前点击提示栏的箭头，
回退到上一步继续选择。创建的参考平面如下图8所示。
3 2 1 3
图7 图8
8、在主菜单上选择Shape→Shell→Revolve。在提示栏下拉菜单选择vertical and on the right，然后选择上图右所创建的上部的垂直线段，进入平面绘图视图。
9、采用图标 和 连接图中各点（如步骤6所述顺序），曲线不用闭合。
在
主
菜
单
上
选
择
10、
Add→Construction→Verticle，通过曲线最左边线段上的任何一点点击鼠标左键，然后点击提示栏上的Done按钮。在弹出的对话框中默认角度为90度，点击OK完成操作。形成的图形如图9所示。如果旋转方向跟默认的方向不同，可以通过点击Flip按钮改变该方向。
图9
11、保存文件。
3.2创建成型模具－阴模
阴模为一个刚性壳体。下面我们通过先生成一个变形实体，然后由ABAQUS/CAE的实体直接生成壳体，然后再赋予它刚体属性来完成阴模的创建。
1、选择Part→Create创建新零件。
2、在弹出的对话框中输入名字：dieoriginal，选择3D、Deformable、Solid、Extrusion。输入1000作为Approximate size的值。点击Continue。ABAQUS/CAE初始化草图，并显示格子。
3、在左侧工具条上点击 ，以（-180,-10），（180,10）为顶点画出一个矩形，可以通过在提示栏中依次输入坐标点，也可以用鼠标直接在视图中点击完成，确定拉伸长度为660，创建拉伸实体，如图10所示。
4、同步骤1、2、3操作，生成一个296×185.5×20的变形体实体零件diecut，在此基础上以185.5×20的表面为基准面生成一个旋转实体，步骤类似于生成punch零件时的第9、10步。生成的实体如图11所示。
4
图10 图11
5、进入Assembly模块，从主菜单中选择Instance→Create，在Create Instance对话框中选择dieoriginal和diecut，并选中Auto-offset from other instances，点击OK。如图所示。
图12
6、从主菜单中，选择Instance→Translate，选中零件diecut，提示栏区域会提示选择平移的起始点，点击平板壳的左上角的顶点，然后再点击零件die的左上角顶点（如图13所示的①和②），得到的结果如图14所示。
2 1 5
图13 图14
7、从主菜单中，选择Instance→Merge/cut，输入die作为生成的新零件，选择Cut geometry，并选中Suppress original instances，点击Continue…按钮。在视图中，选择dieoriginal零件作为被切割零件，选择diecut作为切割零件，点击Done。完成后的图形如图15所示。
图15
8、进入Part模块，对die零件的切割边进行倒角操作。从主菜单中选择选择Shape→Bland→Round/Fillet，选择如图16所示的两条边，输入圆角半径15，回车。
需要倒圆角的边
图16
图17
9、从主菜单中选择
图18
图19
Shape→Shell→From
Solid，在视图区点击die零件的任何一部分，点击快捷区的
6
Done按钮。从主菜单中选择Shape→Shell→Remove Face，只保留如图19所示的五个表面，将其余表面全部删除。
10、保存文件。
ABAQUS/CAE对非变形体不能进行Merge/cut操作，因此，我们首先生成一个变形实体，在后续的Interaction模块中，我们可以通过赋予变形体以刚体属性来完成刚性die零件的创建。
3.3创建压边条模型－holder
1、选择Part→Create创建新零件。
2、在弹出的对话框中输入名字：holderoriginal，选择3D、Deformable、Shell、Extrusion。输入1000作为Approximate size的值。点击Continue。ABAQUS/CAE初始化草图，并显示格子。
3、在左侧工具条上点击 ，以（-180,0），（180,0）为端点画出一条线段，可以通过在提示栏中依次输入坐标点，也可以用鼠标直接在视图中点击完成，确定拉伸长度为660，创建拉伸壳，如图20所示。
4、同步骤1、2、3操作，生成一个296×185.5的变形体壳体零件holdercut，在此基础上以长为185.5单位的短边为基准生成一个旋转壳，步骤类似于生成punch零件时的第9、10步。生成的壳如图21所示。
图20 图21
选择该面作为拉伸壳参考面
7 选择该边作为”horizental and on the top”的边 图22
5、参考生成die零件的第5、6、7步完成holder零件的建模。
6、进入Part模块，在主菜单中，选择Shape→Shell→Extrude，选择holder壳面，在快捷区选择horizontal and on the top，如图所示。连接下图中的多边形区域内的线段和圆弧，点击Done。在弹出的对话框中输入拉伸深度为40，点击OK。
7、对拉伸处的边生成半径为1的倒角，最终的holder模型如图24所示，保存文件。
图23
3.4生成平板模型－blank
图24
1、从主菜单中选择Part→Create来创建冲压平板。
2、在弹出的对话框中输入名字：blank，选择3D、Deformable、Shell、Extrusion。输入1000作为Approximate size的值。点击Continue。ABAQUS/CAE初始化草图，并显示格子。
8
图25
3、采用图标 创建一条线段，两个端点的坐标分别为（-180，0）、（180，0）。点击Done按钮，在弹出的对话框的拉伸深度中填入660，点击OK。保存文件。
3.4创建材料
１、进入Property模块，在主菜单中选择Material→Create来创建一个新的材料。
２、在Edit Material对话框，命名这个材料为Steel，选择Mechanical→Density，在密度栏中输入7.85E-9；选择Mechanical→Elasticity→ Elastic，在杨氏模量中输入210000，输入0.31作为泊松比；选择Mechanical→Plasticity→ Plastic，在Data栏中对应位置输入下表中的数据。击OK，退出材料编辑。
True stress (MPa) 91 131 171 211 251 291 331
Log plastic strain 0.0 0.159 10-2 0.649 10-2 0.177 10-1 0.395 10-1 0.776 10-1 0.139
图26
9
391
0.295
3、从主菜单中选择Section→Create，在Create Section对话框中定义这个区域为SteelSec，在Category选项中接受Shell作为默认的选择，在Type选项中接受Homogeneous作为默认的选择，点击Continue。
4、在出现的Edit Section对话框中选择Steel作为材料，输入1.2作为Plane stress/strain thickness，并点击OK。
5、在Part中选择blank，从主菜单中选择Assign→Section，选择整个Part，ABAQUS将会把你选择的区域高亮化，在对话栏点击Done，在出现的Assign Section对话框中点击OK。
6、保存文件。
3.5零件组装
1、进入Assembly模块，从主菜单中选择Instance→Create，在Create Instance对话框中选中零件：blank、die、holder、punch，并选中Auto-offset from other instances，点击OK，如图27所示。
图27
10
2、从主菜单中，选择Instance→Translate，选中零件die，提示栏区域会提示选择平移的起始点，点击它的左下角的顶点④，然后再点击零件blank的左下角顶点①（如图28所示），点击OK。
③ ⑥
①
②④
图28
⑤
3、同理，移动零件holder和punch，顶点⑤和②、⑥和③分别为holder、punch移动的起点和终点。得到的组合图如图29所示。
4、 上述的操作步骤使得punch和blank之间、blank和holder之间、blank和die之间为无间隙接触，考虑到blank零件有1.2单位的厚度，因此实际上这些表面都是过盈接触。
11
图29
如果保持这种状态不变，在进行分析的时候，ABAQUS会对相应的接触面自动进行位移调整，从而产生初始应变，但却没有初始应力，这是不合理的。因此，在装配时需要调整各零件在总体坐标系的2-方向上的相对位置。
我们以blank为基准调整其它零件的位置。
5、从主菜单中，选择Instance→Translate，选中零件die，提示栏区域会提示选择平移的起始点，提示栏右端的文本框内有一组坐标，它的含义是平移矢量的起始点坐标，默认为（0.0,0.0,0.0）。回车接受这个默认值，提示栏区域会提示选择平移的终点，输入（0.0,-0.6,0.0），回车，点击OK完成移动。
6、重复上步操作，将punch和holder零件沿2-方向平移0.6单位(沿2正方向移动)。
7、保存文件。
3.6定义分析步
1、进入Step模块，从主菜单中选择Step→Create，命名这个分析步为Forming Step，接受默认的Procedure type，选择Dynamic，Explicit，点击Continue。在出现的Edit Step对话框中，在Time period栏中输入0.1，接受其它默认选择，并点击OK，创建一个分析步。
2、从主菜单中，选择View→Assembly Display Options…，弹出如图30所示的对话框，选择Instance功能页，点击Visible的选择框，保证只有blank-1被选中，点击OK。
图30
12
3、在主菜单选择Tools→Set→Create，命名将要生成的节点集为blank，在视图中用鼠标拉出一个矩形，确定将blank零件的顶点和边全部选中，点击提示栏区的Done按钮。重复创建节点集的过程，将下图所示的两条边分别创建为xblank和zblank节点集。
punchRP holderRP
zblank xblank
dieRP
4、同理将其它三个零件均创建为节点集，分别命名die、holder、punch。
图32
图31
5、在Assembly Display Options… 对话框中将四个零件全选中，点击OK。
6、从主菜单中，选择Tools→Reference Point…，分别选择如图所示的点为参考点，分别命名为：punchRP、holderRP、dieRP。
7、从主菜单中，选择Output→Field Output Requests→Create…，在出现的对话框中输入名字：thickness，点击Continue…，在Edit Field Output Request中设置如图33所示。
8、保存文件。
13
3.7定义表面和相互作用
图33
1、进入Interaction模块，选择Interaction→Property→Create，在Creat Interaction Property对话框中输入名字：Fric，并点击Continue，点击Mechanical，点击Tangential Behavior，在Friction formulation下拉菜单中选择Penalty，在Friction Coeff处输入0.1，接受其它的默认选择，最后点击OK。
2、从主菜单中选择Interaction→Create，输入名字：contact，默认step为Initial，Types for Selected Step选General contact(Explicit)。点击Continue，接受所有默认选择，点击Ok。
3、从主菜单中选择Constraint→Create，输入名字
die，选择Rigid body，点击Continue，出现图34所示的对话框。选择Body（elements），点击Edit…按钮，在提示栏中点击Sets…按钮，选择节点集die，在Edit Constraint对话框中点击Reference Point栏的Edit…按钮，选择dieRP参考点。点击Ok。
图34
4、类似第3步，继续定义刚体punch和holder，对应节点集分别为punch和holder，对
14
应参考点分别为punchRP和holderRP。
5、保存文件。
3.8定义边界条件
1、进入Load模块，从主菜单中选择BC→Manager，在Boundary Condition Manager中点击Create，在出现的Create Boundary Condition对话框中，命名这个边界条件为dieBC，接受默认的选择，点击Continue，在出现的Region Selection对话框中选择参考点dieRP，点击提示栏中的Done按钮，在出现的Edit Boundary Conditions对话框中选中ENCASTRE，点击OK。
2、在Boundary Condition Manager中点击Create，命名这个边界条件为xblank，接受默认的选择，点击Continue，在出现的Region Selection对话框中选择节点集xblank，点击Done，在Edit Boundary Conditions对话框中选中如图35所示选项，点击OK。
3、在Boundary Condition Manager中点击Create，命名这个边界条件为zblank，接受默
认的选择，点击Continue，在出现的Region Selection对话框中选择节点集zblank，点击Done，在Edit Boundary Conditions对话框中选中如图36所示选项，点击OK。
done
图35
图36
4、在Boundary Condition Manager中点击Create，命名这个边界条件为punchBC，选择Type为Displacement/Rotation，点击Continue，在出现的Region Selection对话框中选择参考
15
点punchRP，点击Done，选中所有的选项点击OK。
重复该步骤，定义边界条件holderBC，约束holderRP点的全部自由度。
5、在主菜单中选择Tools→Amplitude→Create，选择Smooth step然后点击按钮Continue…，输入如图37对话框中的数值，点击Ok按钮完成操作。
图37
6、在Boundary Condition Manager中，选中下图所示，点击Edit，在U2中输入-191.3，在Amplitude 栏中选择Amp-1，点击OK，可以注意到，在Forming Step步，punchBC的状态变为Modified。
7、在主菜单中选择Load→Create，在弹出的对话框中名字栏输入Pressure，Step栏中选择Forming Step，Category栏接受默认的Mechanical选择，Types for Selected Step栏中选择Concentrated force，点击Continue…按钮，在视图区选择holderRP，点击Done按钮，在Edit Load对话框中输入CF2的大小：-1.5E5，点击OK。
8、保存文件
16
3.9划分网格
1、从主菜单选择Mesh→Controls，选中所有的零件，点击Done，在对话框内接受默认的选项，如图39所示，Element Shape栏选择Structured选项，点击OK。
图39
2、从主菜单选择Seed→Instance，选中除了blank以为的所有零件，点击提示栏区的Done按钮。在弹出的对话框中输入20作为网格点的间距，如下图所示。选中Curvature control选项，输入0.01作为Deviation factor的大小。点击OK。
图40 17
3、从主菜单选择Seed→Instance，选中blank零件，点击Done，在出现的对话框的global size输入区输入12，点击OK。
4、从主菜单选择Mesh→Instance，选中所有部分，点击Done。
5、CAE将为所有零件均划分网格模型，如图41所示。保存文件。
3.10进行分析，并可视化结果
图41
1、进入Job模块，从主菜单选择Job→Create，命名其为forming，点击Continue，其它接受默认选择，点击OK。
2、从主菜单选择Job→Manager，在Job Manager中点击Submit提交任务，点击Monitor来观察分析的进程。
3、分析结束后，点击Results，对结果进行可视化。
4、点击工具栏的Plot Deformed Shape 按钮，显示结构变形结果。
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5、从主菜单选择Plot→Contours，显示云图，通过主菜单的Result→Field Output，可以改变等高线所代表的变量。
6、从主菜单选择Animate→Time History，可以观看CAE制作的动画过程。
7、从主菜单选择Result→History Output，可以选取你想要绘制的X-Y曲线。
图a所示为整个过程中内能和动能的变化曲线。图b给出了成型后金属板的厚度分布云图。
图c给出了与厚度变化最大处的单元相关的四个节点处的厚度在时间域内的变化曲线。
图d 给出了整个模拟过程中金属板的厚度随变形的变化情况。
图a
19
图c
20
图d 整个模拟过程中金属板的厚度随变形的变化情况
21
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