自主仿真 | 基于PERA SIM的板折弯成型分析-折弯成型、非线性、塑性

摘要：本文基于安世亚太自主研发的结构仿真软件PERA SIM Mechanical建立了折弯成形仿真的过程，从导入几何模型开始，到划分全六面体网格、赋予模具和板料不同的材料参数、施加边界条件和载荷模拟折弯过程，以及设置非线性分析参数、进行非线性分析调试，最终得到分析结果，实现了板料折弯成形的全过程3D仿真。分析得到的反力结果和最终板的变形结果，对板折弯过程中机器吨位的选择和板折弯后的形状预测都具有一定的指导意义。

关键词：折弯成型；非线性；塑性

1.引言

板料折弯成形是指把薄板材料弯成一定角度的加工方法。对于绝大多数的板材折弯而言，CAE分析其折弯过程没有太大的意义，工程经验或者折弯系数表就足以解决绝大部分问题；但是对于厚板或者说对于折弯R数值小于板材厚度的，折弯CAE分析其折弯过程还是有意义的：1)对于折弯处形状的精确预算；2)折弯后折弯点尺寸的变化；3)折弯过程接触区域变形和设备吨位精确预测。对于某些板材折弯后需要包胶，如果不能精确预测折弯处形状和数值，会影响后续塑胶模具的开发，或者折弯后需要精确装配的折弯件，如果不能预测折弯处形状，会影响后工序装配。

本文基于PERA SIM Mechanical建立了折弯成形仿真的过程，从导入几何模型开始，到划分全六面体网格、赋予模具和板料不同的材料参数、施加边界条件和载荷模拟折弯过程，以及设置非线性分析参数、进行非线性分析调试，最终得到分析结果，实现了板料折弯成形的全过程3D仿真。分析得到的反力结果和最终板的变形结果，对板折弯过程中机器吨位的选择和板料折弯后的形状预测都具有一定的指导意义。

2.问题描述

板料参数

本文研究对象为某折弯板，根据分析目的，对实际尺寸进行了一定的裁剪，最终分析中用到的板料尺寸为180mmX140mmX1.5mm。上下模具稍微经过地点简化，但是对于与板料的接触部位，保持了原始的结构形式。

3.有限元模型的建立

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3.1 模型建立及简化

直接导入分析的几何模型。由于需要对板料进行塑性分析，且需要查看板的局部变形，为了更好地计算精度，整个模型采用实体单元进行模拟，因此不需要进行板料抽取中面等进一步的模型处理。

分析的整体几何模型如图1所示：

图1 板折弯成型分析的几何模型

3.2 网格划分

由于结构形式都为拉伸结构，而且计算过程中涉及到非线性分析计算，因此，采用扫掠的方式生成全六面体网格。为了更好的计算精度，对板的网格尺寸以及附近模具中的网格尺寸设为0.5mm，对远离接触区域的模具网格尺寸设为3mm。程序自动在不同的网格尺寸间进行过渡。最终得到的单元总数为144640，节点总数为165353，网格模型如下：

图2 板料及模具的网格

3.3 材料定义

模具采用钢材的线弹性模型，同时杨氏模量放大100000倍来模拟刚体，即杨氏模量为2e10MPa，泊松比为0.3。对板材采用弹塑性模型，杨氏模量为2e5MPa，泊松比为0.3，屈服强度为235MPa，切线模量为2000MPa。

3.4 截面定义

采用实体单元，选择减缩积分。

3.5 边界条件

本模型的边界条件分为下模具的底部固定。

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3.6 折弯载荷施加

模具与板之间设置一般接触（非线性接触），摩擦系数设为0.12。分析采用静力学分析，考虑大变形。施加强制位移来模拟下压过程，并考虑重力影响。板折弯过程，实际上是上模具的运动产生的。根据实际情况，设定上模具先向下运动2.8mm，再向上运动2.8mm来恢复到原始位置。通过这种位移加载的方式，就可以板的折弯过程。

图3 板折弯过程的载荷施加图

4.计算结果分析

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4.1 计算分析设置

对于非线性分析，需要考虑分析的收敛性，特别是需要设置载荷子步。本次分析中，采用自动时间步长，初始子步数设为200，最小子步数为40，最大子步数为100000，要求结果在所有子步都存储，方便查看结果。在非线性分析中，设置最大迭代部署和收敛控制参数。根据分析的收敛过程，以上非线性分析参数需要不断地调试。设置完成后，直接提交作业进行计算即可。

4.2 折弯计算结果

计算完成后，通过在相应的作业上右键点击加载结果，即可进入到后处理模块。计算得到的变形如下：

图4 板折弯后的变形

计算得到的塑性应变如下：

图5 板折弯后的塑性应变

为了能对机器吨位的选择提供指导，提取约束反力如下：

图6 板折弯后的塑性应变

从以上的分析结果可以得到，在板成型完成之后，板变形为V型，板的两端上翘，上翘的最大位移为27mm。同时，在板折弯处，产生了塑性应变，最大塑性应变0.46。通过对约束反力的提取，可以得到需要施加的下压力为17968N。这可以为机器吨位的选择提供参考。

5.结论

本文以安世亚太自主研发的结构仿真软件PERA SIM Mechanical，对板料折弯成型过程进行了有限元分析，得到了板折弯后的最终形状和板的塑性应变，为板料折弯成型工艺过程中机器吨位的选择和工艺参数的调整提供了一定的参考信息。

综上可得，作为国产自主研发的仿真分析工具，PERA SIM Mechanical在计算板料折弯成型的过程中，能完整地对模型的材料定义、网格划分、接触设置、分析求解和结果查看进行处理，流程完善，非线性分析能完成收敛，求解器功能也比较强。

作者：广州安世亚太 黄晶