基于MATLAB的板料渐进成形多道次应变设计软件开发外文翻译资料

前言

板材渐进成形（ISF）是一种具有高潜力可以塑造形状复杂的三维零件的有前途的快速成型技术。然而，在ISF上一个普遍的技术问题是成形零件的厚度分布不均，特别是对严重倾斜的地区过度减薄。这可能会导致断裂和限制工艺成形性。多级变形通道（中间形状或预制件）的设计，是一种理想而又实际的方法来控制材料流动以获得更均匀的厚度分布和避免成形缺陷。在本文中，基于剪切变形和应变补偿机理，提出了考虑设计形状的预测厚度应变的多级变形设计方法。在这种方法中，两个分析模型（M1和M2）正在考虑开发；全球平均厚度应变仅用于形成最后的部分区域的材料（M1），和局部加权平均厚度应变及用于形成最后的部分区域的附加材料（M2）。通过有限元分析和Amino ISF 机器验证了该设计方法的可行性。结果表明，使用M2可以得到更均匀的厚度应变分布。最大的应变发生可在中间阶段的延迟和物资的流动是允许进入变形区，从而允许压应力状态的发展和使陡峭的形状被形成。因此，通过成形变形的优化设计，可以提高工艺的成形性。

介绍

作为快速原型和小批量生产的一种很有前途的技术，渐进成形（ISF）在金属板材成形在过去的十年里获得了极大的关注。在渐进成形过程，成型工具的计算机数控（CNC）机床控制规定的刀具按一定路径使金属片局部塑性变形成所需的形状。因此，各种各样的三维形状可以使用一个工具。这一形成过程可以分为两种主要类型：单点渐进成形（SPIF）没有成形模具，双点渐进成形的一个部分或完整的成型模具。ISF技术通过提供更高的性能和深冲与冲压相比有更大的优势。然而，它仍然被更薄的金属片限制，成形刀具长行程路径会引起成形缺陷和长成形时间。ISF研究综述由jeswiet等人提供。（2005）

在过去的十年有许多关于ISF的成形极限和采用多道次提高成形性的研究。尤其是，特别是，Filice等人。（2002）研究了材料的成形性，在不同应变条件下的数控成形。结果表明，局部拉伸是ISF变形的主要方式。另一方面，Jackson 和Allwood（2009）进一步研究了数控成形的力学实验活动。据了解，在刀具方向的剪切是最显着的应变分量和增加拉伸和剪切也存在垂直于刀具方向。上述讨论表明，剪切或拉伸变形模式导致数控成形过程材料变薄。失败的ISF是最有可能是由厚度不均匀分布引起的，通常是过度的局部在部分陡峭的壁变薄，从而降低了最大的壁角，可以实现材料的ISF在其他一些工艺比较形成的，这使得它很难制造复杂的零件与陡峭的墙壁。因此，在成形过程中，合理地分配材料对最终零件的材料厚度均匀分布是非常重要的，以避免成形失效的发生。基姆和杨（2000）提出了一种双通形成完善的ISF的成型方法。这种方法是基于使用预测的厚度应变分布设计中间的形状，为了得到一个统一的最后一个部分的厚度分布剪切变形。年轻jeswiet（2004）还开发了一个两阶段策略与陡峭的地区提高零件的最终厚度分布。结果表明，在一个阶段的成形过程中的细化带的发生可以延迟在两个阶段的过程中，使复杂的部分与陡峭的墙壁，可以成功地制造。duflou等人。（2008）探索了一步的刀具路径策略制造零件与垂直墙为了避免失败。在多阶段成形过程中的最终减薄可以超过单级过程中的最大厚度减少，这意味着成形性增加。在该等。（2011）研究了刀具轨迹对最终厚度分布和成形性的影响。对比分析了单级成形和三种不同的多阶段成形策略的优缺点，采用相同的形状和厚度分布。得出的结论是成形性，可以方便地提高适当的多级变形设计，涉及尽可能多的材料，从理论的角度来看。skjoedt等人。（2010）研究多阶段策略生产垂直壁柱形杯。他们指出，在多级渐进成形工具的运动对厚度分布和股指期货影响很大的开裂而不是缩口有限公司。章等。（2013）提出了基于多级化方法的有限元分析，以股指期货为胀形成形工艺。的中间表面的有限元计算结果可用于刀具路径生成。黎等。（2013）在多道次变形设计制造近直壁区和槽区的汽车尾灯支架的一部分区域划分的思想。他们发现，几何形状接近最后部分的中间表面可以获得更好的成形质量。刘等。（2013）提出了形成垂直壁杯的三级变形传递策略。这些策略的组合已在过程性评价。结果表明，在成形过程中采用较多材料的成形策略，以及少量弯曲的加入，可大大提高成形性。然而，在大多数现有多级成型设计的ISF，物料流和厚度应变分布仍不能定量控制。

板料成形过程的数值模拟是优化和优化成形工艺参数、评价成形缺陷（如断裂、回弹、起皱、几何偏差和残余应力）的有效方法。在过去十年，研究人员利用有限元法（FEM）模型的ISF过程。在Thibaud等。（2012）、全参数工具箱已经发展到使用有限元模拟开发过程。的几何偏差，厚度分布和成形力的预测结果与实验结果显示出良好的协议。shanmuganatan和Senthil Kumar（2012）提出了一个明确的数值模拟采用ABAQUS。的应力和厚度分布已被导出并通过实验测试验证。德贾汀等人。（2010）用壳单元做为股指期货过程仿真分析的变形和回弹效应用有限元模型。实验和模拟结果之间的比较表明，建立的有限元模型可以预测准确的结果。虽然有限元模型的一种有效方法，模拟多级ISF过程，它通常需要很长的计算时间（几天或一周甚至更多），因此不能有效地用于完整的多级ISF过程设计。

最近的研究表明，上述审查通过多级变形设计在ISF以前的工作仍然是基于试验和错误的方法使材料流动不可定量控制。虽然有基姆和杨（2000）开发的分析模型，它只适用于两阶段成形。为了制造更复杂的零件，需要更多的成形阶段。本文提出了一种系统的方法来设计多级变形传递的预测厚度应变的剪切变形和应变补偿机制的基础上的最后一部分。在这种方法中，两个分析模型（M1和M2）开发的考虑；全球平均厚度应变仅用于形成最后的部分区域的材料（M1），和局部加权平均厚度应变及用于形成最后的部分区域的附加材料（M2），分别。本文提出的设计方法与有限元分析（FEA）相比，使用结合工艺的成形性能和厚度应变分布氨基ISF机试验。

方法

基于剪切变形对ISF的孔型设计模型最初是在基姆和杨提出了（2000）。然而，该模型仅适用于双孔型变形设计。在某些情况下，多级变形孔型设计是制造复杂的零件，如duflou等人的例子。（2008）、skjoedt等人。（2010），张等。（2013），李等。（2013）刘等。（2013）。本节给出了多级变形孔型设计的系统设计方法。首先，剪切为基础的建模单通变形设计简要回顾。然后，开发了两个分析模型。此外，一个系统的设计方法，将这两种模式。最后，有限元分析和实验测试的方法。

值得一提的是，这两款车型的发展目标是提高工艺成型极限。这些模型的基本假设可以概括如下：

1中间阶段的形成过程中的使用会延迟最大应变的发生，因此允许陡峭的形状可形成比采用单通道的形成是可能的。

2 通过形成一个更广泛的面积比周边的形状，它是可能的：

• 避免中间厚度应变的不连续性，因此允许形成更陡的形状比可能通过使用单通成形；
• 允许材料流入变形区域，从而使压缩应力状态得以发展，并使形成更陡的形状比在单通成形中是可能的。

第一个模型（M1）已经开发测试上述第一点，而第二个模型（M2）已经发展到测试以上三个点。

2.1单程变形模型剪切变形

任意设计的部分可以离散的三角形元素。基于剪切变形，X和Y坐标是相同的初始和最终配置。图1示出了一个剪切三角形元件的三维剪切变形的一部分。

图1剪切变形原理

基于体积恒定的假设，厚度应变可以计算如下方程：

其中是在最终配置中的一个元素的厚度应变。和是一个元素的初始和最终厚度，一个元素的初始和最后区域是一个和，它可以由x，y，z坐标来计算。

这样，在设计的部分上的所有元素的厚度应变可以近似估计，这是在下面的章节中开发的多级变形传递模型的输入。值得一提的是，这种单跨模型的剪切变形假设可以放宽。事实上，的变形机制可剪切或拉伸，或任何组合的这些只要一片的质心平面不水平位移，这将导致在相同厚度的关系，相比于纯剪切的假设。然而，为了建立一个简单而有效的多通设计模型，剪切变形仍然被用来计算中间厚度的应变在下面的多道建模过程。

2.2开环多级变形孔型模型

在建模过程中，它被假定的变形模式是基于剪切变形和材料性能不需要考虑在这种情况下。下面的建模过程包括两个方面：（一）制定中间厚度株 相应的中间通过给定的设计部分由单模型预测厚度应变；（ii）确定中间通过（中间形状）基于中间厚度应变。

为了控制物料流量并获得厚度均匀分布，形成在局部区域的一部分需要剧烈剪切变形（与厚向应变幅值较高）实现的最终形式应以补偿少剪切变形的延迟（降低幅度

多级通道中的厚度应变）。换句话说，最高的应变发生厚度将延迟在成形的中间阶段，因此陡峭的形状可以形成比采用单道次成形成为可能。为了减少成形缺陷的发生，在变形通道中应尽量减少剪切变形量较小的部分区域（厚度应变较低）。在此基础上，设计了两个分析模型，通过计算和补偿中间厚度的应变在每个多级变形传递给定的最后部分。

2.2.1开环多通设计模型1

在这个模型中，它假定，只有在最终部分区域的材料中使用的成形。最后一部分的全局平均厚度应变是用来补偿在中间阶段的最后部分的严重倾斜区域的应变。局部厚度应变的最后部分是用来估计在非严重倾斜区域的最终部分的中间形状。

每个三角形单元i（从1到N）的中间厚度应变在相应的变形传递的最后部分可以被确定如下：

一个循环计算适用于以下两个方程，直到所有的中间厚度的三角形元素（i = 1：n）的应变计算

对于严重变形区的最后一部分，即，中间厚度应变可以计算如下：

（2）

对于非严重变形区域的最后部分，即，中间厚度应变可以计算如下：

（3）

当，，

（4）

是最后一部分元素i的厚度应变，而是变形单元i中的中间厚度应变。，，和，是需要调整的参数，以确定中间的厚度应变和是中间阶段的指数。M表示中间通道数。

值得一提的是，上述模型中的所有厚度应变均为负值，和分别对应的最大值和最小值。式（2）适用于局部厚度应变在最后的形状比全球平均厚度应变幅度较高。在这个方程右边的第一项尺度全球平均厚度应变在最终的形状估计中间形状（变形道次）。这将有均匀的厚度应变。然而，这是纠正由第二个术语，它给出了在最终形状的最小变形三角形元素（）此平均厚度应变，但减少的厚度应变引起的三角形元件，具有较高的幅度的厚度应变。这延迟了形成的区域被拉伸最。如果，那么最变形三角形元素在最终形状（）有。同样，当局部厚度应变）在最后形成具有比全球平均厚度应变幅值较低，那么式（3）应用。在这种情况下，在等式的右侧（3），第一个术语尺度的局部厚度应变在最终形状的估计的中间形状，更密切地反映最终形状。第二个任期纠正这一点，如果，然后再次没有减少的厚度应变发生在三角形元素的最小厚度变化的最终形状。然而，在中间阶段的厚度应变的大小降低到零（延迟成形），其中的最终形状具有最大的厚度应变（最小厚度应变幅度）。和给出了一致的结果，。

一旦所有的中间厚度应变的变形源通过模型，第二方面如上面所讨论的是确定所有的三角形元素的位置给这些中间厚度应变构建变形通过（中间型）。由于剪切假设，在每个三角形元素的未知节点的z坐标可以递归实现。欲了解更多详情，读者可以参考基姆和杨（2000）（第4节）。相应的元素（三个节点在一个元素）的位置可以被导入到CAD软件，以建立变形传递（中间形状）。然后，刀具路径生成可以实现的基础上确定的变形传递（中间形状）使用西门子NX CAM 7.5软件（详情可以在第2.4节）。

图2 详细说明模型二

2.2.2开环多通设计模型二

（2010）讨论本巴赫ISF的变形机制（SPIF和一样）通过跟踪在成形过程中的材料点（见图14（a）3.1节）。研究发现，物质点的运动是从外到内（“拉材料变形）在TPIF，结果在一个“压缩”模式与SPIF一样拉伸模式比较。在多级成形过程中，变形传递（中间形状）可以设计到最终的形状，并提供额外的材料，从而使制造更复杂的部分比SPIF。

考虑到上述讨论，模型2（M2）的开发，这是一个修改后的模型基于M1。在这个模型中，附加的材料的最后部分被纳入多级成形。值得注意的是，通过形成一个更广泛的面积比周长的设计形状，它可能：

·避免中间厚度应变的不连续性，因此允许形成更陡的形状比可能通过使用单通成形。

·允许材料流入变形区域，从而使压缩应力状态得以发展，并使形成更陡的形状比在单通成形中是可能的。

局部加权平均厚度应变，提出了补偿的厚度应变在严重倾斜的地区，而不是全球平均厚度应变情商（2）在中间通行证。在最后一部分的局部厚度应变是用来估计在非严重倾斜区域的中间形状。如图2所示，M2的说明如下：

考虑中心点j（从到）的一个三角形单元和它的邻居i（从1到n）。

第一个循环计算适用于情商。（5）–（7）确定直到所有的邻居（i=1:n）中心点的三角形单元的计算。

(5)

(6)

(7)

然后，可以由式（8）求出

（8）

其次，对于严重变形区的最后一部分，即（在最后的部分地区）或（附加材料区域的最后部分外），中间厚度应变可以计算为

（9）

对于非严重变形区的最后一部分，即εF（J）gt;

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