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CN103459058A - 冲压成形分析方法 - Google Patents

冲压成形分析方法 Download PDF

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CN103459058A CN2012800164937A CN201280016493A CN103459058A CN 103459058 A CN103459058 A CN 103459058A CN 2012800164937 A CN2012800164937 A CN 2012800164937A CN 201280016493 A CN201280016493 A CN 201280016493A CN 103459058 A CN103459058 A CN 103459058A
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Abstract

本发明提供一种冲压成形分析方法，包括以下工序：(1)算出脱模前的冲压成形品的形状、残余应力分布的数据，算出脱模前的局部坐标系下的应力分布(a)，(2)根据上述脱模前的数据进行回弹分析，算出脱模后的冲压成形品的残余应力分布，算出局部坐标系下的冲压成形品的残余应力分布(b)、和脱模后的冲压成形品的形状数据(d)，(3)算出上述应力分布(a)与(b)的差值(a-b)，将该差值作为回弹有效应力(SB有效应力)而算出整体坐标系下的SB有效应力分布，根据改变或去除该SB有效应力分布中分析对象区域的SB有效应力而得到的SB有效应力进行回弹分析，算出脱模后的冲压成形品的形状数据(c)，(4)算出上述形状数据(c)与形状数据(d)的差值(c-d)，判断分析对象区域对整体形状的影响程度。

Description

冲压成形分析方法
技术领域
本发明涉及冲压成形分析方法，尤其涉及在短时间内准确地分析冲压成形品的哪个区域的应力如何对回弹产生影响的方法。
背景技术
近年来，为了实现汽车的轻质化，推广扩大高强度钢板向汽车部件的应用。由于高强度钢板的冲压成形后的弹性恢复(以下称作回弹。另外也简略记作SB)与软钢板相比较大，所以难以确保部件的尺寸精度。因此，在达到标准尺寸精度之前，需要进行多次重复冲压模具的形状修正来调整模具的作业。
因此，为了减轻这样的冲压模具的修正作业，期望一种在模具设计阶段对回弹量进行预测的技术，从而开发出其分析系统。
这些分析方法包括下述两个阶段。
(1)基于冲压模具进行的约束下的材料的变形、应力、应变的分析。
(2)从基于冲压模具进行的约束释放的状态下的回弹的分析。
在此，通过有限元法对阶段(1)进行分析，通过回弹理论公式或有限元法对阶段(2)进行分析。
公知这样的回弹是由于在将成形对象物从冲压模具脱模之前残留于成形对象物中的残余应力的不均匀分布而导致的，一直以来，使用有限元法等数值分析方法进行预测。但是，难以预测成形对象物的残余应力中的哪个区域的应力主导回弹。
以往，例如专利文献1及专利文献2对影响到该回弹的成形对象物的形状及成形条件的影响进行了研究。
在专利文献1中公开有如下方法：通过改变冲压成形对象物的某区域的残余应力分布，算出改变残余应力分布前后的与回弹相关的某定义量如何变化，从而预测对某区域的回弹的影响。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-229724号公报
发明内容
专利文献1的应力改变方法仅考虑冲压成形对象物从模具脱模前的应力，进行应力的去除及改变，在该状态下进行回弹分析并与不改变应力的情况进行比较，从而研究由应力改变带来的影响。
但是，在从冲压模具脱模后，即在回弹后，在冲压成形对象物(以下称作冲压成形品)中也残留有应力。因此，存在仅仅关注冲压成形品从冲压模具脱模前的应力且即使验证其影响，也难以正确评价各区域的应力影响的情况。
因此，本发明是为了解决上述问题而研发的，其技术课题在于，考虑冲压成形品从冲压模具脱模后的应力(残余应力)分布，通过脱模前的应力改变，明确哪个区域的应力如何影响回弹。
本发明的要旨如下所述。
第一方案为一种冲压成形分析方法，其特征在于，包括以下工序：
(1)算出脱模前的冲压成形品的形状、残余应力分布的数据，根据上述脱模前的数据并通过坐标转换而算出脱模前的局部坐标系下的应力分布(a)，
(2)根据上述脱模前的数据进行回弹分析，算出脱模后的冲压成形品的残余应力分布，通过坐标转换算出局部坐标系下的冲压成形品的残余应力分布(b)，并且算出脱模后的冲压成形品的形状数据(d)，
(3)算出上述应力分布(a)与(b)的差值(a-b)，将该差值作为回弹有效应力(SB有效应力)并通过坐标转换而算出整体坐标系下的SB有效应力分布，改变或去除该SB有效应力分布中分析对象区域的SB有效应力，算出冲压成形品的SB有效应力分布，进行回弹分析，算出脱模后的冲压成形品的形状数据(c)，
(4)算出上述形状数据(c)与形状数据(d)的差值(c-d)，判断分析对象区域对整体形状的影响程度。
第二方案为一种冲压成形分析方法，其特征在于，包括以下工序：
(1)算出脱模前的冲压成形品的形状、残余应力分布的数据，根据上述脱模前的数据并通过坐标转换而算出脱模前的局部坐标系下的应力分布(a)，
(2)根据上述脱模前的数据进行回弹分析，算出脱模后的冲压成形品的残余应力分布，通过坐标转换算出局部坐标系下的冲压成形品的残余应力分布(b)，并且算出脱模后的冲压成形品的形状数据(d)，
(3)算出上述应力分布(a)与(b)的差值(a-b)，将该差值作为回弹有效应力(SB有效应力)并通过坐标转换而算出整体坐标系下的SB有效应力分布，去除该SB有效应力分布中分析对象区域的SB有效应力，算出冲压成形品的SB有效应力分布(X)，
(4)对脱模前的冲压成形品的形状赋予上述局部坐标系下的残余应力分布(b)而算出局部坐标系下的残余应力相应量，通过坐标转换算出整体坐标系下的冲压成形品的残余应力相应量(Y)，
(5)算出对上述冲压成形品的SB有效应力分布(X)加上上述冲压成形品的残余应力相应量(Y)而得到的应力分布并进行回弹分析，算出脱模后的冲压成形品的形状数据(c)，
(6)算出上述形状数据(c)与形状数据(d)的差值(c-d)，判断分析对象区域对整体形状的影响程度。
发明效果
能够不会过多或过少地评价实际有助于回弹的应力地、正确地评价对象区域的应力对回弹产生的影响。另外，通过设定局部坐标系并去除特定的应力成分，能够仅对该特定应力的影响进行评价，有助于研究降低回弹的对策。
附图说明
图1是表示进行SB分析的前柱内部件(front pillar inner)的概观的图。
图2是说明前柱内部件的SB分析对象区域的图。
图3是表示分析结果的图。
图4是第1实施方式的流程图。
图5是第2实施方式的流程图。
具体实施方式
(第1实施方式)
参照附图说明本发明的第1实施方式。
图4是表示本发明的冲压成形分析方法的第1实施方式的冲压成形分析方法的处理顺序的流程图。
第1实施方式为如下分析方法：仅关注回弹有效应力，在改变或去除回弹分析对象区域的回弹有效应力后进行回弹分析，并比较脱模后的冲压成形品的形状，由此评价回弹分析对象区域的应力的影响。
图4所示的冲压成形分析方法中的分析计算使用有限元法(FEM)分析系统而进行。
(1)
S1：首先，在步骤S1中求出脱模前的冲压成形品的应力分布。
S2：在步骤S2中，定义在脱模前后不发生变化的局部坐标系，对在步骤S1中求出的以整体坐标系表示的应力进行坐标转换而求出局部坐标系下的应力分布(a)。由于冲压成形品在脱模后由于回弹而发生旋转，所以当对以整体坐标系表示的应力进行直接差值时，无法正确地求出有助于变形的应力。因此，针对提供应力分布的各有限元素，使用在有限元素分析内普遍使用的手法，即在定义脱模前后不发生变化的局部坐标系并对应力进行坐标转换后，在脱模前后进行应力的差值。
当使局部坐标系的正交的三个轴的单位矢量分别为(11，m1，n1)、(12，m2，n2)、(13，m3，n3)时，通过式(1)给出应力的坐标转换。
在冲压成形模拟下的局部坐标系的采用方法中，节点通常使用四个或三个壳元素且在板厚方向没有节点。因此，通常将板厚方向、即由四个或三个节点形成的面的法线方向选为坐标系的一个第3轴。在四节点壳元素的情况下，由于四点不一定位于同一平面上，所以存在：(1)将根据对角线的外积求出的方向作为板厚方向的方法，(2)将近似平面的面法线方向作为板厚方向的方法等。另外，关于第1轴、第2轴，存在：(1)将壳元素的从第1节点朝向第2节点的方向作为第1轴的方法，(2)根据对角线的矢量而形成的方法等。
(2)
S3：根据步骤S1的应力分布进行回弹分析。
S4：求出脱模后的冲压成形品的残余应力分布。
S5：进行从整体坐标系向局部坐标系的坐标转换，求出脱模后的局部坐标系下的冲压成形品的残余应力分布(b)。
S6：根据S3的回弹分析求出脱模后的冲压成形品的形状数据(d)。
(3)
S7：将脱模前的应力分布(a)与脱模后的残余应力分布(b)的差值(a-b)称作回弹有效应力(以下称作SB有效应力)，并求出其分布。
S8：进行从局部坐标系向整体坐标系的坐标转换并求出整体坐标系下的SB有效应力分布。
S9：改变或去除分析对象区域的SB有效应力。
S10：求出改变或去除分析对象区域的SB有效应力后的冲压成形品的SB应力分布。
S11：根据在步骤S10中求出的应力分布进行回弹分析。
S12：求出脱模后的冲压成形品的形状数据(c)。
(4)
S13：：算出形状数据(c)与形状数据(d)的差值(c-d)，评价SB分析对象区域对整体形状的影响度。
(第2实施方式)
参照附图说明本发明的第2实施方式
图5是表示本发明的冲压成形分析方法的第2实施方式的冲压成形分析方法的处理顺序的流程图。
第2实施方式为如下分析方法：对在第1实施方式中求出的局部改变或去除了回弹有效应力的局部坐标系的回弹有效应力分布施加局部坐标系的残余应力，并将由此得到的应力分布转换成整体坐标系，之后进行回弹分析，并与脱模后的冲压成形品的形状进行比较，由此评价回弹分析对象区域的应力的影响。
图5所示的冲压成形分析方法中的分析计算使用有限元法(FEM)分析系统而进行。
(1)
S21：首先，在步骤S21中求出脱模前的冲压成形品的应力分布。
S22：在步骤S22中，定义在脱模前后不发生变化的局部坐标系，对在步骤S21中求出的以整体坐标系表示的应力进行坐标转换而求出局部坐标系下的应力分布(a)。局部坐标系的求出方法与第1实施方式相同，因此在本项中省略说明。
(2)
S23：根据步骤S21的应力分布进行回弹分析。
S24：求出脱模后的冲压成形品的残余应力分布。
S25：进行从整体坐标系向局部坐标系的坐标转换，并求出脱模后的局部坐标系下的冲压成形品的残余应力分布(b)。
S26：根据步骤S23的回弹分析求出脱模后的冲压成形品的形状数据(d)。
(3)
S27：将脱模前的应力分布(a)与脱模后的残余应力分布(b)的差值(a-b)称作回弹有效应力(以下称作SB有效应力)，并求出其分布。
S28：进行从局部坐标系向整体坐标系的坐标转换并求出整体坐标系下的SB有效应力分布。
S29：改变或去除分析对象区域的SB有效应力。
S30：求出改变或去除分析对象区域的SB有效应力后的冲压成形品的SB有效应力分布(X)。
(4)
S31：对脱模前的冲压成形品的形状赋予应力(b)。
S32：求出局部坐标系下的残余应力相应量。
S33：将局部坐标系转换成整体坐标系并求出整体坐标系下的冲压成形品的残余应力相应量(Y)。
(5)
S34：求出对SB有效应力分布(X)加上残余应力相应量(Y)而得到的应力分布。
S35：进行回弹分析。
S36：求出脱模后的冲压成形品的形状数据(c)。
(6)
S37：算出形状数据(c)与形状数据(d)的差值(c-d)，评价SB分析对象区域对整体形状的影响度。
实施例1
作为本发明的冲压成形分析方法的实施例，说明前柱内部件的冲压成形加工。
图1表示本部件的概观形状。使用板厚1.6mm的980MPa级高张力冷轧钢板并通过模具进行冲压成形及修整加工，经由弯曲加工而制成前柱内部件。弯曲加工是指沿着图1所示的弯曲线进行折弯加工。
关于冲压成形分析，在使图1所示的前柱内部件成形的情况下，分析图2所示的分析对象区域1到6的应力分别带来何种程度的影响。
使用市场销售的有限元法(FEM)分析系统并按照图4及图5所示的步骤进行分析。具体而言，在弯曲加工后去除图2所示的各区域(1到6)的应力，并调查对点A、点B处的A方向位移产生的影响。此外，普通(未进行各区域的应力去除)的回弹分析后的点A的Z方向位移为-16.5mm，点B的Z方向位移为-9.7mm。以往例(专利文献1)针对分析对象区域(1至6中任一处)去除全部应力而进行回弹计算。发明例1仅提取本发明的SB有效应力(图4的S8)，进而仅对分析对象区域(1至6中任一处)去除SB有效应力(图4的S9)而进行回弹计算(图4的S11)。发明例2仅去除分析对象区域(1至6中任一处)的SB有效应力(图5的S29)而进行回弹计算(图5的S35)。
图3表示上述结果。横轴表示分析对象区域的序号，纵轴表示点A的Z方向位移(mm)。在以往例中，分析对象区域6的影响最大，但在发明例1及发明例2中，分析对象区域2的影响最大。
接下来，为了具体验证主要因素分析结果，对在分析对象区域2和分析对象区域6的各自的凸缘上切出△形状的切口的情况进行比较。通过切出切口，其周围变形不会影响其他部分，其结果为，能够实现与去除应力的结果相同的效果。
其结果为，在分析对象区域6切出切口的情况下，观察到A点上升1.2mm，在分析对象区域2切出切口的情况下，观察到A点上升4.3mm，可知分析对象区域2的影响较大。由此，可知发明例的主要因素分析比以往例优异。
关于以往例中分析对象区域6的影响增大的原因，认为是，分析对象区域6的形状比较复杂且回弹后的残余应力大，因此产生了去除该部分后的影响。另外，认为在弯曲工序中，也由于分析对象区域4～分析对象区域6距离施加塑性变形的弯曲线更远，所以在以往例中过度评价了分析对象区域6的影响。
附图标记说明
1～6   表示分析对象区域的附图标记。

Claims (2)

1.一种冲压成形分析方法，其特征在于，包括以下工序：
(1)算出脱模前的冲压成形品的形状、残余应力分布的数据，根据所述脱模前的数据并通过坐标转换而算出脱模前的局部坐标系下的应力分布(a)，
(2)根据所述脱模前的数据进行回弹分析，算出脱模后的冲压成形品的残余应力分布，通过坐标转换算出局部坐标系下的冲压成形品的残余应力分布(b)，并且算出脱模后的冲压成形品的形状数据(d)，
(3)算出所述应力分布(a)与(b)的差值(a-b)，将该差值作为回弹有效应力、即SB有效应力，并通过坐标转换而算出整体坐标系下的SB有效应力分布，改变或去除该SB有效应力分布中分析对象区域的SB有效应力，算出冲压成形品的SB有效应力分布，进行回弹分析，算出脱模后的冲压成形品的形状数据(c)，
(4)算出所述形状数据(c)与形状数据(d)的差值(c-d)，判断分析对象区域对整体形状的影响程度。
2.一种冲压成形分析方法，其特征在于，包括以下工序：
(1)算出脱模前的冲压成形品的形状、残余应力分布的数据，根据所述脱模前的数据并通过坐标转换而算出脱模前的局部坐标系下的应力分布(a)，
(2)根据所述脱模前的数据进行回弹分析，算出脱模后的冲压成形品的残余应力分布，通过坐标转换算出局部坐标系下的冲压成形品的残余应力分布(b)，并且算出脱模后的冲压成形品的形状数据(d)，
(3)算出所述应力分布(a)与(b)的差值(a-b)，将该差值作为回弹有效应力、即SB有效应力，并通过坐标转换而算出整体坐标系下的SB有效应力分布，去除该SB有效应力分布中分析对象区域的SB有效应力，算出冲压成形品的SB有效应力分布(X)，
(4)对脱模前的冲压成形品的形状赋予所述局部坐标系下的残余应力分布(b)而算出局部坐标系下的残余应力相应量，通过坐标转换算出整体坐标系下的冲压成形品的残余应力相应量(Y)，
(5)算出对所述冲压成形品的SB有效应力分布(X)加上所述冲压成形品的残余应力相应量(Y)而得到的应力分布并进行回弹分析，算出脱模后的冲压成形品的形状数据(c)，
(6)算出所述形状数据(c)与形状数据(d)的差值(c-d)，判断分析对象区域对整体形状的影响程度。
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