ANSYS Workbench冲压成型分析实例

板料冲压是利用冲模在压力机上对材料施加压力，使材料产生分离和变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的加工方法。板料冲压通常在室温下进行，故又称冷冲压。当板厚超过8-10mm时，一般需采用热冲压。

由于冲压过程中凸模的运动速度较慢，成型过程属于准静态变形过程，所以本文使用ANSYS Workbench软件的静力学模块来模拟V形件的成型。

图为敞开式弯曲模

使用ANSYS做板料冲压成型仿真时，需要注意以下几点：

• 材料非线性：由于成型的过程伴随着材料的屈服及塑形变形，所以需要在ANSYS中定义塑形材料；
• 几何非线性：成型过程中，结构发生了较大的变形，需要在仿真过程中打开大变形；
• 状态非线性：成型过程中，零件会与模具发生接触，因此需为零件和模具定义接触；

综上述三点，该分析是集材料、几何、状态三种非线性为一身的非线性分析，收敛过程可能会有较大的难度，我们可以通过调整分析设置，保证计算收敛。

仿真过程

1、模具、冲压件的建模

总体分析思路是使用平面模型进行分析；

由于我们不关注模具的受力情况，所以我们在建模时，只建立模具的简化模型，并将其设置为刚性体。冲压件为1mm厚钢板，为了节约计算成本，在保证计算精度的前提下，我们选择1/2的平面应变模型来模拟。具体模型如下图所示。建模时应注意将模型建在XY平面内。

2、定义冲压件材料模型

理想弹塑性模型：假定不考虑材料的强化性质，并且忽略屈服上极限的影响，即认为材料经过线弹性阶段后便进入流动状态，塑性变形在屈服应力的作用下可无约束的发展。如下图。

在Workbench的工程数据模块中定义理想弹塑性模型。新建一个名为“chongyajian”的材料模型，设置弹性模量为2E5MPa；泊松比为0.3；塑性阶段的定义笔者选择了双线性等向强化模型，屈服强度为345MPa；切线模量为0。具体设置如下图：

3、修改模型参数

点击Geometry，选择凸模和凹模，分别在Details中将Stiffness Behavior改为Rigid，2D Behavior设置为Plane Stress，厚度设置为1mm，材料默认为Structural Steel；

选择冲压件，将2D Behavior设置为Plane Strain，将其材料改为Step2中建立的“chongyajian”，由于软件默认Stiffness Behavior为Flexible，所以冲压件的刚度行为不用做更改。

4、轴对称设置

为了节约计算成本，计算过程中我们使用了1/2的平面模型，所以要在对称轴处设置轴对称。建立一个轴对称区域，选择冲压件的对称轴，并将对称法向设置为x轴。此处读者考虑为什么不直接将冲压件的2D Behavior设置为Axisymmetric，而是在此处设置轴对称呢？

5、接触设置

分别在凸模、凹模与冲压件有接触的位置建立接触：接触面设置为冲压件的上下面，目标面设置为凸（凹）模的面；接触类型为摩擦接触，摩擦系数0.1；设置接触算法为纯罚函数法；为了降低计算量，将接触法向刚度因子设置为0.1；将球区域半径设置为1mm；其余设置保持默认。

6、网格划分

自由网格划分，网格尺寸为0.3mm；网格物理选项设置为非线性结构，单元阶数设置为线性（低阶）。

7、边界条件设置

冲压成型过程中，凹模静止不动，凸模一般会有2个动作：向下运动完成冲压成型和向上运动离开冲压件，因此在仿真过程中我们使用2个载荷步实现。

载荷步1：凸模向下运动16mm完成冲压成型；

载荷步2：凸模向上运动16mm离开冲压件；

由于凸模和凹模我们用的刚性模型，所以在施加位置的时候需要使用远端位移实现，具体设置如下：

8、网格非线性自适应

冲压仿真过程中，网格会发生较大变形，为了改变并细化网格从而使得求解收敛并获得更精确的结果，我们需要设置网格非线性自适应选项，具体设置参数如下：

9、分析设置

• 自动时间步设置。打开自动时间步，并采用子步形式；
• 子步设置。初始子步设置为200，最小子步设置为180，更大子步设置为1000；
• 打开大变形。
• 关闭弱弹簧。该设置是为了使用网格非线性自适应功能。

10、结果

总结

冲压成型的有限元分析作为冲压模具高效专业的辅助设计手段，能够为模具的设计和生成提供很大的帮助，如钣金毛坯尺寸、材料流动、机构运动、模具结构等引起的成型性能变化等。本文介绍了冲压分析过程中的技术要点，可供读者参考使用。

注：本文做的只是一个示意性算例，结果不具备实际工程意义。

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