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沖壓成形是現(xiàn)代工業(yè)中一種十分重要的加工方法，在汽車、航空、家用電器、儀器儀表等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于模具的生產(chǎn)加工周期長，模具材料費(fèi)用高，模具制造成本在實(shí)際生產(chǎn)成本中占有相當(dāng)大的比例。因此，對于沖壓模具除了要求生產(chǎn)效率高、所生產(chǎn)的零件符合其質(zhì)量要求和技術(shù)條件外，提高沖壓模具的使用壽命也是非常重要的。
由于模具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境較差，容易產(chǎn)生模具材料低周疲勞、變形、斷裂等缺陷而使模具失效。為防止模具在使用過程中失效，通常的做法就是使模具更大、更厚、更硬、增加模具預(yù)應(yīng)力或使用組合模，但在有些情況下，這些解決辦法卻會使情況變得更糟。隨著計算機(jī)性能的不斷提高和數(shù)值模擬技術(shù)的逐漸完善，近年來出現(xiàn)了許多功能強(qiáng)大的專業(yè)性強(qiáng)的分析軟件，如采用有限元分析的方法對模具組件在工作狀態(tài)中的應(yīng)力、應(yīng)變等問題的詳細(xì)分析已得到了越來越多的注意，開展這方面的研究已經(jīng)取得了很大的發(fā)展并得到了實(shí)際應(yīng)用。通過有限元分析，可以及早地發(fā)現(xiàn)問題，排除經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的偏差，提高設(shè)計在工藝實(shí)踐中的精確性和可靠性，避免多次修模、試模的過程，從而可以縮短模具生產(chǎn)調(diào)試周期，降低制模成本和延長模具的使用壽命。
有限元模擬技術(shù)最早應(yīng)用于金屬塑性加工成形領(lǐng)域始于上個世紀(jì)70年代，經(jīng)過30多年的發(fā)展，有限元法已經(jīng)發(fā)展成為種類較為齊全、軟件功能較為豐富、工程應(yīng)用較為廣泛的一種分析工具。
材料有限元模型分兩種典型的模型，即剛塑性材料模型和彈塑性材料模型，與之相對應(yīng)，塑性有限元法也分為剛塑性有限元法和彈塑性有限元法。剛塑性有限元法不計彈性變形，可大大簡化有限元列式和求解過程，提高計算效率。但由于剛塑性有限元法忽略了彈性變形，僅適用于塑性變形區(qū)的分析，不能進(jìn)行卸載分析，無法得到應(yīng)力、應(yīng)變、回彈和殘余應(yīng)力，此外剛性區(qū)的應(yīng)力計算也有一定誤差，這也就限制了它在沖壓成形中的應(yīng)用。
彈塑性有限元法同時考慮金屬材料的彈性變形和塑性變形，既可以分析塑性成形的加載過程，又能分析卸載過程，包括計算工件變形后內(nèi)部的殘余應(yīng)力、應(yīng)變、工件的回彈以及與模具的相互作用。因此，彈塑性有限元法在冷沖壓、冷軋等數(shù)值模擬中應(yīng)用最廣。
對于沖壓模具而言，根據(jù)加工需要，模具材料一般采用高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨的工具鋼或硬質(zhì)合金鋼(如：SKD11、SKH51、G5、G8等)，其在沖壓時與加工材料表面相互作用過程中，一般只會發(fā)生小量的彈性變形，而不會出現(xiàn)塑性變形。所以采用彈塑性有限元法對沖壓模具進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變的分析能取得更滿意的結(jié)果，Young-Seon等驗(yàn)證了采用模具彈性體模型進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變有限元模擬分析比采用剛性體模型模擬所得的結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加吻合。
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