1、本科毕业论文（20 届）数值模拟技术在新型金属易拉罐成形工艺中的应用所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘 要近几年来，易拉罐的消耗量不断地增加，而现在所使用的易拉罐材料一般都为铝合金，这些材料都为不可再生资源，所以我们必须要减少这些资源的使用量，以此来减少不可再生资源的使用，坚持可持续发展。本文首先分析了我国铝制易拉罐的生产现状以及世界的发展趋势，并介绍了冲压、拉深过程中比较容易出现的问题以及如何去预防这些问题。另外，还介绍了数值模拟技术以及 DYNAFORM 的基本概况以及它的作用和发展现状。其次，又利用Pro/E 软
2、件完成新型金属易拉罐产品形状及尺寸设计和模具设计，制定成形工艺，并完成其相应工艺计算，然后运用 DYNAFORM 板料分析软件完成其成形过程主要工艺的模拟计算，以检验其工艺设计的可行性。通过实验证明，DYNAFORM 软件可以大大提高冲压模具可行性分析，数值模拟技术在新型金属易拉罐成形工艺中的作用日益突出，在产品的设计开发、模具的设计和加工中越来越重要。而且通过 DYNAFORM 的模拟，对最初设定的模型数据进一步的进行了优化，是的模型能够更加的完美。关键词：铝制易拉罐；板料参数；数值模拟本科生毕业论文IIAbstractCans of consumption are continually
3、increased, And now the cans of materials used for aluminum alloy commonly. These materials are non-renewable resources. In order to reduce the use of nonrenewable resources, we must reduce use of these resources, Insist on sustainable development. This paper analyzes the production of aluminum cans
4、status and development trend of the world, and introduced the stamping, deep drawing process easier to the problems and how to prevent these problems. In addition, it introduces the numerical simulation technology and the basic situation of DYNAFORM and its function and development situation. Second
5、ly, also made use of Pro / E software to complete the new shapes and sizes of metal cans product design and die design, development of forming technology, and complete the calculation of the corresponding process, then use DYNAFORM sheet forming process analysis software to complete its main simulat
6、ion process, to test the feasibility of the process design.The experiment shows that DYNAFORM software can greatly improve stamping mould feasibility analysis, numerical simulation technology in new metal cans the increasingly prominent role forming process, in product design and development, mold d
7、esign and processing more and more important. But also through DYNAFORM simulation model of the initial data set further optimized, the model is to be more perfect.Keywords: Aluminum beverage can; Sheet parameter; Value simulation本科生毕业论文III目 录第一章 前言 .11.1 课题的提出及其意义 .11.2 易拉罐生产现状及世界发展趋势 .11.2.1 世界易拉罐
8、发展趋势 .11.2.2 国内易拉罐发展趋势 .21.3.1 数值模拟技术 .21.3.2 DYNFORM 简介 .4第二章 易拉罐的成型工艺流程及冲压成型工艺的特点 .62.1 易拉罐的成型工艺流程 .62.2 冲压成型工艺的特点及注意问题 .62.3 拉深工艺的特点及其注意事项 .72.3.1 拉神工艺的概念及其特点 .72.3.2 拉深工艺中的注意事项 .7第三章 新型易拉罐外形及模具设计 .93.1 易拉罐容积及其外形设计 .93.1.1 易拉罐外形约束条件 .93.1.2 模型的分析和假设 .93.1.3 模型的建立 .93.2 拉深模具设计 .123.2.1 拉深模具参数设计 .1
9、23.2.2 第一步模具设计 .143.2.3 DYNAFORM 模拟第一步分析 .163.2.4 参数设定问题分析 .203.3 以后几步需要注意的问题 .21参考文献 .25本科生毕业论文1第一章 前言1.1 课题的提出及其意义易拉罐最初是在美国发明的，它继承了以往罐形的造型设计特点，在顶部设计了易拉环。这是一次开启方式的革命，给人们带来了极大的方便和享受，因而很快得到普遍应用。近几年来，易拉罐的消耗量不断地增加，而现在所使用的易拉罐材料一般都为铝合金，这些材料都为不可再生资源，所以我们必须要减少这些资源的使用量，以此来减少不可再生资源的使用，坚持可持续发展。由于易拉罐的使用量过大，单单我
10、国每年使用量就超过几十亿，不难看出来，只要稍稍减少这些材料的使用，从总体上讲就可以大大减少这些资源的消耗。在传统的设计中，降低铝罐的壁厚度，能够有效地降低材料的使用率，不过需要在保持其硬度和强度等不变的情况下。从发展趋势看，铝罐的未来发展在创新。但由于我国起步较晚，易拉罐工艺不够成熟，国内只能生产355ml、500ml两种规格的易拉罐。随着人们审美观的提高，这应经不能满足人们的需求。本课题试图设计国内不能生产的容积450ml ，并作尺寸优化设计以及分析其成型的可行性。从而得出合理可行的加工工艺。1.2 易拉罐生产现状及世界发展趋势1.2.1 世界易拉罐发展趋势易拉罐是美国发明的，同时美国也是世
11、界铝饮料罐的最大生产国和消费国。美国铝罐使用数量1984年超过620亿只，1987年超过700亿只，1988年超过800亿只，1990年超过900亿只，1994年超过1000亿只。美国铝质易拉罐主要用于包装饮料，如啤酒，美国在1992年饮料铝罐量已经有928亿只，占当年饮料罐总量 957亿只的97，铁皮罐仅为29亿只、占3。2001年美国啤酒和软饮料铝罐用量为近1000亿只，其中软饮料罐640亿只，啤酒罐330亿只。从上世纪80年代中期以来，欧洲饮料罐市场一直呈现稳定增长之势。其中德国，英国和西班牙的易拉罐需求量增长依次居欧洲首位。欧洲在2000年的易拉罐总需求量已达到355亿个，2001年上
12、升到373亿个，增长5.0% 。从全球铝工业来看，第三世界使用的铝罐量将呈现上升趋势，铝罐需求最快的地区是南美洲和亚洲。目前南美洲生产呈现过剩趋势。每年近200亿只。亚洲（日本除外）的铝罐年消费量也不下200亿只。中国铝易拉罐消费量现在每年有80多亿只 3。从发展趋势看， 铝制易拉罐的未来发展在不断的创新。几十年来铝罐制造厂一直致力于开发减轻铝罐重量的新技术，提高罐料性能要求，采用更薄的铝罐毛料，铝罐毛料的壁厚也越来越薄，几乎是最初铝罐壁厚的一半，每个罐身的用料由1980年的12193减少到10171g铝罐盖的直径也减小，重量也将比1980年下降50%，从而制罐成本不断降低。由于铝制罐料易于加
13、工成型，现在的铝罐外形和底部都已经有了新的变化，将来铝罐的形状可能变化更大，出现更多的造型，来适应越来越激烈竞争的形势，铝罐业必将继续发展本科生毕业论文2壮大。世界在发展，科技在发展，人们也不断的再追求便捷，轻松的生活。这也导致了这么多的铝制易拉罐被消耗，可想而知，这其中又有多少的铝元素在流失。虽然各个国家对铝、铁、铜等这些非再生资源都有在回收，并且回收技术也比较成熟，但是尽管如此，还是有大部分的铝从地球上消失。1.2.2 国内易拉罐发展趋势近年来，我国铝质易拉罐产量逐年增长，我国是一个人口大国，也是易拉罐用量增长最快的国家。在我国，全铝制易拉罐主要用于啤酒和碳酸饮料行业消费。据国家统计局公布
14、的数据，2002年，我国啤酒产量以2386.83 万吨位居世界第一，同时也超过了美国。其中用易拉罐包装的产量超过5%，使用易拉罐15亿只-20亿只。这样大的销量，其主要原因是铝质易拉罐具有许多优点，如密封性能好、质量轻、不容易破碎等等，所以才被大量的用作啤酒、碳酸饮料、果汁等食品的包装材料。这类饮料罐一般采用马口铁三片罐，其罐盖是用铝制易开盖。目前，我国使用铝罐盖的马口铁罐头数量不大，只有少数几种产品如核桃仁、八宝粥等。2004年5 月，福建省漳州市最大的罐头食品罐加工企业恒隆包装有限公司耗资2000万元从美国引进了一条马口铁易拉罐盖组合生产线，是福建省第一条马口铁易拉罐盖生产线，其性能及生产
15、能力均居国内同类生产线前列，生产能力可达2000个/分钟。我国是一个人口大国，也是易拉罐用量增长最快的国家。在我国，全铝易拉罐主要是啤酒和碳酸饮料行业消费。随着国民经济的不断增长，百姓生活水平的提高，以及对环保方面的重视，国内易拉罐历经第四次危机之 后将迎来灿烂的日子。 总之，易拉罐业的发展与该地区经济发展水平息息相关，经济发展促进环保意识提高，促进对有效资源的循环使用，从而形成一个良性循环。1.3 数值模拟技术及其发展前景1.3.1 数值模拟技术随着现代计算机软硬件技术的迅猛发展和有限元方法的成熟，基于计算机的数值模拟技术也得到了相应的发展。数值模拟也称作计算机模拟技术。它以计算机为工具，通
16、过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题或者物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。在计算机上实现一个指定的计算，非常类似于履行一个物理实验。这时分析人员已跳出了数学方程的圈子来对待物理现象的发生，就像做一次物理实验。 从数值模拟技术诞生到现在，人们越来越关注。以往开发一种新的产品，其必须得先设计，然后再制造，再试验。这样的模式所消耗的成本非常大，然而现在就不一样了，在数值模拟技术下，从设计，然后再数值模拟，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。数值模拟技术不仅能够节省开发新产品的成本，而且，能在某些人类无法做到的领域发挥其功效，通过数值模拟可以回
17、答一些经验设计时无法回答的问题。数值模拟技术也在不断地发展，从而提高其模拟的效率、精度、分析模拟能力等。数值模拟技术的不断发展，让更多的人认识到它的优越之处，图1.1为数值模拟技术关注本科生毕业论文3度：图1.1 数值模拟技术关注度数值模拟技术从诞生到现在，已经被应用到各个方面，比如油藏、材料、成形技术、爆炸力学等等。油藏数值模拟，其技术原理及主要技术内容数值模拟技术是通过对不同油层条件、井网、注水方式等条件模拟油气藏中流体的渗流过程，它是目前定量研究剩余油分布的重要手段。这些都能够体现出数值模拟技术的优势所在，以前人类无法做到的或者非常复杂的工程，在数值模拟技术的帮助下正逐渐的变的简单化，不
18、在像以前那样，需要通过一次又一次的试验。数值模拟技术的诞生和发展大大的减少了很多工程上所花的时间，能够更有效、更准确的替人们找到问题的答案。数值模拟技术部仅仅用于工程问题的解决，同时也在我们生活中起了很大的作用。在医学上，数值模拟技术一样可以发挥它的本领。比如依据颅骨修复体成形的实际条件对成形过程进行仿真， 预测修复体成形过程中可能产生的破裂、起皱和压痕等缺陷; 分析产生各种缺陷的原因，确定合适的工艺方案，然后，参考数值模拟结果并利用优化后的工艺参数进行实验验证。现代制造业的高速发展对塑性成形工艺在精度方面也提出了更高的要求。为了防止缺陷的产生，以提高产品质量，并降低产品成本，国内外许多公司企
19、业及大专院校和研究机构都对塑性成型件的性能、成形过程中的应力应变分布及变化规律进行了大量的理论分析、实验研究与数值计算，许多专业分析软件也逐渐在生产实践中得到了应用。虽然由于金属成形的复杂本构关系，目前的研究还未能得到满意的定量结果，但数值模拟技术和生产实践的结合为金属成形理论研究和金属成形工艺的完善起提供了一个重要手段。而现在，金属成形数值模拟的计算时间都比较长，从一定程度上限制了CAE软件的应用。随着人们对模拟问题规模和复杂程度要求的不断提高，现有CAE软件的计算时间越来越长，这促使软件开发人员采取本科生毕业论文4必要的方法提高数值模拟速度。采用大规模并行计算机是最简单可行的方法，但这种方
20、法的硬件投资太大，对于一般企业来说不能接受，因此开发计算速度更快的模拟算法也是将来发展方向之一。在金属模拟中，其精度也是相当的重要，而保证其精度的基础就是单元模型，单元模型是金属成形数值模拟技术的基础，它直接影响到有限元方法的计算精度。由于板材一般都是比较薄的平板或壳体，冲压成形过程的变形属于平面应力状态。如果板材很薄时，可以不考虑横向剪切变形影响，这样可以减少计算量。根据板材变形的特点和实际工程计算的需求，已经构造出很多适合板材成形过程模拟的实用单元模型。体积成形的单元模型比较简单，主要采用线性的四面体单元和六面体单元，由于计算量和计算稳定性等问题一般很少采用高阶体单元，因此在体积成形数值模
21、拟时，对单元模型的研究较少。1.3.2 DYNFORM 简介DYNAFORM软件是美国ETA公司和LSTC 公司联合开发的用于板料成形数值模拟的专用软件，是LS-DYNA求解器与 ETA/FEMB前后处理器的完美结合，是当今流行的板料成形与模具设计的CAE工具之一。DYNAFORM软件是一套具有完善图形用户界面（ GUI）的成形仿真软件包，可在WINDOWS95以上版本以及UNIX/LINUX 工作站（W/S）如：IBM、HP、DEC-ALPHA、SGI 和SUN-SOLARIS等各种主流操作系统上运行 6。DYNAFORM软 件 基 于 有 限 元 方 法 建 立 ， 被 用 于 模 拟 钣
22、 金 成 形 工 艺 。 DYNAFORM软 件 包 含 BSE、 DFE、 Formability三 个 大 模 块 ， 几 乎 涵 盖 冲 压 模 模 面 设 计 的 所 有 要 素 ， 包括 ： 定 最 佳 冲 压 方 向 、 坯 料 的 设 计 、 工 艺 补 充 面 的 设 计 、 拉 延 筋 的 设 计 、 凸 凹 模 圆 角 设 计 、冲 压 速 度 的 设 置 、 压 边 力 的 设 计 、 摩 擦 系 数 、 切 边 线 的 求 解 、 压 力 机 吨 位 等 。DYNAFORM的系统结构可以分为软件主界面、前置处理模块、分析模块和后置处理模块。其中，前置模块主要完成典型冲压
23、成形CAE分析FEM模型的生成与输入文件的准备工作，主要包括：文件管理、零件层控制、模型前处理、模面工程、坯料工程、成形模拟设置、回弹补偿等；而分析模块其主要功能是进行有限元分析计算，其主要的求解计算方法主要有：提交基于 LS-DYNA增量法的成形模拟；提交基于有限元逆算法的模拟。后置处理模块则是一个通用的后置处理程序模块，可适用于ETA公司的所有产品，其能够对所有ETA/DYNAFROM软件生成的有限元分析结果数据进行快速处理。使用DYNAFORM软件的板料模拟步骤如下（传统的设置方法）：1) 读入凹模与板料的集合模型，可以读入iges、vda、lin、dxf及stl格式的模型文件。2) 对
24、已经载入的集合模型划分网络，并进行零件网格检查。3) 利用凹模的网格来生成凸模和压边圈。4) 定义工模具零件。5) 定义毛坯零件。6) 工模具的自动定位。7) 测量凸模零件的拉深深度。8) 定义凸模零件的拉深行程。9) 定义压边圈零件的压边力载荷曲线。10) 工模具运动的动画模拟演示。11) 提交LS-DYNA进行求解计算。本科生毕业论文512) 后置处理：观察成形零件的变形过程、观察成形零件的厚度分布云图及成形极限图 除了上诉的模拟方法，DYNAFORM还有其他的模拟方法，如自动设置，快速设置。本科生毕业论文6第二章 易拉罐的成型工艺流程及冲压成型工艺的特点2.1 易拉罐的成型工艺流程铝制易
25、拉罐的生产流程比较复杂，主要由以下几步工艺组成，其工艺流程如图 1 所示：图 2.1 易拉罐生产工艺流程图从上述工艺流程中可以看出，生产线共有冲杯、变薄拉伸/修边、缩口/ 翻边 3 道精密冲压供需，其使用较薄铝材所需的技术改进措施主要与冲压工序有关。 （在工序之间用气垫、真空吸附、输送带等形式的输送道相连接）2.2 冲压成型工艺的特点及注意问题冲压是通过模具对板材施加压力或拉力，使板材塑形成型，有时对板材施加剪切力而使板材分离，从而获得一定尺寸、形状和性能的一种零件加工方法。由于冲压加工经常在材料冷状态下进行，因此也称作冷冲压。冲压加工作为一个行业，在国民经济的加工工业中占有重要的地位，尤其是
26、在汽车、电机、仪表、军工、家用电器等方面所占比重更大。冲压有众多的优点:（1）冲压加工的应用范围极广。（2）冲压件的形状和尺寸精度方面的互换性较好。（3）冲压加工是一种高生产率的加工方法。（4）冲压加工较易实现机械自动化。（5）冲压加工的材料利用率较高。冲压件不同于其它毛坯制造，我国冲压的市场及技术水因为很多冲压厂都归属于主机厂，因此，冲压件市场是很不完善和健全的。从目前情况看，我国冲压件市场存在下列题目一些出产能力供过于求，一些主机厂内的冲压厂，放了不行，拿着不能。一年大部门时间出产任务不足，无市场行为材料技术、模具技术、润滑技术和设备水平都处于较低水平，远远不能知足海内出产发展的需要冲压行业面对的挑战汽车、飞机发展和环保要求的进步，对冲压带来了压力。在现在的冲压加工中，由于引入了计算机工程（CAE） ，冲压成形已从原来对应力应变进行有限元等分析而逐步发展到采用计算机进行工艺过程的模拟和分析，以实现冲压过程的优化设计。在冲压毛坯设计方面也开展了计算机辅助设计，可以对排样或者拉深毛坯进行优化
