目前,拉形工艺主要用于生产飞机蒙皮件,由于其材料利用率很低,生产成本相对较高,制约了它在其他工业领域中的应用。然而拉形工艺具有回弹小、成形精度高等优点,使得其能够适应许多领域对多品种、小批量工件生产的需求。为了提高拉形生产中材料的利用率,同时拓宽拉形工艺的应用领域,亟需一种新技术,板材柔性拉形工艺正是在这种需求下孕育而生的。板材柔性拉形技术是通过离散夹钳与多点模具的相互配合来实现的,该技术将离散夹钳柔性自协调的工作特点与多点模具型面的可重构性融为一体,可以实现拉形工艺的高度柔性化,提高了生产效率,降低了生产成本,能够快速响应钣金日益膨胀的产品个性化要求,迅速提升塑性加工领域中板类件的先进制造水平。板材离散夹钳柔性拉形是一种新型的拉形技术,通过全液压驱动技术来实现多个夹钳的柔性自协调工作,取代了传统拉形工艺中夹钳的整体运动模式。即夹料时,多个夹钳平直排列,夹紧板材两端;拉形过程中,多个夹钳可以根据模具形状的变化自动调整钳口的拉伸量和转角,实现板材被夹持边缘与拉形模端面的曲率变化相一致,这样有助于板材更容易贴合模具,减小拉形工艺余量,提高材料利用率。本文采用LS-DYNA软件对板材柔性拉形工艺进行了数值模拟,研究了夹钳结构与过渡区长度对拉形件成形效果的影响,探讨了拉形过程中回弹与接触力等问题,并进行了相关实验验证。本文研究主要内容与结论如下:1.板材离散夹钳柔性拉形工艺和成形装置的研究研究了板材离散夹钳柔性拉形方法与传统板材拉形方法的区别和联系,指明板材离散夹钳柔性拉形的技术特点。采用解析法对板材柔性拉形过程进行了力学分析,推导出板材柔性拉形过程中应力、应变、厚度减薄和拉力的计算公式。详细阐述了板材离散夹钳柔性拉形实验装置的设备组成、工作原理和结构特点等,并指出该设备区别于传统拉形机的技术特点,不仅可以降低设备造价,还可以提高材料利用率。2.板材柔性拉形有限元模型的建立基于金属板材塑性成形的相关理论,建立了板材柔性拉形的有限元模型,采用动态显式算法模拟板材柔性拉形过程,静力隐式算法进行拉形件回弹过程分析。详细阐述了板材柔性拉形有限元模型建立过程中单元选择、网格化分、约束条件、接触与摩擦处理等若干问题,并对不同材料的本构关系进行了分析,板材采用双线性等向强化弹塑性模型,聚氨酯弹性垫采用超弹性材料模型,模具和夹钳定义为刚体模型,为板材柔性拉形数值模拟研究奠定了基础。3.夹钳离散数量与夹钳形状的数值模拟研究以球形件为研究对象,采用有限元法对板材柔性拉形工艺过程进行了数值模拟,探讨了夹钳离散数量对工件应力与应变分布、板厚变化、工件夹持面形状以及板料流动趋势的影响,结果表明:整体平夹钳拉形的工件应力与应变分布不均匀,板厚减薄严重,而离散夹钳拉形的工件应力与应变分布相对均匀,并且夹钳的离散数量越多,工件应力与应变分布愈加均匀化,工件夹持面的弯曲弧度越与模具曲率相接近,工件的成形质量也越好。分析了夹钳形状对工件应力与应变分布、板厚变化以及工件夹持面形状的影响,结果显示:圆形夹钳拉形时可以明显改善工件过渡区的应力、应变与板厚的分布状态,能够防止工件产生拉裂现象;圆形夹钳拉形时工件夹持面的弯曲弧度与模具的曲率更加接近,工件成形质量比较好,并对相关的数值模拟结果进行了实验验证。4.不同过渡区长度的数值模拟研究利用有限元软件对不同过渡区长度的球形件与鞍形件拉形进行了数值模拟,研究了整体平夹钳与离散夹钳两种拉形方式对工件贴模效果、成形缺陷及材料利用率的影响,结果显示:整体平夹钳需要较长的过渡区才能成形,导致球形件在过渡区产生多条皱纹,鞍形件会在成形区产生单一皱纹;而离散夹钳拉形只需较短的过渡区即可成形,工件表面光滑,没有皱纹,可以减小拉形工艺余量,提高材料利用率。并且离散夹钳拉形件的压痕深度明显小于整体平夹钳拉形件的压痕,只需较薄的弹性垫就能够抑制工件的表面缺陷,减小了工件的成形误差。研究了变形量、板材厚度与过渡区长度对球形件和鞍形件厚度变化的影响,结果显示:其他条件相同时,曲率半径越大,工件减薄率越小;板材厚度越大,工件减薄率越小;过渡区长度越大,工件减薄率越小。采用整体平夹钳拉形机和离散夹钳拉形机对球形件进行了拉形实验,实验结果与模拟结果基本吻合。5.回弹的数值模拟及模具型面修正回弹方法的研究采用显式-隐式算法对球形件在整体平夹钳与离散夹钳两种拉形方式下的回弹现象进行了研究,分析了夹持方式、过渡区长度、拉伸量、板材厚度、材料性能等因素对工件回弹量与形状误差的影响。结果表明:整体平夹钳拉形的工件比离散夹钳拉形的工件回弹大,成形误差也大;工件的回弹量和平均形状误差随着过渡区长度的增加而逐渐增大;回弹量随着预拉伸量的等量增加而逐渐减小,相应的平均形状误差也逐渐减小,当预拉伸量超过1%以后,回弹量和形状误差几乎不受影响,优先选用预拉伸量为1%;随着板材厚度的增加,回弹量下降的趋势逐渐变缓,形状误差逐渐减小;材料的弹性模量越大,工件卸载后回弹量就越小,平均形状误差也越小。提出了修正回弹误差的多点模具型面补偿计算方法,并通过数值模拟和实验对模具型面补偿方法进行了应用,验证了多点模具型面修正补偿方法的可行性和实用性。6.板材与夹钳以及板材与冲头之间接触力的数值模拟研究通过有限元方法对不同材质、不同板厚的柱形件、球形件以及鞍形件拉形过程进行了模拟,探讨了板材与夹钳之间接触力的分布规律,结果表明:材料的弹性模量和屈服强度越大,板材的变形抗力就越大,拉形时板材与夹钳之间的接触力就越大。板材的厚度对接触力的影响比较大,板材越厚,变形越不容易,拉形时板材与夹钳之间的接触力就越大。还探讨了拉形过程中冲头与板材的接触受力状态,通过模拟不同材料、不同板厚和不同变形量的球形件成形过程,研究了板材与冲头之间接触力的变化情况,结果显示:冲头接触力随着板材弹性模量和屈服强度的增大而增大;对于相同尺寸、相同材料的板材,板材越厚,冲头接触力就越大;目标曲率半径越大,冲头接触力则越小。