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系統識別號 U0002-2603200914384600
中文論文名稱 應用動態有限元素法於金屬板材擴孔製程之裂縫成長分析
英文論文名稱 An Analysis of Crack Growth in Bore-Expanding Process by Dynamic Finite Element Method
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 97
學期 1
出版年 98
研究生中文姓名 周漢傑
研究生英文姓名 Han-Jie Jhou
學號 695371111
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-01-14
論文頁數 76頁
口試委員 指導教授-葉豐輝
委員-劉春和
委員-盧永華
委員-蔡慧駿
委員-李經綸
中文關鍵字 裂縫成長  擴孔製程  損傷  有限元素法  連體損傷力學 
英文關鍵字 Crack Growth  Bore-Expanding  Damage  Dynamic Finite Element  Continuum Damage Mechanics 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究使用顯性動態有限元素法結合異向性降伏理論和連體損傷模式,進行金屬板材擴孔製程之裂縫成長分析,並探討不同初始孔徑對於沖頭負荷、初始破裂衝程、初始破裂位置和裂縫成長的影響,並與實驗做比較。
擴孔製程之裂縫成長數值模擬是運用單軸拉伸試驗之應力-應變關係式,配合連體損傷模式計算該材料損傷特性之損傷曲線,作為模擬擴孔製程料片破裂判斷之依據。擴孔製程數值分析隨著衝程增加,成形負荷會持續增加,於是材料內部產生了損傷,並開始有頸縮而導致微裂縫的產生,且利用應變最大值決定裂縫的成長方向,並以刪除元素法進行裂縫成長模擬分析。
為驗證數值模擬分析之正確性,本研究設計一組無引伸扣環模具進行初始孔徑 15.0mm、 9.0mm和 3.0mm料片之擴孔製程實驗。實驗結果顯示初始孔徑 3.0mm料片會於實驗中流入模穴,導致工件收縮過大,無法獲得正確實驗結果,因此另設計一組具引伸扣環模具以防止工件收縮,並重新進行此三種不同初始孔徑料片之實驗,且執行相對應邊界設定之數值模擬分析。二組不同模具之實驗結果皆顯示,由於料片材料不易均質和料片定位不易無誤差,導致初始破裂位置不易與數值分析一致,但趨勢相同;此外,沖頭負荷、初始破裂衝
程和裂縫成長皆與數值分析一致。
英文摘要 The objective of this thesis was to analyze the crack growth of workpieces with different initial holes diameters in bore-expanding process by using explicit dynamic finite element method based on anisotropic yield criterion and continuum damage model. The punch load, initial crack stroke, initial crack position and crack growth of workpieces were discussed and compared with the experimental results.
The material damage curve was calculated based on stress-strain relationship of uniaxial tensile test and continuum damage model, and was used as the criterion of fracture in the crack growth simulation of bore-expanding process. It was seen that forming load increased with the increase of punch stroke more and more. Then the necking and micro crack occurred due to the interior damage of material. The crack growth direction was determined by maximum strain value, and the crack growth simulation was carried out by eroding element.
In order to prove the reliability of numerical simulation analysis, this study designed a die set without draw bead to carry out the experiments of bore-expending process for the blanks with initial hole diameters of 15.0mm, 9.0mm and 3.0mm. The experimental results showed that the workpiece flowed into the die cavity when the initial hole diameter of blank was 3.0 mm. It caused the workpiece to shrink largely and resulted in improper experimental data. Therefore, another die set with draw bead was designed to avoid the shrink of workpiece, and was used to perform the same experiments for the blank with the same initial hole diameters again. The numerical simulation analysis was also proceeded for the corresponding boundary conditions. Because blank material was not uniform and blank orientation was not perfectly accurate, the comparisons between experiments using above two die sets and numerical simulation analysis of initial crack position were not very close, but the tendency of those results was agreed. Furthermore, other comparisons of initial crack stroke and crack growth in bore-expanding process showed good agreement between numerical and experimental analysis.
論文目次 目 錄
中文摘要 -------------------------------------------------Ⅰ
英文摘要 -------------------------------------------------Ⅲ
目 錄 -------------------------------------------------Ⅴ
圖表索引 -------------------------------------------------Ⅶ
第一章 緒論 --------------------------------------------- 01
1.1 前言 ------------------------------------------------ 01
1.2 研究動機與目的 -------------------------------------- 01
1.3 文獻回顧 -------------------------------------------- 02
1.4 論文之構成 ------------------------------------------ 05
第二章 基本理論 ----------------------------------------- 06
2.1 顯性動態有限元素法 ---------------------------------- 06
2.2 異向性降伏理論準則 ---------------------------------- 11
2.3 成形極限理論 ---------------------------------------- 14
2.4 連體損傷模式 ---------------------------------------- 16
第三章 擴孔製程實驗與有限元素分析 ----------------------- 19
3.1擴孔製程實驗 ------------------------------------------19
3.1.1模具幾何尺寸 --------------------------------------- 19
3.1.2料片材料參數 --------------------------------------- 25
3.1.3實驗流程 ------------------------------------------- 25
3.2 有限元素分析 ---------------------------------------- 27
3.2.1元素類型 ------------------------------------------- 27
3.2.2接觸問題 ------------------------------------------- 28
3.2.3網格規劃與邊界條件 --------------------------------- 29
第四章 擴孔製程實驗與數值模擬分析結果比較 --------------- 35
4.1 不同初始孔徑料片達初始破裂之比較--------------------- 35
4.1.1使用無引伸扣環模具實驗與數值分析之比較 ------------- 35
4.1.2使用具引伸扣環模具實驗與數值分析之比較 ------------- 45
4.2 不同初始孔徑料片裂縫成長之成形歷程 ------------------ 55
4.2.1使用無引伸扣環模具實驗與數值分析之比較 ------------- 55
4.2.2使用具引伸扣環模具實驗與數值分析之比較 ------------- 61
第五章 結論與未來展望 ----------------------------------- 67
5.1 結論 ------------------------------------------------ 67
5.2 未來展望 -------------------------------------------- 69
參考文獻 ------------------------------------------------ 70
符號索引 ------------------------------------------------ 74

圖表索引
圖 2-1 連續物體於卡氏座標系統變形 ----------------------- 06
圖 2-2 成形極限示意圖 ----------------------------------- 15
圖 3-1 無引伸扣環模具幾何尺寸圖 ------------------------- 20
圖 3-2 具引伸扣環模具幾何尺寸圖 ------------------------- 20
圖 3-3 擴孔製程之沖頭實體圖 ----------------------------- 21
圖 3-4 無引伸扣環模具之沖模實體圖 ----------------------- 21
圖 3-5 無引伸扣環模具之壓料板實體圖 --------------------- 22
圖 3-6 具引伸扣環模具之沖模實體圖 ----------------------- 22
圖 3-7 具引伸扣環模具之壓料板實體圖 --------------------- 23
圖 3-8 初始孔徑 15.00mm之料片實體圖 --------------------- 23
圖 3-9 初始孔徑 9.00mm之料片實體圖 ---------------------- 24
圖 3-10 初始孔徑 3.00mm之料片實體圖 --------------------- 24
圖 3-11 罰函數法修正節點穿透示意圖 ---------------------- 29
圖 3-12 擴孔製程沖頭四分之一網格分割 -------------------- 30
圖 3-13 擴孔製程沖模四分之一網格分割 -------------------- 31
圖 3-14 擴孔製程壓料板四分之ㄧ網格分割 ------------------ 32
圖 3-15 初始孔徑 9.00mm之無引伸扣環邊模具界條件設定 ----- 34
圖 3-16 初始孔徑 9.00mm之具引伸扣環邊界模具條件設定 ----- 34
圖 4-1 無引伸扣環模具 及 初 始孔徑 15.00mm料片之實驗與數值模擬之沖頭負荷比較圖 ---------------------------------- 35
圖 4-2 無引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之實驗與數值
模擬之沖頭負荷比較圖 ----------------------------- 36
圖 4-3 無引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之實驗與數值
模擬之沖頭負荷比較圖 ----------------------------- 36
圖 4-4 無引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之實驗衝程達
20.50mm時,內孔處產生頸縮之工件實體圖 ------------ 38
圖 4-5 無引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之實驗衝程達
20.70mm時,內孔處產生初始破裂之工件實體圖 -------- 39
圖 4-6 無引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之數值模擬衝
程達20.00mm,產生初始破裂之工件模擬圖 ------------------- 39
圖 4-7 無引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之數值模擬達
初始破裂之成形極限圖 ------------------------------------ 40
圖 4-8 無引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之實驗衝程達1
5.50mm時,內孔處產生初始破裂之工件實體圖 --------- 40
圖 4-9 無引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之數值模擬衝
程達15.05mm,產生初始破裂之工件模擬圖 ------------ 41
圖 4-10 無引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之數值模擬達
初始破裂之成形極限圖 ------------------------------------ 41
圖 4-11 無引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之實驗衝程達
14.30mm時,內孔處產生頸縮之工件實體圖 ----------- 42
圖 4-12 無引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之實驗衝程達
15.50mm時,平底處產生初始破裂之工件實體圖 ------- 42
圖 4-13 無引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之數值模擬衝
程達12.20mm,產生初始破裂之工件模擬圖 ------------------- 43
圖 4-14 無引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之數值模擬達
初始破裂之成形極限圖 ---------------------------- 43
圖 4-15 無引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之實驗衝程達
15.50mm時,工件收縮之工件實體圖 ----------------- 44
圖 4-16 無引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之實驗衝程
達16.40mm時,工件收縮之工件實體圖 --------------- 44
圖4-17 具引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之實驗與數
值模擬之沖頭負荷比較圖 -------------------------- 45
圖 4-18 具引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之實驗與數值
模擬之沖頭負荷比較圖 ---------------------------- 46
圖 4-19 具引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之實驗與數值
模擬之沖頭負荷比較圖 ---------------------------- 46
圖 4-20 具引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm、 9.00mm 和 15.
00mm料片之實驗沖頭負荷比較圖 -------------------- 47
圖 4-21 具引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之實驗衝程
達19.00mm時,內孔處產生頸縮之工件實體圖 --------- 49
圖 4-22 具引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之實驗衝程
達20.20mm時,內孔處產生初始破裂之工件實體圖 ----- 49
圖 4-23 具引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之數值模擬
衝程達20.29mm,產生初始破裂之工件模擬圖 --------- 50
圖 4-24 具引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之數值模擬
達初始破裂之成形極限圖 ---------------------------------- 50
圖 4-25 具引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之實驗衝程
達14.10mm時,內孔處產生頸縮之工件實體圖 --------- 51
圖 4-26 具引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之實驗衝程
達14.60mm時,內孔處產生初始破裂之工件實體圖 ----- 51
圖 4-27 具引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之數值模擬
衝程達14.73mm,產生初始破裂之工件模擬圖 --------- 52
圖 4-28 具引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之數值模擬
達初始破裂之成形極限圖 ---------------------------------- 52
圖 4-29 具引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之實驗衝程達
11.70mm時,圓弧處產生頸縮之工件實體圖 ----------- 53
圖 4-30 具引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之實驗衝程達
11.90mm時,圓弧處產生破裂之工件實體圖 ----------- 53
圖 4-31 具引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之數值模程達
12.17mm,產生初始破裂之工件模擬圖 --------------- 54
圖 4-32 具引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之數值模擬達
初始破裂之成形極限圖 ---------------------------- 54
圖 4-33 無引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之實驗衝程
達21.0mm時,裂縫成長之工件實體圖 ---------------- 55
圖 4-34 無引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之數值模擬
裂縫成長歷程圖 ---------------------------------- 56
圖 4-35 無引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之實驗衝程
達16.50mm時,裂縫成長之工件實體圖 --------------- 57
圖 4-36 無引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之數值模擬
裂縫成長歷程圖 ---------------------------------- 58
圖 4-37 無引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之實驗衝程
達16.40mm時,裂縫成長之工件實體圖 --------------- 59
圖 4-38 無引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之數值模擬
裂縫成長歷程圖 ---------------------------------- 60
圖 4-39 具引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之實驗衝
程達21.40mm時,裂縫成長之工件實體圖 ------------- 61
圖 4-40 具引伸扣環模具及初始孔徑 15.00mm料片之數值模擬
裂縫成長歷程圖 ---------------------------------- 62
圖 4-41 具引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之實驗衝程達
15.80mm時,裂縫成長之工件實體圖 ----------------- 63
圖 4-42 具引伸扣環模具及初始孔徑 9.00mm料片之數值模擬裂
縫成長歷程圖 ------------------------------------ 64
圖 4-43 具引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之實驗衝程達
13.00mm時,裂縫成長之工件實體圖 ----------------- 65
圖 4-44 具引伸扣環模具及初始孔徑 3.00mm料片之數值模擬
裂縫成長歷程圖 ---------------------------------- 66

參考文獻 參考文獻
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論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2011-03-27公開。
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