汽车车身零件设计与模具设计的工艺分析技术

汽车车身零件设计与模具设计的工艺分析技术KMAS 商品化软件系统是我国优秀的博士生导师、吉林大学车身与模具工程研究所所长、中国汽车工程学会车身技术委员会委员胡平所领导开发的。胡教授在汽车车身零件设计及模具设计方面浸淫多年，具有丰富的理论和实践知识。而这款 KMAS 商品化软件系统也获得了美国汽车设计同行的一致好评。由于篇幅所限，本文只是极为概括地阐述了基于自主开发的 KMAS 商品化软件系统及其相关技术在车身部件快速仿真设计与数字化模具技术中的典型应用。KMAS 技术跟踪国际汽车工业的发展而开展的深入研究和商品化软件开发，将在今后的杂志中与观众见面。在日新月异的社会需求和激烈的市场竞争之下，每一个企业都需要在成本和效益之间谋求发展，工业生成更是发展到了目前的大规模生成模式。高效的产品开发、高质量的产品制造对企业在日益激烈的商业竞争中的发展产生了决定性的影响。随着我国加入 WTO，我国的工业面临着巨大的挑战，技术领域的竞争已经成为企业生存和发展的一个重要砝码，特别是汽车工业。以有限元法为代表的数值模拟系统已经与 CAD/CAM 系统相结合，形成模具设计、分析与加工一体化的 CAD/CAE/CAM 集成系统，其目的在于减少模具的设计与调试周期、降低模具加工成本，并提高产品质量与市场竞争力。将有限元仿真技术引入车身部件的设计过程，使得“上游”车身零部件设计与“下游”的工艺设计和模具制造紧密结合，将工艺设计和制造中可能出现的诸多问题尽可能地在部件早期设计阶段得到初步解决，这一称之为“可制造性设计（Design for Manufacture，DFM）”的数字化技术，近年来在国际上引起了广大设计制造厂商的关注。制造的灵魂是设计，设计的灵魂是创新。对于现代设计理论及方法的研究是汽车制造业自主发展中最紧迫的课题，却又是“Know How”众多受到外国人垄断和控制的工作最薄弱的环节。这与一个 13 亿人口和正在进行现代化建设的大国的地位不相称。作为具有汽车车身制造业创新设计特征的“基于计算机仿真的车身部件快速工艺设计与数字化模具制造技术”，正是解决上述若干“Know How”问题的重要途径。吉林大学车身与模具工程研究所自主开发的汽车覆盖件冲压成形工艺分析 CAE 商品化软件KMAS/increment 和用于车身部件快速仿真设计分析的商品化软件 KMAS/One-step，为实现“汽车车身零件设计与模具设计的工艺分析技术”提供了强有力的数字化分析工具。该软件系统已经通过二次开发技术，成功地与国际著名的设计软件 NX 相互集成。本文以具体的车身部件为例，从两个方面介绍利用 KMAS 系统进行汽车车身零件设计的工业应用。一、基于 KMAS/One-step 和 UG 软件集成的轿车车门数字化快速仿真设计用 KMAS/One-step 和 UG 软件集成设计轿车车门的快速仿真设计参数化优化设计过程与一般方法不甚相同，其中包括在 UG 平台下的参数化快速建模（该设计过程比传统设计方法提高效率80%），选取和优化冲压方向，自动生成有限元网格，输入材料参数和约束条件，使用KMAS/One-step 进行求解计算、成形性观测与优化方案修订及自动返回参数化修改等步骤。这些步骤的具体操作与其他案例无甚不同之处，由于篇幅所限这里不再赘述。UG 与 KMAS/One-step 软件集成进行快速参数化可制造性设计的流程图，如图 1 所示；快速仿真设计参数化优化设计过程如图 2 至图 7 所示。图 1 UG 与 KMAS/One-step 集成进行快速参数化可制造性设计的流程图图 2 UG 平台下的参数化快速建模图 3 选取和优化冲压方向图 4 自动生成有限元网格图 6 使用 KMAS/One-step 进行求解计算图 7 成形性观测与优化方案修订及自动返回参数化修改车身部件的设计过程是一个反复迭代修改和调整的过程。按照本文的技术实现，工程师根据一次的仿真结果，就可以初步了解部件的可制造性。若设计方案不达标，设计人员可以直接返回到 UG NX 界面修正不合理的设计环节，并继续进行仿真模拟优化，直到获得满意的设计方案。这项车身部件快速仿真设计技术得到的初步优化方案对“下游”的工艺设计与加工具有可继承性。为更精细的模具设计与制造提供了有价值的信息。下面是在早期部件设计过程中发现并解决汽车车身部件的破裂问题的实例。图 8 与图 9 为车身侧围在设计阶段采用 KMAS/One-step 进行快速仿真设计解决实际问题的例子。图 8 为设计阶段的部件角部通过 KMAS/One-step 计算分析后，发现的成形破裂部位；图 9 为依据仿真而改进设计后的合理的厚度分布状况。图 8 发现成形破裂部位图 9 合理的厚度分布状况二、基于 KMAS/Increment 的车身部件工艺优化与拉延模面设计下文以复杂的前地板件冲压工艺优化为例，介绍如何解决冲压工艺中局部起皱和破裂问题的。前地板零件数模示于图 10，前端上翘 22，中间带凸包，属于大型拉延件。由于制件沿轴向截面变化的特征，预计在冲压成形过程中细颈段会出现皱折。因此该冲压件成形分析的目标是对其成形性进行全面评估，通过合理的工艺补充面和压料面设计及工艺条件优化，提出改进方案。材料选择 08AL-Z，板厚 1.0mm，其材料参数为：强度极限为 299.5Mpa，屈服强度为173.0Mpa，加工硬化指数 n=0.198,厚向各向异性系数为 1.566，硬化系数 K503.1Mpa。图 10 前地板零件图图 11 工艺补充及压料面工艺补充及压料面设计如图 11 所示，其设计要点主要在两个端头上，前端呈直筒型，上翘10，其顶面略高于零件表面，后端为平直筒型。工艺补充和压料面尺寸见图 11 所示。 图 12 为按原始模具结构模拟仿真后发生严重破裂和皱折的结果。图 12 初次模拟结果示图工艺方案优化与坯料及模面设计将经过五次优化分析，优化成功的冲压工艺为：1.为防止细颈顶面皱折和改善成形条件，前端工艺补充的梯形截面下底边 L1 和 L2 的取值非常关键，应取 L1L2340mm。2.为防止冲压过程前端头进料，从而加剧细颈顶面皱折，这里采用 R6 双筋，其效果比拉延槛好。3.根据平板料与预弯坯料对最终构形的影响，建议采用矩形平板料（如图 13 和图 14 所示）。图 13 和图 14 所示为平板料与预弯坯料对最终构形的影响。图 13 平板料（一处破裂） 图 14 预弯坯料（皱褶和两处破裂）4.为了改善细颈处成形条件，其根部圆角必须放大（如图 15 和图