（光学工程专业论文）基于数值模拟的轿车冲压件成形质量控制关键技术研究.pdf

摘要 摘要 汽下下身制造水平是决定汽车产品市场竞争力的主要冈素之一，而乍身覆盖件冲压成 形是决定车身质餐的关键1 ：艺。汽车冲压什成形质带的好坏不仅影响剑整车裟配、汽车外 观，更影响到汽车的制造成本以及新下型开发的周期。目前，国内汽车企业在汽车冲压件 制造方面的整体水平还比较落后，冲压件模具设计开发能力较低，冲压什的成形质量和形 状精度较差；冲压f ，| ：质量控制仍依赖于有限的经验和试验。 为了提高我国冲压仆成形质鼙，从材料、模具设计和成形i 艺等方面，以有限元数值 模拟为手段，针对车身设计和制造关键问题的理论和应刚技术重点开展了冲压制：可制造性 分析、轿车冲压件多步冲压成形过程仿真及实验研究、覆盖1 1 二冲压成形 ：艺优化设计、拼 焊板冲压成形特点及质量控制等关键技术的研究，建立了汽车扳冲压成形动态仿真系统， 为冲压忭成形质量控制提出了系统的科学方法和手段。 针对目前仿真技术中的计算效率和精度问题，研究了仿真的力学模型等理论问题，提 出了新刑的等效拉延筋阻力模型，开发了相应软件，提高了计算效率和精度；并进一步将 本项日开发的软件和有关商业软件相结合，建立了高效的仿真系统，应用于解决实际冲压 成形质鼙诊断、冲压模具及l ：艺设计等问题。主要研究成果如f ： 1 ) 拉深筋优化设计 、 ( 1 ) 从材料的硬化特性和各向异性特性、拉深筋的弯曲角及有效弯曲半径儿个方面 对常用的w e i d e m a n n 拉深筋阻力模型进行改进，提出一种改进的半圆形拉深筋 和矩形拉深筋的等效阻力模型 ( 2 ) 开发集合新型等效拉深筋阻力模型和高效混合优化算法的拉深筋优化系统，通 过优化求得成形所需的拉深筋阻力，进而得到拉深筋几何形状 ( 3 ) 拉深筋优化设计系统在实际车身覆盖件冲压模具及其工艺设计、调模试冲中的 应用验证( 南汽新车型连接板、后门内板) 2 ) 板料多步冲压成形仿真及翻边成形工艺研究 ( 1 ) 多步冲压成形过程有限元仿真分析 ( 2 ) 翻边成形规律研究 ( 3 ) 实例分析 3 ) 车身冲压件可制造性分析 ( 1 ) 可制造性分析的关键技术研究，包括：弹塑性大变形运动方程和本构关系、板 料和模具之间的接触和摩擦、求解算法 ( 2 ) 后门内板、后门外板和发动机罩外板的可制造性分析 ( 3 ) 典型零件冲压模具设计，包括工艺补充面、压料面、凹模型面及毛坯外型设计 ( 4 ) 典型零件的冲压工艺设计，包括压边力、摩擦力、拉深筋布置等 4 ) 拼焊板冲压成形技术研究 ( 1 ) 拼焊板材料性能的研究 ( 2 ) 拼焊板冲压成形过程有限元模型的建立 ( 3 ) 拼焊板冲压成形特点分析 ( 4 ) 拼焊板冲压成形质量控制方法的研究 以上研究成果被应刚于上海大众、上海汇众、宝钢、南京跃进汽车等企业，有效地降 、 低了废品率，促进了国产铜板的推j 。使 j ，提高了冲压i ：艺及模且改计能力。! 、。、 关键词：冲压、拉曼正筋、等效阻力模掣、拼焊扳、翻边、优化设计、数值模拟 a u t o b o d ys t a m p i n gq u a l i t y c o n t r o l t e c h n i q u e b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b s t r a c t a u t o b o d ys t y l i n gi so n e o f t h em a i nf a c t o r sw h i c hd e t e r m i n et h ev e h i c l e s s u c c e s si nt h e m a r k e t c a rp a n e ls t a m p i n gt e c h n o l o g yi st h ek e yp r o c e s st od e t e r m i n ea u t o b o d yq u a l i t y t h e q u a l i t yo fs t a m p i n gp a r t sa f f e c t sn o to n l bc a ra s s e m b l y a n db o d ya p p e a r a n c eb u ta l s o m a n u f a c t u r i n g c o s ta n dd e v e l o p i n gp e r i o do fn e wc a rs t y l et o d a ys t a m p i n gt e c h n o l o g yo f d o m e s t i ca u t o m o b i l ee n t e r p r i s e si sd r o p p e db e h i n do na s p e c t so f d i ed e s i g n ，s t a m p i n gq u a l i t ya n d s h a p ee r r o r t oi m p r o v et h es t a m p i n gq u a l i t yw er e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo f s t a m p i n gp r o c e s s ， s u c ha sp r o d u c i b i l i t yo fs t a m p i n gp a r t s s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o na n a l y s i so nm u l t i 。s t e p s l a m p i n g c a rp a n e ls t a m p i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o n a n da l s oc h a r a c t e r i s t i c so f t a i l o r w e l d e db l a n k f o r m i n g ，o ns i d e so f m a t e r i a l d i ed e s i g na n df o r m i n gt e c h n o l o g y ，b ym e a n so ff i n i t ee l e m e n t m e t h o dt h es t a m p i n gs i m u l a t i o ns y s t e mo f m e t a ls h e e ti se s t a b l i s h e dw h i c hp r o v i d e sas y s t e m i c m e t h o df o rs t a m p i n gq u a l i t yc o n t r 0 1 t h ee q u i v a l e n td r a w b e a dr e s t r a i n i n gf o r c em o d e la n dt h er e l e v a n ts o f t w a r ea r ed e v e l o p e d a i m e da tc o m p u t a t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo fs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y t h ed e v e l o p e ds o f t w a r e i sc o m b i n e dw i t ht h ec o m m e r c i a ls o f t w a r et os e t t l ed o w nt h eq u a l i t yd i a g n o s i sp r o b l e ma n d s t a m p i n gp r o c e s sd e s i g n t h em a i nr e s u l t so b t a i n e di ss h o w na sb e l o w ， ( 1 ) d r a w b e a do p t i m i z a t i o nd e s i g n 夺i m p r o v eo n w e i d e m a n nd r a w b e a df o r c em o d e lo ns i d e so fm a t e r i a l h a r d e n i n ga n d a n i s o t r o p i cc h a r a c t e r i s t i c s ，b e n d i n ga n g l ea n de f f e c t i v eb e n d i n gr a d i u s a ni m p r o v e d e q u i v a l e n tf o r c em o d e lo f s e m i c i r c l ea n dr e c t a n g u l a r b e a di sp r o p o s e d f 2 ) 夺 夺 夺 ( 3 ) 夺 夺 夺 a nd r a w b e a do p t i m i z a t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e dw h i c hc o m b i n e dt h e n e wd r a w b e a d f o r c em o d e la n dh i g he f f i c i e n c yh y b r i do p t i m i z a t i o na r i t h m e t i c t h er e q u i r e dd r a w b e a d r e s t r a i n i n gf o r c ea n dg e o m e t r 3p a r a m e t e r so f t h e b e a dc a nb eo b t a i n e db yt h i ss y s t e m a p p l i c a t i o na n dv a l i d a t i o no f t h ed r a w b e a do p t i m i z a t i o ns y s t e mo nc a rp a n e ls t a m p i n g d i ea n dp r o c e s sd e s i g n r e s e a r c ho nm u l t i s t e pf o r m i n gs i m u l a t i o na n df l a n g i n gp r o c e s s f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no nm u l t i - s t e pf o r m i n g f o r m i n g c h a r a c t e r i s t i c so f f l a n g i n gp r o c e s s c a s es t u d y a n a i y s i s o i lc a r p a n e lp r o d u c i b i l i t y k e yt e c h n o l o g ys t u d y ，s u c ha se l a s - p l a s t i cl a r g ed e f o r m a t i o nm o t i o na n dc o n s t i t u t i o n e q u a t i o n ，c o n t a c ta n df r i c t i o nb e t w e e nb l a n k a n dd i e ，a n da l s oc o m p u t a t i o na l g o r i t h m p r o d u c i b i l i t yo f b a c ki n n e ra n do u t e rd o o rp a n e l ，m o t o rc o v e rp a n e l d i es u r f a c ed e s i g no f t y p i c a lp a r t s ，i n c l u d i n ga d d e n d u m ，b i n d e rs u r f a c e ，d i ef a c ea n d b l a n k s h a p e 摘要 夺 s t a m p i n gp r o c e s sd e s i g no ft y p i c a lp a r t s ，i n c l u d i n gb i n d e rf o r c e f r i c t i o nf o r c ea n d d r a w b e a dd l a c e m e n t - ( 4 ) f o r m i n gt e c h n o l o g yo f t a i l o rw e l d e db l a n k 夺r e s e a r c ho nm a t e r i a lb e h a v i o ro f t a i l o rw e l d e db l a n k 夺f i n i t ee l e m e n tm o d e lb u i l d i n go f t a i l o rw e l d e db l a n ks t a m p i n g 夺a n a l y s i s o ns t a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t a i l o rw e l d e db l a n k 夺s t a m p i n gq u a l i t yc o n t r o lm e t h o do f t a i l o rw e l d e db l a n kf o r m i n g t h er e s u l t so b t a i n e da r ea p p l i e dw i d e l yi nt h ee n t e r p r i s e s ，s u c ha ss v w ，h u i z h o n g ，b a o s t e e l a n dn a n j i n gy u e j i na u t o m o b i l ec o r p o r a t i o n t h e ya r eu s e dt or e d u c et h er e j e c tr a t i o l a r g e l y ， p r o m o t et h ea p p l i c a t i o no f h o m e m a d eb l a n k ，a n di m p r o v et h ea b i l i t yo f s t a m p i n gp r o c e s sa n dd i e d e s i g n k e y w o r d s ：s t a m p i n g ，d r a w b e a d ，e q u i v a l e n tf o r c em o d e l ，t a i l o rw e l d e db l a n k ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 上海交通人学博l 后研究工作报告 第一章绪论 第一章绪论 1 1 板料冲压成形仿真的研究进展 作为一种生产方式，冲压生产已经成为一项成熟的生产技术；但是，作为一种工艺和力 学过程，板料冲压成形一直是一个“黑箱”。在传统的冲压件生产中，无论是生产：i ：序、工 艺参数的规划，还是模具的设计制造，材料的选择，坯料形状和尺寸的确定等，都要经过多 次试生产和多次调试修正才能确定，这是一个试错的过程，因而造成人力、物力和财力的大 量消耗，生产成本高，周期长。 由于对冲压成形过程进行理论分析的困难，早期的研究主要集中于试验分析。k e e i e r 和g o o d w i n 于6 0 年代初发明的圆网格分析技术，大大提高了人们对冲压成形过程中金属流 动规律的认识，成为板料冲压成形试验分析的重要工具。通过试验分析，虽然对板料成形过 程获得了一定的认识，但依然没有打开这个“黑盒子”的全貌，而试验分析本身具有两方面 的不足：第一，试验分析难以对复杂零件的成形过程进行有效地认识；第二，试验分析只能 在已作出很火投资、设计制造了模具原型的情况下才能进行，依然要进行多次的冲压过程， 依然是费时费力的，不能最大限度地减少成本。因此，人们在积极寻求新的方法来研究和认 识板料冲压成形过程。 八十年代初，由g m 公司的n m w a n g 、b u d i a n s k y 教授和f o r d 公司的s c t a n g 等 人把数值仿真方法成功地应用于车身扳料冲压成形过程的分析中，形成了车身板料冲压成形 仿真分析的应_ 【 j 研究领域。 一般板料成形问题是非常简单的。事实上，国外7 0 年代末以前的研究i = 作，无论是用 试验力学方法，还是刚解析力学方法，或者是用计算力学方法，都是以非常简单的问题为主 要研究对象的，而方形盒的拉延问题，只是到了8 0 年代中期才开始被研究。 与一般扳料冲压成形问题的相对简单性形成鲜明对比的是车身覆盖件冲压成形问题的 复j 性，表现在：( 1 ) 覆盖件尺寸较火，几何型面非常复杂，多为空间自由曲面，无法用解 析形式表述，只能【l j 参数曲面米表示；( 2 ) 覆盖什成形时，坯料上各部分的变形状态甚为复 杂，差别很大，各处应力应变也很不均匀，一个零件的成形往往兼有拉延、胀形、翻边、弯 曲等多种形式；( 3 ) 由r 覆盖件模具上压边罔的压料面和凹模支承面多为空间翘曲曲面，不 象一般板料成形时压边圈和支承面那样平整，因此覆盖件成形有明显的“压边网成形过程， 而一般板料成形问题中，这一效应不明显，因而总被忽略掉；( 4 ) 覆盖件成形时，模具表面 与坯料的接触状态非常复杂，处于连续变化之中，由此引起的摩擦润滑状况也非常复杂，难 以有效把握和控制；( 5 ) 覆盖件成形时，有关工艺边界条件也非常复杂，难以确定，比如压 边力，它不仅是时间的函数，还是压边位置的函数，凸模速度和冲压力则都是时间的函数； ( 6 ) 由丁- 覆盖件及其模具儿何型面的复杂性，导致冲压时金属流动和变形的不均匀性，为此， 需要在乐边罔和凹模支承面上设苴拉延筋，从而对金属流动和变形进行有效地控制。 下身覆盖什冲压成形的上述特点和复杂性，决定了乍身覆盖件冲压成形问题不同丁一般 扳料成形问题的本质，必须把它作为一类特殊的问题来研究，而不能简单地当作一般板料成 上海交通大学博t 后研究工作报告 第一蕈绪论 形问题去分析处理。 1 9 7 8 年，n m w a n g 和b u d i a n s k y 发表了他们的著名论文“a n a l y s i so fs h e e tm e t a l s t a m p i n gb yaf i n i t ee le m e n tm e t h o d ”。他们指出，把一般板料成形问题的分析方法直 接应i l j 到复杂零件( 如覆盖件) 的冲压成形分析中是有“障碍”的；必须考虑到在覆盖件冲压 成形情况r 材料本构关系的1 线性和摩擦接触问题的非线性，必须考虑复杂几何边界的描 述。 1 9 9 1 年，刚塑性有限元理论的创立者小林史郎教授指出，那些成功地用于简单板料成形 问题模拟的方法不一定对复杂问题适用，即使勉强获得了个分析结果，这个结果的可靠性 也是值得怀疑的。s a r a n 还指出，效率和可靠性是非常重要的，对于大型复杂零件的冲压成 形过程进行仿真，不能简单地认为使用更高档的计算机就可以解决问题。 目前应用成熟的计算力学方法主要有有限差分法、有限元法和边界元法等，其中可用于 冲压成形分析的方法有有限差分法和有限元法。在冲压成形数值仿真的研究历程中，初期都 采_ l j 的是有限差分法，而有限元法则是在7 0 年代中期才开始应用于冲压成形数值仿真研究 的。 1 有限差分法 有限差分法是将求解区域沿某一确定的止交方向分割为离散网络，将网络结点的数值作 为待定函数，这样描述问题的微分方程和边界条件被离散为差分方程。 b u d i a n s k y 和n m w a n g 在1 9 6 6 年蹦有限差分法模拟了s w i f t 试验。由于他们考虑了 材料的各向异性，冈而计算结果与试验结果非常吻合。n m w a n g 在1 9 7 0 年提出了忽略弹 性的塑眭人变形有限差分格式，并分析了圆形坯料在半球凸模下的胀形问题。同年，b k a f t a n o g l u | 】jm a l e x a n d e r 也用有限差分法模拟了半球凸模胀形问题。在他们的工作 中，考虑了材料的各向异性、加工硬化特性和模具与坯料之间的摩擦等因素，并且首次指山 冲压成形过程是一个准静态的力学过程；他们的模拟结果和试验结果吻合得非常好。 虽然瑚有限著分法能够分析一些非常简单的冲压成形问题，但由于有限差分法处理复 杂、变化的边界条什的能力1 i 常弱，而且其计算效率很低，所以有限差分法无法应用于像车 身覆盖r | ：这样的复杂零件的冲压成形问题的分析。而有限元理论的发展使得人们开始考虑瑚 有限元方法来分析冲压成形问题。 2 有限元法 c l o u g h 教授丁1 9 6 0 年发表的并名论文“t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di np l a n es t r e s s a n a l y s is ”中首次提出“有限元”这一名词。有限元法建立之初，只能处理弹性力学问题， 闪而无法应川r 金属塑性成形分析。 1 9 6 7 年，p v m a r c a l 教授和i p k i n g 提山了弹塑性有限元格式。1 9 6 8 年，山田嘉 昭推导了小变形问题弹塑性矩阵的显式表示，大大推进了小变形弹塑性有限元法的发展和应 埘。以小变形理论为基础的弹塑性有瞑元法不适合丁1 分析像冲压成形这样的大变形塑性成形 问题，冈此，人们义致力丁发展人变形弹塑性有限元法。1 9 7 0 年，h i b b i t 、m a r c a l 和r i c e 基丁有限变形理论应h j 增量法建立了全l a g r a n g i a n 格式的大位移、火应变弹塑性有限元法。 m a r c a l 教授总结了臼己的研究成果，于同年推山了弹塑性有限元程序m a r c 。此后，m c m e e k i n g 和r i c e 在1 9 7 4 年建立了更新的l a g r a n g i a n 格式的大变形弹塑性有限元法。1 9 7 3 年，o d e n 、 b h a n d a r i 、y a g e w a 和c h u n g 建立了热粘弹塑性人变形有限元方法。至此，应刚于人变形问 题分析的弹塑性有限元理论已经系统地建立起米了。 对于金属塑性成形而言，由丁弹性变形远小丁材料的塑性变形，冈此在某些情况p 可以 - 2 上海交通大学博士后研究丁作报告第一章绪论 忽略弹性变形。k o b a y a s h i 和c h l e e 认真分析了这个问题，于1 9 7 3 年提出了刚塑性有 限元方法。在刚塑性有限元理论中，材料在屈服前呈刚性；在屈服后的塑性变形阶段，材料 的流动被看作是不可压非牛顿流体的流动。z i e n k i e w i c z 在1 9 7 4 年提出了粘塑性有限元法， _ j 不可压非牛顿流体力学理论和方法来分析金属材料的塑性流动。 就金属塑性成形而言，弹性有限元和弹塑性有限元都考虑了加载或卸载时材料的弹性变 形这类有限元法被称为“固体型”有限元法；刚塑性有限元方法和粘塑性有限元法忽略弹 性变形，把金属的流动视为非牛顿流体的流动，这类有限元法被称为“流动型”有限元法。 “同体型”和“流动型”有限元法的建立和完善，使得处理金属塑性成形问题成为可能。从 此，在 业化国家，用这两类有限元法对冲压成形问题进行仿真的研究热潮蓬勃兴起了。 从7 0 年代中期开始用有限元法研究冲压成形问题以来，经过众多学者十多年的努力探 索，到八十年代末，人们已经能够用“固体型”和“流动型”有限元方法成功地分析轴对称 等二维成形问题，而且也能够对诸如方形盒这样的简单三维成形问题进行仿真；人们有理由 相信，用有限元方法对车身覆盖件的冲压成形过程进行成功仿真的目标将成为现实。 事实上，在冲压成形有限元仿真研究不断取得突破时，人们开始考虑把有限元方法应_ e f j 于车身覆盖件冲压成形这个“黑箱”的分析之中，这种尝试是在mm w a n g 和b u d i a n s k y 的指引f 开始的。7 0 年代末，n m w a n g 建议f o r d 公司的s c t a n g 应针对覆盖件冲压 成形的特点朱研究其有限元仿真问题，首先应研究“压边网成形”问题。在w a n g 的建议下， t a n g 首先研究了轿车行李厢盖冲压成形过程中的“压边圈成形”过程，并在1 9 8 1 年首次完 成了行李厢盖冲压成形的有限元仿真分析。接着，t a n g 又完成了轿车前翼子板冲压成形的 有限元分析。随后，t a n g 等人系统地研究了用有限元方法分析覆盖件冲压成形问题。有力 地推动了有限元方法在覆盖件冲压成形仿真分析中的应用。就这样，车身覆盖件冲压成形有 限元仿真研究在工业化国家全面展开了。 同顾冲压成形有限元仿真研究历史，可以看出b u d i a n s k y 、n m w a n g 、k o h a y a s h i 、 z i e n k i e w i c z 、s c t a n g 等人做出了重要贡献。当前，国际上己形成了几个有影响的研究 组织，它们是： 1 以s c t a n g 为代表的f o r d 公司的研究小组。他们基于增量型弹塑性有限变形理 论，采用n e w t o n r a p h s o n 迭代算法求解，建立了专门用于分析车身覆盖件冲压成形分析的 静力隐式( s t a t i ci m p l i c i t ) 格式的有限元方法。他们的一i ：作代表了汽车工业的应_ 【 j 研究方 向。 2 以n a k a m a c h i 、m a k i n o u c h i 为代表的日本板料成形研究组织。这是一个由来白丁汽 下一i ：业、钢铁r ：业、大学和政府机构的3 7 家单位组成的联合研究机构。他们基于增量型弹 塑性有限变形理论和m i n d l i n 板党理论，采用中心差分算法求解，开发了静力显式和动力显 式两种格式的有限元软件，应用于日本的一些汽车厂和钢铁厂。 3 以r h w a g o n e r 和t a 1 t a n 为代表的o s u ( o h i os t a t eu n i v e r s i t y ) 研究小组。他 们采用刚塑性和刚粘塑性本构关系，基于薄膜理论和板壳理论，采用修正的n e w t o n r a p h s o n 迭代法求解，开发了分别用于分析二维和三维冲压成形问题的静力隐式格式有限元软件。他 们对冲压成形有限元仿真中的接触问题的处理具有独剑之处。此外，他们还开展冲压成形的 试验研究：作，并且也卓有成效。 4 以d y y a n g 和j h k i m 为代表的韩国汉城人学研究小组。他们采心刚塑性和弹 塑性本构大系，戍j l i j 薄膜单元、壳单元和块单元，开发了静力隐式、动力显式利稳式显式 耦合二种格式的有限元软仆。 3 - j 二海交通人学博：e 后研究1 二作报告第一章绪论 5 以e o n a t e 等人为代表的位于巴塞罗那的国际工程数值方法中心 c i m n e ( i n t e r n a t i o n a lc e n t e rf o rn u m e r i c a lm e t h o d si ne n g i n e e r i n g ) 。e o n a t e 是 z ie n k i e w i c z 的学生。除了开展工程中的有限元理论和方法研究之外，他们还用“流动型” 有限元方法对冲压成形问题进行分析。近年米，他们发起了“n u m i s t a m p ”计划( p r o g r a m o f n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs t a m p i n g ) ，该计划的主要任务是对现有的各种用于冲压成形分 析的有限元方法进行比较和评价，包括有限元方法类型、本构关系、单元类型、积分算法等 研究内容。 随着冲压成形有限元仿真研究的蓬勃发展，轿车的行李厢盖、前翼子板、门外板、油底 壳、前庶横梁和滑动车门槽等零件的冲压成形过程被成功地仿真，有的仿真结果被用丁指导 零件及其模具和冲压工艺的设计和改进。 f o r d 公司在汽车行业首先提出c 3 p ( c a d c a e c a m p d m ) 的概念体系，希望把c a d 、c a e 、 c a m 集成起来，实现一致性的设计分析制造数据表达，形成一个统一的产品数据管理系统 ( p d m ) 。在f o r d 的c 3 p 体系中，其c a d c a m 主导核心软件是美国s d r c 公司开发的i d e a s m a s t e rs e r i e s ；用于覆盖件冲压成形仿真分析从而指导模具设计、指导冲压工艺设计和选 材的有限元软件是美国l s t c 公司开发的l s d y n a 3 d 和f o r d 公司的s c t a n g 等人开发的 m t l f r m 。白c 3 p 实施以来，f o r d 公司新车型开发周期由原来的3 6 个月缩短至1 2 到1 5 个月： 乍型开发的后期设计修改减少了5 0 ：样车制造和测试成本减少了5 0 。1 9 9 7 年，f o r d 公司 在全球汽车企业中，创造了最好的财务状况。 在汽车工业，还有许多应用覆盖件冲压成形有限元仿真分析在车型开发、模具设计制造 平l ：艺设计等方面火大降低了成本、提高了效率、从而取得成功的例子，如g m 、c h r y s l e r 、 m a z d a 、n i s s a n 、h o n d a 、f i a t 等。这一切都表明，冲压成形有限元仿真技术己在汽车工业 得剑1 。泛应用，成为汽车r 业降低成本、提高质量、提高市场竞争力的重要手段。 理论和技术上的日臻完善，使得冲压成形有限元仿真分析在汽车工业的应用日益受到重 视。目前，国际上众多的汽车制造企业都建有覆盖件冲压成形仿真分析系统，其核心是专业 化的有限元分析软件。覆盖件冲压成形仿真分析在多方面对冲压生产提供有力的支持：在设 计l ：作的早期阶段评价覆盖件及其模具设计、【艺设计的可行性：在试冲试模阶段进行故障 分忻，解决问题；住批鼙生产阶段t l j 丁缺陷分析，改善覆盖件生产质量，同时可朋来调整材 料等级，降低成本。 1 2 板料冲压成形仿真中存在的问题 应当承认，由于板料冲压成形的影响因素极其复杂，其研究涉及的学科领域极广，所以 住人们对扳料冲压成形问题的研究中依然存在许多问题。这些问题概括如下： 1 21 仿真建模的合理性、准确性 在冲压成形仿真研究中，建模过程包括儿何建模过程和有限元力学建模过程。几何建模 过样系指由零1 ，j ：产品模型建立相应冲压模具和坯料的三维儿何造型的过程，包括凸模、凹模、 压边圈、拉五正筋准确的造删和它们与坯料之间符合实际冲压情况的合理的“装配”。儿何建 模必须根据覆盖仆产品模艰的不同表达方式米确定相应的获得某步i ：序模具造型的技术方 - 窠；必须考虑合理的刑面表达方式：尤其是要保证儿何模型的绝对准确性，这一点至芙重要， 它是保i 止仿真分析结果可靠性的第一前提。由丁下身零什尺寸较人形状复杂，几何建模1 上海交通大学博l - 后研究 作报告第一章绪论 作是一个难点。 有限元力学建模过程系指选择适当的单元对几何模型进行离散化以获得有限元网格模 型：以合理的方式获得冲压仿真分析中准确的材料参数、摩擦润滑参数、工艺边界条件和各 种约求条件等，形成一个可直接_ 【 ； 于仿真计算的完整有限元模型的过程。已有的零件冲压成 形仿真研究工作中缺乏对有限元力学建模方法的研究，因而所确定的上述有关参数或条件常 常是不真实的：要么是查标准，要么是主观臆断。这都严重影响了仿真结果的可信度。 12 2 材料屈服模型 在板料冲压成形研究中，一般把模具处理为刚性材料，t 【f j 其几何型面来表示。对于板料 应当考虑为各向异性材料，采用各向异性材料的屈服模型。 12 3 计算效率和计算精度问题 覆箍件尺寸大，形状复杂。建立的相应的计算模型也是很复杂很庞大的。因此，在板料 冲压成形仿真研究中，必须考虑计算效率和计算准确度，尤其是当仿真计算结果被用于指导 设计时，计算准确度就至关重要。在已有的研究中，计算效率和计算准确度问题一直是争论 的焦点之一。 1 2 4 板料冲压成形仿真分析结果的合理性确证 人们在研究板料冲压成形问题的过程中，已经用不同方法对许多零件的成形过程进行了 仿真。这些仿真结果是否可靠? 这只有通过实际冲压检验才能得到确证。 1 2 5 回弹问题 板料冲压成形过程有三个顺序连接的阶段，第三阶段即为卸载过程，此时零件将在残余 赢力作用f 发生同弹。回弹问题非常重要，它直接影响冲压后零件的最终形状，进而影响模 具和焊装夹具的设计制造。然而由于回弹问题的复杂性，使得在冲压成形研究中，关于回弹 的研究。i ：作还没有取得突破性进展。 1 3 本文的主要研究内容 为了实现冲压成形质量控制体系，本文针对扳料冲压成形仿真分析中存在的问题，重点 开展了以f 几方面的研究亡作： 1 ) 车身冲压件可制造性分析 2 ) 板料多步冲压成形仿真及翻边工艺研究 3 ) 等效拉延筋阻力模型及优化设计系统的实现 4 ) 拼焊板冲压成形技术研究 建立了汽车板冲压成形动态仿真系统，为冲压件成形质量控制提出了系统的科学方法和 手段。以上研究成果推动了冲压成形仿真技术的实用化进程，对提高国内企业冲压件成形质 培、降低废品率、促进国产化钢板的使用和提高模具开发能力具有重要的意义。 海交通大学博，i ：后研究t 作报告第一章绪论 2 3 】 4 5 】 f 6 】 7 8 】 【9 】 1 0 j 1 1 】 1 2 】 1 3 】 1 4 】 1 5 【1 6 】 【1 7 】 【1 8 】 【1 9 】 参考文献 b 一c h e o k a ycn e e t r e n d sa n dd e v e l o p m e n t si nt h ea u t o m a t i o no fd e s i g na n d m a n u f a c t u r eo ft o o l sf o rm e t a ls t a m p i n g s ，j o u r n a lo fm a t e r i a l sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , 1 9 9 8 7 5 ：2 4 0 - 2 5 2 t a k e o n a k a g a w a ，r e c e n td e v e l o p m e n t si na u t ob o d yp a n e lf o r m i n gt e c h n o l o g y k e n - i c h im a t s u n o ，r e c e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nm e t a lf o r m i n gi nj a p a n ，j o u r n a l o fm a t e r i a l sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , l9 9 7 4 t a y l a na l t a n ，v i c t o rv a z q u e z ，s t a t u so fp r o c e s ss i m u l a t i o nu s i n g2 da n d3 df i n i t e e l e m e n tm e t h o d ：“w h a ti sp r a c t i c a lt o d a y ? w h a tc a nw ee x p e c ti nt h ef u t u r e ? ”j o u r n a lo f m a t e r i a l sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i9 9 7 i l y a m a d av p l a s t i cs t r e s s - s t r a i nm a t r i xa n di t sa p p l i c a t i o nf o rt h es o l u t i o no f e l a s t i c p l a s t i c p r o b l e m sb yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，i n t jo f m e c h a n i c a ls c i e n c e ，1 9 6 8 ，l o h o o n h u n 。 ss h a na n d d y y a n g a d v a n c e dt e c h n o l o g y l9 9 0 p r o c ，o f i c t p 一3 3 ：1 3 7 5 1 3 8 l rh i l l ，t h em a t h e m a t i c a lt h e o r yo f p l a s t i c i t y ，o x f o r dp r e s s ，1 9 9 0 b a r l a tf ，l e g ed a n i e lj ，b r e mj o h nc ，as i x - c o m p o n e n ty i e l df u n c t i o nf o ra n i s o t r o p i c m a t e r i a l s ，i n t jo f p l a s t i c i t y ，1 9 9 l ，7 ：6 9 3 7 1 2 cmh o f f m a n ，rj o a n - a r n y o ，c a da n dt h ep r o d u c tm a s t e rm o d e l ，c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，1 9 9 8 ，3 0 ( 11 ) ：9 0 5 9 1 8 dtp h a m ，ssd i m o v a na p p r o a c ht oc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g j o u r n a lo fe n g i n e e r i n g m a n u f a c t u r e ，1 9 9 8 ，2 1 2 ( b 1 ) ：1 3 1 7 r z u s t ，g c a d u f f , l i f e - c y c l em o d e l i n ga s a ni n s t r u m e n tf o rl i f e - c y c l e e n g i n e e r i n g ， a n n a l so f t h ec i r 只1 9 9 7 4 6 ( 】) ：3 5 1 3 5 4 v g d u f f y , g s a l v e n d y , c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gd i a g n o s t i cm o d e li n t e g r a t i n gp e o p l e o r g a n i z a t i o na n dt e c h n o l o g y , i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fc o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ， 1 9 9 8 1 lf 5 ) ：4 6 1 4 7 4 s m i t h p r o c e s sp l a ng e n e r a t i o nf o rs h e e tm e t a lp a r t su s i n ga ni n t e g r a t e df e a t u r e d b a s e d e x p e r ts y s t e ma p p r o a c h ，i n t e r n a t i o n a l j o u r n a lo fp r o d u c t i o nr e s e a r c h ，1 9 9 2 ，3 0 ( 5 ) ： 1 1 7 5 1 1 9 0 k k a t o ，a t o s h i m o t s u ，a o h a s h i ，e t c ，s t u d yo nc a ds y s t e mt of o r e c a s tt h ec o n t a c t i n g c o n d i t i o nb e t w e e np r e s sd i ea n ds t e e ls h e e t ，1 d d r gw gm e e t i n gm a y1 9 8 8 ，t o r