（机械制造及其自动化专业论文）汽车覆盖件拉延成形数值模拟与试验研究.pdf

中文摘要天津火学硕l 学位论文 中文摘要 板料成形过程数值模拟领域，是一个非常活跃的研究领域。同时也 是一个蕴藏着巨大经济效益的领域。随着有限元技术和计算机技术的发 展，数值模拟已逐渐成为工艺分析及优化设计的有效工具。本文针对本 构关系、边界条件施加的方法以及非线性方程组的解法等方面具体问题 对这一领域的发展和常用理论方法进行了系统的回顾和总结。本文采用 弹塑性有限元的数值模拟及试验研究的方法，对汽车覆盖件拉延过程中 的成形进行了数值模拟和试验研究。采用自行研制的拉延筋阻力和摩擦 系数测试试验系统，进行了拉延过程中拉延筋阻力和摩擦系数测试，为 数值模拟提供了基础数据。将拉延筋的试验结果和模拟结果进行了对 比，检验了汽车覆盖件有限元数值模拟的准确性。在进行大量实例计算 分析基础上，提出了基于有限元数值模拟的汽车覆盖件拉延工艺设计、 分析与优化技术流程。 关键词：板料成形：弹塑性：有限元：数值模拟；汽车覆盖件 a b s t r a c t天洋火学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i e l do fs h e e tf o r m i n ga n a l y s i si sa na t t r a c t i v eo n eb e c a u s eo ft h e e n o r m o u s i m p o r t a n c e o ft h e s u b j e c t t ot h ee c o n o m i e so fi n d u s t r i a l i z e d c o u n t r i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u ea n dc o m p u t e r ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e c o m et h ee f f e c t i v et o o lo f t e c h n o l o g ya n a l y s i sa n d o p t i m a ld e s i g ns t e pb ys t e p i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o ph i s t o r yo f t h i sa r e ai s r e v i e w e dw i t hf o c u so nc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s ，m e t h o d sf o ra p p l y i n gb o u n d a r y c o n d i t i o n s ，a n dt h es o l u t i o ns c h e m e so fn o n 。l i n e a rp r o b l e m t h em e t h o d so f e l a s t o p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a r ea d o p t e di nt h i st h e s i s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha r e c a r r i e do u ti nt h ep r o c e s so fa u t o m o b i l ep a n e l 出a w i n g d r a w b e a da n df r i c t i o n c o e f f i c i e n tt e s t e q u i p m e n td e s i g n e da n dp r o d u c e db yo u r s e l v e sw e r eu s e d ， d r a w b e a dr e s t r a i n i n gf o r c ea n df r i c t i o nc o e f f i c i e n tw e r et e s t e di nt h ep r o c e s so f d r a w i n g a n dt h eb a s i cd a t af o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a s p r o v i d e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fd r a w b e a dw e r ec o m p a r e d ；t h e a c c u r a c yo fe l a s t o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw a sf u l l yc h e c k e d b a s e d o dt h ea n a l y s i so fal a r g en u m b e ro f c o m p u t i n ge x a m p l e s ，d r a w i n gt e c h n o l o g y d e s i g n ，a n a l y s i sa n do p t i m a lt e c h n i q u ep r o c e s si na u t o m o b i l ep a n e ld r a w i n gi n v i e wo ff i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ec o n c l u d e d k e y w o r d s ：s h e e tm e t a l f o r m i n g ；e l a s t o p l a s t i c i t y ；f i n i t ee l e m e n t ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；a u t o m o b i l ep a n e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 嵋绚 签字日期：姗年j 7 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：，叼才为 导师签名： 签字同期：伽z 年f 月“目签字目期：加2 年f 2 月石闩 第一章绪论 弓| 言 第一牵绪论 投辩塑瞧戏形是个兖滚魅力黪学辩暇壤，它不搜具毒悠久鹣发震历变 供人们去追溯籁潮昧，潮虽留下了许多有趣躺研究课题作为詹探索者们的 用武之地。 诗葵毒f l 和各耱圣 冀撬辅助技术憋遮遮发爨，为现代工妲生产霸科学研究 提供了商效能的新工其。计算机辅助技术猩近如年时间内几乎威孺到各行 各数，劳l 冀其大凝熊技术成果和显著躲经济效益及社会效蘸撼示掇强大魄生 命力。 檄料塑性成彤，与其他学科专业一样，计算机和计算机辅助技术的应用 也越涨越广泛和深入。方露，用诗辫枫取代蔡些原来出入工突成躲工作， 残绩麓至卡凡嵇、凡十倍媲提高效率，势携鞴零平和质爨；弱方面，一些 人王灏法完成的工俸，由予有了计冀税这釉薅羧能的薪工其昶稠庶的耨技术 焉藏为爵笺。入稍骞宠分豹理由稳镫，诗冀瓤疆霸菝米将麓馥籽瓣往成形领 域各种课题的进一步深入研究开辟更加广阔的前景。 。2 净莲技术的矫炎及发曩臻获 穗匿是一耱巍迸熬鑫藕宓霸工方法。它蹩建立在金耩黧毪变形瀚蓦碹上， 利厢模具和冲珏设备对板料施加压力，使板料产生塑性变形或分离，从而获 褥嫩形状、尺寸和性能的零件。 渖蓬生产袄纛禳箕稻渖篷设备竞袋翔互过程，蠢我窀其有生产率高、搽 住简便、便于实现机械化襁自动他龄特点。浆躅精密复杂救模鼹，能加工出 蘑箕镰方法难予擞产懿形状复杂熬零佟，蠢只寸精度稳定，誊砉料穰蕊搴毫， 零件熬爨轻。在大批量嫩产中，是一种先进的优质、高产、低消糕和低成本 的加工方法。由于冲压生产的上述特点，因此在兵工、航空、电子、汽车、 电聪滚器、穰密仪器戳及轻工等各个艇产镁域索褥鬟广泛靛应瘸。蘧羞汽车 和家用电器等工娥的赢遮教展，在谗多先进王渡国家里，冲弧生产鞠模具工 、监褥猫舞废兹重壤、穗翔荚鬻秘e t 零，攘其互驻懿产篷溅超过瓿臻王鳖，摸 具工渡成为重要的产业部门，丽冲压艇产则成为生产优质先进机电产品的霞 要手段。 第一章绪论 扳料、模具和冲压设备怒冲压生产的三娶索。为了获得质优价廉的冲压 零件，必须提供优质的板料、先进的模具和性能优良的冲压设备；还应该掌 握板料的成形性能和变形规律，必须设计并制造出各种精密的复激模具，必 须生产嫩各嵇满足工艺要求的通用和专用的狰膳设备。目前世薨各国不断研 割密冷蒸经毙莛努戆扳瓣萋舅究援辩熬渖筮残形瞧戆，不錾改善摸楚热工设 备，设计研制高质量模具，生产出了对渖压生产其有关键作嗣的麓效率、高 精度和离寿命的大型复杂模舆，从而使冲压生产与模具工业进入了一个崭新 的阶段。 1 。3 板糕成形数遣模拟的发展历史和现状 板料塑性成形是利用盒属的塑性，通过横嶷( 或工具) 使简单形状的毛坯 成形为所需工件的技术。猩塑性成形中，材料的塑性变形规律、模鼹与工件 之间的滕擦现象、材料中濑度和微观组织的变化及其对制件质爨的影响等 等，黎蹩卡分复杂豹闯题。这镬褥塑性袋形工裴秘模翼设计软乏系绫熬、精 确鲍穗谂努耩手段，霖楚熏簧逢依据工程耀长期税累懿经验。对予笈杂懿成 形工慧鞠模具，设计质量难以得到保证；一魃关键性的设计参数黧在模具制 造出来之后，通过反复的调试、修改才能确定。这样就浪费了大嫩的人力、 物力和时间。而借助于模拟方法，则能使人们获得对于塑性成形道程规律的 谈识，以较奎翦代铨、在工慧设诗除段在较媛鹣对闯肉找到最优瓣妓可行的 设诗方繁。减少调试、修攒，避免工艺莰计严黧失误警致的壤菠。 随祷实验和理论分析的发展，塑性成形过襁模拟方法有了很大发展，并 已应用于科学研究和生产实践。所谓模拟，即是针对某个现象蛾过程的原 型，建立一个与该现象或过程具有相似性而又便予人们进行观测和控制的模 型，遁避磺究模型在各种条传下鲍响应来雄测源鍪 在相应条件下的婀应，从 瑟获缮瓣子藩鳖经箨瞧豹试谈。金蘑鋈毪戚形过程豹模叛方法分为物淫搂整 和数德模拟两大类。 物理模拟即采用物理模型进行实验模拟。骚使得物理模拟的结果能正确 地推广到原型，就应该在模拟中使模型与原型之间满足相似条件。会属塑性 成形遭弦的物理模拟方法露弼格法、云纹法，等等。 数壤搂熬采爨一缝数学方程f 一般是徽分方程嚣定簿条锌耱实黼过程撞 象成理论模型，采用诗算褫求得该理论模型谯不同条件下的数德解，以此推 第一港绪论 测在相应条件下所发生的窦际过程。随着计辫机技术的发展，数值模拟方法 越来越显示出巨大的优越性，成为虚拟成形和制造的关键技术。 蛰毙，它不鬟要建造狻理搂羹，鞭焉繁蛰了大量人力、籀力秘霹闫，并 使得在设计阶段即可对不同的设计方案及时遂彳亍评价，筛选出合璎的或最优 数方爨。萁次，数蕊攘撅筏提误工黪翡模熬审蔷缓理量 将每个单元鼹髓熬静载焚摄撵嚣溺力等效赘嚣巍( 不定是势力等 效) 穆溅到该单元的带点上，形成等效节点力。 7 ) 按照萋节点夔髂编号及节患垂密度翡蹶廖，将备肇元躺瓣n 赓方稷送热 瓣熬髂冀度方程。 8 ) 羧磐逮努甍赢努须滚廷懿筏蓼f 袭逡赛疆；转，磐袭整髂嚣液方程。 9 ) 求解整体剐度方稷，得到节点位移( 绒速度) 。 l 棂掘求褥携带点倥蓼或速度) 诗黪器鼙元懿应变( 或斑变速率) 鞠应 力。 ， 第二= 章弹塑性有限元蒸本簌理 在翅往成形过程的弹骥性有限元分析中，对弹塑性变形的物璐非线性性 质，通常是用增量的方法将非线性的材料本构关系，在一小段增檄的范围内 进行线性化处理。而在憋个变形过程中，仍舆有它原有的非线性性质。为 此，程分析计算中，载荷怒遮段加上的，或者农工件与工具接触面上工具强 这工夸瞧移楚逐羧产= 羔豹。掰激，塑谴残形j 建疆豹毒蔽元分辑是罔罐鏊法， 通过一繁捌匏增量步采实现的勰。 2 2 动力分析法 静力分析适用于静力闷题稠准静力问题，肖其广泛的应用领域。对于加 载速凌缓馒速度交耗枣，碍辍不考虑溪毪力豹潦势力袋形过程，袋建黪力分 析是嚣鬻有效敢。僵如采载旖是迅速加上静，必须考虑惯性力，这类成形过 程则魑渤力问题，必须进行动力分析。此时，陂采用包括惯性力的运动方程 ( 也可称为动力平衡方程) ，由虚功原理建立的材限元方程应合有干擞性力项， 我们可以简单地把惯性力作为体力豹一部分来考虑。在实际测量绪鞫的动力 魄应霹霹戏察到，振动对黢爨是毒损耗粒，程动力分携中透鬻翔与遽疫窍关 黪隰尾力来考虑这种损耗，霹把阻尼力作为体力弱一部分。奉节滋瞬雳有限 元法对众属塑性成形过程谶行动力分析的基本原理和方法，对弹瓣憔变形体 建立动力分析的有限元方糨。 2 2 1 纛功率方程 设谯t 对刻静裙体现辩褥形为v ，箕表蟊欷隽s ，s = s 。+ 麓+ 瓯，其中 s 。为外力p ，已知的表面；瓯是与另一个物体接触的表面，记接触寝面力为 q ，；s 。为位移约束表面，其位移是给定的，一般也称为位移面。物体v 发 生弹耀j 胜变形时满足下列熬本方程 平衡方羧： ，+ b ，一p o t ，一雄i = 0 在v 中 ( 2 - 1 ) 应力边界条件： 0 4 n i = p ie sp 王 o j 押= q ，谯s 。上 整移边界祭 睾： 毪= 毪在瓯上 式中，y 为阻尼系数：“，怒给定的位移。 8 ( 2 。2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第二章弹塑性有限元基本原理 设由运动学允许的任一虚速度场8 v f ( x 1 ，而，x 3 ，f )在微小时间间隔d t 内引越的媚威攫位移为审f ( 麓，x 2 ，x 3 ，f ) 上述运动方程和应力边界祭l 牛可集 合成如下积分形式 弧p a 。斗弦t 一。蛳一b , ) f l u 。d v + t ，碴g nj p ：) 6 u 。d s + l ? 碴。n i q ，) s v 。d s ( 2 5 j 在式弦一1 ) 移式2 5 ) 审，g ，是热速度；我翻尧“质量与麓速度游乘积并带上受 号”( 膨。) 称为作用于质点上的惯性力；同理，称( 一归。) 为阻尼力。利用高 额散壤定瑾霹下式 1 8 e 口= ( 面“+ j ，) ( 2 - 6 ) 有 l o 翻t d v = l 群i 嚣j 5 u 。d s 。a 6 i d v 求 得，裔 、 【m 】o 乙7 _ ) = o p 一。 f ) 【c o u ) 误差( ) ia0 7 1 30 7 2 51 6 8 l b0 8 8 50 。8 6 7- 2 6 3 lc 0 。8 1 8仇8 3 72 3 2 d0 5 7 6 0 5 9 02 。4 3 leo 。8 6 2o 8 7 1l 。0 4 密分桥绪荣霹觅，脊礞元分析绻聚与实测髂祭浇较懿合，波耀有隈元分 耩霹以遮翻预测汽车覆羲搏拉惩戏形势滋李亍缺照分凝熬题的。 5 。巷零耄小缩 零肇对蘩释新型的汽车车门舞板避行了脊辩元数德模羧，并对模数结渠 等实际进行了黠魄纛势橱，为模具设计移铡撩提供了磷嚣熬镶攒，实现了理 论与宾躐的有效结会。 第六章汽车疆羲转控廷工艺设诗、努褥蟊撬健技术流稳 第六章汽车覆盖件拉延工艺设计、分析和优化技术流程 6 ，1 概述 隧羞汽车工鲎懿笈澄，久 j 对汽车璇爨要隶越来越豢，援瓣或影工艺无 论穰汽车车身试制述魑在试生产初期，都超着非常重要的作髑。汽车制造商 们为获得优质美观的外巍形状，在覆盖件冲压形状和尺寸精度及质量上必须 狠下功夫。而长期以米汽车覆盖件成形工蕊设计和模具设计主要依赖设训 人燹的经验依靠莱魑定性鲍理论分摄和大量经验数据，不仅时闻长。两且 蠢予嚣浚诗参数怼王释黢鍪鹃影蠛难鼓旗怒，这些设嚣还登矮凌试模狳蔽聂 复修改，耗费大量魏力和财力。入们一赢期塑对汽车覆盖件蔽形有科学的分 析方法并为此作了长期努力。8 0 年代束，汽车覆盖件成形模 彗l 技术取得了突 破性进展，为汽车覆藏件成形提供了科学的分析方法。用计算机模拟汽车覆 盏l 牛的成形过程，能定爨地考察设计参数瓣王饽成形的影响，预测工件鲍应 交、嶷杰分毒及嚣撵、起皱蕺破裂静产垒，辘在短薅阉凑方矮鞠奁蕊遥蟹改 设计，铁蔼大大提翥设计效率和设计质蠹，减少狠犬一部分_ 箴模工作。近年 来，国外一些大学和汽率制造公司大力歼展这项工作，并取得了很好的效果 1 3 6 1 。 汽车覆盖件通常怒轮廓尺寸大、具脊复杂三维形状的板焱零件p 7 i 。对其 袋形过疆匏分辑，蠹予荚足嚣援述豹复杂瞧，咒嚣菲线投耪物瑗婺线性蛙 演，迭秀条箨如边券凡秘形状、接艇瘁攘条俘、挝延戆弱状态等) 的复杂性 和非线性，无法求得解析解，而只能求褥数值解。成形过程的计算机模拟可 有多种方法，而较成功的是有限元模拟。有限元模拟是一种邋应范围广，精 度较简的数值模拟方法。配合良好的图形照承系统，它可用图形显示出模拟 豹贼澎过程。随着计熬规、专照元法帮黧健变形理谂懿发震，缀辩成影数筐 模羧礴究，麸镩年代兴超，簿决了不少鞭来理论帮实验难潋熊决甚至无法鲜 决的问题，近年来取褥了很大进展，已成为模拟汽车覆盖件成形过程的有效 方法。 6 2 裔限元数值模拟分析流程 巷2 总流程 应用有限元法分析汽车覆盖件的一般流稷图1 弼i 见图6 - 1 1 ) 、拉延件工艺设计 第六章汽车覆盖件拉延工芑设计、分析和优化技术流榭 研究分析挝延件的结构特点，进行工艺设计，并初步建立数字模型，为 潮格划分和数镳模拟擞翦期准餐。 r + 拉延件工艺设计f j】 j i r - + - - - - - - - - 一u - - t l i f i ： l 2 一“l 一一 不好 j 有限元数值模拟卜 j j l。一! | i 6 - 1 分析流程图 2 ) 、有限元数值模拟 根据结构工艺特点，对拉延件进髫寿限元分析，褥出分橱结果。 3 ) 、成形工艺性分析 判别数值模拟的准确性，常用方法是将计薄结果与实验测量的结果进行 沈较。如果两者之间的误差在工程允许的范围内，刚认为这个计算耀准确 的。否则节点岛单元的划分或边界条件有问题，返回2 ) 。 4 ) 、修改模型 根据处理结果，w 得出结构工芑设计的不合理之处。需要修改，到 l ；竣计方寨合理，剿鬻5 ) 。 5 ) 、确定优化的工艺 输斑认为较佳静工芑方案。 第六章汽车糙蔫件拉蘧工艺设计、努析释 恍他按术流秘 以上是对挝蘧咎避行有限元模拟分橱的一般过纛。 拉延件 | 。 l 确定拉延方向 进行工艺枣 充i l | l l 确定蘧糕殛形状 | 厂奎 ，。，。、。j 【i 壶 一1 一，一”立一 确定坯料尺寸； 读入挝延件( 凹模 型露 i g e s 文件 划分有限元网格 检查并修改 肖鞭元醚格 生成愿边豳、凸摸 有限元网格模型 | 生成坯料模型 ( 攀元大小，形状 尺寸，材料) 施加边界条件( 压 边力，摩擦系数， 工其速度) 求解 后处理 j 一，一 _ _ “一 ，一一一一，上一一一 一。i t jl 1 材料变薄情况 ； 主、次应变大，3 、坯料变形情况 j 一 j l 一j ， 6 - 4 成形工艺性分析流程图 6 2 2 覆盖件拉延工艺设计内容3 7 j ( 1 ) 确定拉延方肉；( 2 ) 避雩亍工艺羚兖；( 3 ) 匿辩疆豹形款；( 4 ) 拉延憝鹣糍鬟和尼傣参数；( = s ) 圈模圜角足寸 d y n a f o r m 在两格捌分上优予p a m s t a m p 。d y n a f o r m 程荦冠鑫动麓 分之嚣遴器攀嚣震爨捡瓷，援逝攀元划分皱錾，手工遴：矮测狳及修钤上魄较 方缓；敝酝心强酝p 熬蛰基k 强赫三s 转农灏褥捡豢，穆蛰、删滁瓣旗上复 杂，难予掌握。 6 4 ，2 分析模鍪建立( p a m - s t a m p 俄凳) 两个软件务有特点，总体上部是出凹横偏鬣褥到凸模和疆遮圈。设黉必 要懿分析参数时，d y n a f o r m 学工设定工蒸的摩擦系数、运动的这麓、行程 稻聪迭力，板籽鼢各静参数( 这整需襄通道试验祷剿) ；两p a m - s t a m p 可 懿遴避鸯韵釉筝动两稀方式逡行设定参数：冬秘戳较方便，荡予攀糕：手动 霹鼓裰据安褥璃整，篙癸定靛分板经验。另外，p a m 。s t a m p 霹遴苻拉髦 第六章汽车覆盖件拉延工艺设计、分析和优化技术流利 筋的数值模拟，对拉延筋的阻力和上举力可以进行求解分析；内置的材料库 材料参数比较丰富，便于用户的条件输入。 6 4 3 分析计算( p a m - s t a m p 优先) d y n a f o r m 软件以l s d y n a 作为运算模块，l s - d y n a 是通用程序，考 虑其通用性，计算时间比较长，这对于实际生产是不利的，代价是昂贵的。 p a m - s t a m p 有q u i c k - s t a m p 和a u t o s t a m p 之分，前者计算时间短， 可以观察成形趋势，后者可得到冲压成形的最后结果，时间较长，但是比 d y n a f o r m 的运算时间要短的多。而且d y n a f o r m 对于反向拉延的压边力设定 不敏感，有限制，只适用正向拉延。 6 4 4 仿真结果后置处理 仿真结果后置处理模块根据计算结果，对成形过程进行全程动态仿真。 用户可以选择彩色云图或等高线方式观察工件的单元、节点处的厚度、应力 或应变的变化情况。此外，也可以采用截面剖切方式，得到要求的特殊截 面，观察目标参数情况，并可以输出结果数据文件。两者大同小异，建议 p a m s t a m p 。 6 5 网格重划分的选用策略 采用p a i - s t a m p 进行工艺分析： 工艺初步分析阶段，采用统一网格，不进行网格重划分，网格尺寸取 6 ，可以加快计算速度，以利于方案的比较分析。 详细工艺分析阶段，初始网格尺寸取8 或1 0 ，网格重划分阶数为l 或 2 ，这样可以获得较好的“质量+ 效率”的综合效果。 6 6 汽车覆盖件数值模拟的优化参数 6 6 1 板料网格划分 网格尺寸( m m ) 6 ，8 或1 0 。 一般情况网格6 可以得到比较满意的结果，如果出现穿透，可进行1 阶 网格重划分，但是计算时间较长。 4 8 第六章汽车覆盖件拉延工艺设计、分析和优化技术流槲 6 6 2 工具网格划分 1 ) 最大嘲格尺寸( m m ，3 0 2 ) 最小网格尺寸( r a m ) 0 5 3 ) 控裁零元大小瓣弦( r a m ) 程1 5 4 ) 单元平面间角度( m m ) 2 0 6 6 3 板料特性 1 ) 单元类鍪选择：b e l y t s e h k o - t s a y ( 教辩藤形模撅逶臻藏类蕈元) 2 ) 虚拟冲压速度( m s ) 5 或1 0 ( 根据实际嫩产中的冲压速度，为谶行计 算辩阕豹减少，需将羚筮速度援蹇1 8 倍) 6 6 ，4 材料数据定义( p a m - s t a m p ) 材料数据程整个计算机模拟中起赭至关重黉的作用 1 ) 选择嚣素释类( e l e m e n tt y p e ) 如：s h e l l ( 壳元素) ：用于板料，z 具 “ m e m b r a n e 薄膜元素) ：膜单元 s o l d ( 体元素) ：实体( 是要是体积成形) b a r b e a m ( 秆、梁冗素) ：披延筋 2 ) 选择誊| 料模型( m a t e r i a l m o d e l ) n u l lm a t e r i a lf o rs h e he l e m e n t ( 1 0 0 ) ：模其用( 空材料) a n i s o t r o p i c e l a s t i cp l a s t i c 1 0 7 ) ： 各自爨楼弹塑性，逶溺子撬毒糖料 a l u m i n u m ( 1 0 9 ) ：铝及其合金专用 n o n l i n e a r v i s e o d a s f i c ( 1 2 蛰：l 线毪糕撵毽，越塑毪褪籽 m u l t i l a y e r e ds h e l l - c o m p o s i t e ( 1 3 0 ) ：复合材料 t h e r m o v i s c o e l a s t i c ( 1 4 0 ) ：熬粘弹毪材辩，澈阉 孛舔 3 ) 选择成变率( s t r a i nr a t em o d e l ) ( 可选项) 考虑冲压中应变率( 局部冲速) 对材料的影响，通常可忽略。 4 ) 定义撼辩数据 4 1 ) 扬氏模量y o u n g s m o d u l u s e ( 实际测定或由用户提供) 4 2 ) 港羧毙p o i s s o n sr a t i o ( 实际嚣霆或由爨户提供) 第六章汽车覆燕髑：拉延工艺设计、分橱和恍纯技术流糕 4 3 ) 4 4 ) 4 s ) 4 6 ) 材科密度d e n s i t y ( 实际测定或由膊户提供) 材料厚度( 实际测定或由用户提供) 材料h o u r g l a s s 控制( 可选项) 模移漏系数o 。o l 警霞乡 移瀑系数0 0 1 旋转砂漏系数0 0 1 材料断裂准则( 可选项) 最小比率厚度通常敬0 6 ，因为在生产实际中，板料厚度炎薄 4 0 藏纛经教裂。 4 7 ) 材料的积分蕊羽与积分点数晷f i n t e g r a t i o nr u l e a n d i n t e g r a t i o n p o i n t s ) 积分点会直接影响计算结果，太大不准，太多计算速度慢 浮度方向积分点选取准则： 3 令积分患：一觳成澎 5 个积分点：复杂成形，较高精度，回弹计算 7 个积分点：回弹计算 4 。8 ) 材料硬化规律和曲线 疆证囊律： ( s t a n d a r d ：标准( 聪服点和7 个应力- 成变点) ( 必须通避试验获得 数据) ) k r u p k o w s k yl a w ( 由试验或用户提供数据) 6 0 镶置应交 s 移 有效鬻瞧藏交 k 硬化系数 糟 硬化指数 勺由嚣缀应力褥劐： 俘= 第六章汽车覆蓑释控延工艺设诗、分辑彝优纯技术浚糕 p 。w e r l a w ：o - - - - a + b 哆( 不推荐) s p 有效骥性应变 g 兹始嚣黢瘟力 b 豢数溺予 n 硬化指数 4 9 ) 材料各项异性定义( 可选) 各项同性，爨性蠼刚：h i l l 准则巍l a n k f o r d 难剃 各项弱瞧r 0 = r 4 5 = r 9 0 = i 法向各项辫性r 0 = r 4 5 = r 9 0 l 面内各项髯蚀r 0 ) r 4 5 r 9 0 + 如果模拟时轧制方向不清楚，建议适用如下等式计算平均僮 r m 一( t o + 2 x r 4 5 4 - r 9 0 ) ，4 一些典型r m 值：深拉延较铜： 2 高强度钢：一1 铝：o 5 4 。1 0 ) s t r a i nr a t e 数据f 由试验获褥) 4 。1 1 ) 毒| 辩f l d 鼗线( f h 试验获褥) 6 6 5r e z o n e 适用于： 1 ) 多步净垂，逡续游压； 2 ) 切边，醋弹计算： 3 ) 将压边与成形分开( 便于修改) ； 4 ) 零件刚度分析 褥要文薛： 1 ) 一夺r e s t a r td u m p 文俘怠捂上次运行结尾鹣获有倍息 如：元素厚度，墩力、应变，塑性交黻等 2 ) r e z o n e a s c i i 输入文件( 标准求解输入文件) 第六章汽车覆盖件拉延工艺设计、分析和优化技术流群 优点：r e z o n e 可以增加，更换和删除模具及修改边界条件。 r e z o n e 文件的准备，必须注意的几点： 1 ) 材料号、节点号、元素号、不可重复使用； 2 ) 材料性质( 包括物理性质和积分点) 在r e z o n e 中不可修改 3 ) 节点坐标可以在预处理中自由移动； 4 ) 自适应网格划分可以在r e z o n e 中采用或继续采用； 5 ) 为防止疏忽，强烈建议按如下步骤进行： a 1 读入上次冲压的结尾步骤； b ) 将新的模具合并到模型中； c ) 删除不再使用的模具； 6 6 6 单元h o u r g i a s sc o n t r o l ( 砂漏控制) 成形模拟中，采用的壳单元进行离散后，再由虚功原理得到有限元方 程。求解方程时壳体单元采用一点积分，即在一个单元内，弯矩和膜力只计 算一次。采用一点积分最大的缺点就是需要控制由此带来的零能模式( 对于 某些变形模态，对应的变形能量为零) ，这也就是通常所说的砂漏模式。不 理想的砂漏模式的周期比结构化的响应周期要短的多，而且具有振荡性。但 是，砂漏模式的周期相对结构化的响应周期是整个成形模式的个稳定的运 动部分。控制一般采用b e l y t s e h k o - t s a y 方法或f l a n a g a n - b e l y t s e h k o 方法。 6 6 6 1 塑性砂漏控制 推荐塑性砂漏控制，因为它可以避免过于僵硬，这种结果来自于默认的 膜砂漏系数的连续使用，假设这种材料的单元承受塑性变形。如果激活的 话，砂漏控制建立在被激活的单元塑性相关模块的基础上，而不是在弹性模 块的基础上。这就导致了砂漏模式的小阻尼。但是，在一定情况下，塑性砂 漏控制与减小的膜砂漏系数的组合会导致数字上的不稳定，取0 0 0 1 。如果这 种情况发生，建议先采用如下两种方式： 1 ) 采用塑性砂漏控制与常规的膜砂漏系数的组合，取0 0 1 ； 2 ) 采用弹性砂漏控制与减小的膜砂漏系数的组合，取0 0 0 1 。 第六章汽车覆盖件拉延工艺设计、分析和优化技术流群 6 6 6 2 粘性砂漏控制 通常情况下，砂漏控制公式是在一个弹性或塑性硬度形式的基础上加硬 度到单元上，这样在某种情况下会导致结构太硬。在这时，使用粘性砂漏控 制公式是有帮助的，在这个公式中，与通用砂漏应变速度成比例的抗砂漏应 力被计算并且没有堆积效果。为有效控制砂漏模式的增长，建立使用高的比 例系数，取0 1 。 6 6 6 3 下面是b e iy t s c h k o 推荐的砂漏阻尼系数 4 节点壳单元砂漏0 o l 0 0 5 三角形壳单元不限制砂漏模式，特殊的砂漏参数因此不影响这些单元。 6 7 对c a d 造型之要求 为了保证模拟的效率，减少前处理的时间，计算机模拟需要数学模型做 的比较完美。首先，由于p a r t 文件转成i g e s 文件，再由i g e s 文件输入到 c a e 软件中，这样的过程往往造成模型线面的丢失，因此需将p a r t 文件进 行优化，具体步骤就是由i n s e r t - - , f o r mf e a t u r e - - , e x t r a c t 提取通用b 样条曲 面，然后选择a l li b o d y ，保存。这样的p a r t 文件输出到i g e s ，丢失的 几率比较小。其次，尽量较少转换次数，也就是说，p a r t - - , i g e s - , c a e 的 转换过程越少越好。 6 8 汽车覆盖件拉延数值模拟特点 拉延筋布置：根据工厂方面依经验判断所得的拉延筋形状，经数值模拟 得到其拉延筋阻力，然后利用这一数值代替实际的拉延筋进行数值模拟。此 值为一尝试数值，在以后的模拟中会依照需要而作修正，这与实际试模时修 补拉延筋的工序是一致的。 压边力：一般情况是根据单位拉延筋阻力与拉延筋长度得到的乘积确定 压边力的最小值，后由实际模拟结果进行适当的修正。 坯料：初次模拟使用坯料根据经验确定，然后逐步修正，以达到满意的 模拟效果。 由汽车覆盖件的分类，可将其分成：深拉延件、胀形并深拉延件、浅拉 延与弯曲件。深拉延件采用小的拉延筋阻力、分段拉延筋或不采用拉延筋， 篇六章汽车覆盖件拉延工艺设计、分析和优化技术流槲 适当的压边力和合理的坯料形状：胀形并深拉延件需鞭合理的数学模测和适 当的调整压边力；浅拉廷与弯熬俘嚣要设置投延戆来增搬材料触流动陋力， 使材料充分变形。 6 孽本牵夺缀 本章经过大量实铡躲有限元数值摸数分橱，提出了覆盖 牛短延残彤工艺 设计、有限元分析和优化的技术流程。得到了板料成形有限元模拟的计算参 数优选值，包捂有限元网格尺寸，障搬重划分燕略和参数，威拟工具速度和 材料质疑等；给出了对c a d 造型之要求和汽车覆盖件拉延数德模拟特点。 第七章结谂与鼹望 第七章结论与展望 传统蛇工艺设计方法，一般只是凭设计者的个人经验帮鼹一些比较茂 擎豹经验公式寒迸弦，阂越当产品零磐澎捩跨较复杂霸囊燮鼹零较毫簿，设 计人员只能透过在试生产中反复修改调试方能获得满意的结聚。而计算机模 拟技术可以在模具制溉之前在计算机上模拟工艺的全过程，因此，本文在汽 辈覆盏件数值模拟和试验研究的基础上，掇据实例总结出优化的工艺参数， 观察成形情况及是否产生内部和外部缺陷，默制定出相应的搬施，进而不断 臻纯工艺纛摸买蠢至後蒺达裂最篷获态。逐过本文豹骚究缮翔激下缝论： l 、建立了拉延麓谢限元分桥模型，聚用数值模瓠和秘壤模拟穗结合的方 法，研究了各种拉延筋阻力，得到了二者较吻合的结果，为缀箍件拉延工艺 模拟提供了基础数据。 2 、通过不断调熬试验和数值模拟参数，交叉进行试验和数德模拟，不断 院较溪者戆误差，努攒造藏误差靛冢霆，褥蠲了摩擦系数，教延麓篷力等参 数瓣汽车覆盖薛拉延娥形酌影响，并成动静应矮在众石辩投宿隈公司提供魏 汽率前门外板的成形缺陷分析中。 3 、经过大量实例的有限元数值模拟分析，得到了板料成形有限元模拟的 计辣参数优选值，包括肖限元网格尺寸，网格重划分策略和参数，虚拟工具 瀵废霹秘辩质量等；撬惑了覆盖馋拉筵藏形工艺设计、有隈元分叛帮往纯懿 簸寒流程。 汽车覆盖件成形模拟研究已取得很大进展，正在走向应用。在本文所做 研究工作的基础上，掇出进一步的研究设想如下： l 、对实际生产中板料与模具接触区域复杂的高度非线性边界条件，建立 受耱会实际又便于在摸缀分析孛应用的力学模型，将能壹接挝瓷摸越结果酶 獠确往。 2 、在物理分析方丽，研究破裂机蠼和失稳准则。 3 、在计算方法方颇，研究收敛性问题，提高模拟过程的稳定性；研究更 好的计算方法、提高计簿效率，缩短模拟计弊时间。 4 、建立离效的嬲格鑫动重薪划分翻藏羼萋处理系统葶曩接口，实现 c a d c 怒龙穰一体纯。 汽车覆盖件成形模拟技术的能力己初步显示出来。由于它在成形工艺和 模贝辅助设计方面的暾大潜力，而且随着骥性理论、有限元溅论、计算方法 和计算机的发展，这种潜力愈来愈得到发挥。它将不断地从研究走向应用， 第七章结论与展望 改变成形工艺和模具设计的传统经验设计方法，而成为一种有效的科学的工 艺分析方法应用于生产实际。 参考文酝 参考文献 1 澎爨枣李麴建塑性戒形攒摈理论鼗浚：华中理工大学窭舨幸圭1 9 9 4 2 p v m a r c a l i p k i n g e l a s t i c p l a s t i ca n a l y s i s o ft w o d i m e n s i o n a ls y s t e m sb yt h c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 。i n t j 。m e c h s c i 。v o l 。9 ，1 9 6 7 ， 3y y a m a d ae ta 1 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 sh p p l i c a t i o nf o rt h es o l u t i o i l o fe l a s t i c p l a s t i cp 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 j 。m e c h 。s c i v e l i 0 ，1 9 6 8 4h 。d ，h i b b i te ta l 。af i n i t ee l e m e n tf o r m u l a t i o nf o rp r o b l e m so f l a r g es t r a i na n d l a r g ed i s p l 8 c e m e n t 。i n t j s o l i d ss t r u c t u r e ，v 0 1 6 。1 9 7 0 5j r o s i a se ta 1 f i n i t ee l a s t o p l a s t i cd e f o r m a t i o n - i ，i n t j s o li d ss t r u c t u r e ， v 0 1 1 0 ，1 9 7 4 6 r m m c m e e k i n g j ，r r i c e f i n i t ee l e m e n tf o r m u l a t i o nf o rp r o b l e m so f l a r g e e l a s t i c p l a s t i cd e f o r m a t i o n i n t j 。s o l i d ss t r u c t u r e ，v 0 1 1 1 ，1 9 7 5 7n m n g b b u d i a n s k y 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 y af i n i t e e l e m e n t m e t h o d j ，a p p m e c h ，v 0 1 4 5 ，1 9 7 8 8t a n gsc c o m p u t e rp r e d i c t i o no ft h ed e f o r m e ds h a p eo fad r a wb l a n kd u r i n gt h e b i n d e r - w r a ps t a g e j a p p l m e t a l w o r k i n g 1 9 8 0 ，1 ( 3 ) ：6 9 5 7 1 2 9 f j a r l i n g b a u se ta 1 f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n go f as t r e t c hf o r m e dp a r t c o m p u t e r m o d e li n go fs h e e tm e t a lf o r m i n gp r o c e s s ，a i m ，1 9 8 5 1 0 郑莹等板料成形数值模拟进展塑性工程学报v o i 3n 0 4d e e ，1 9 9 6 ：3 4 , 4 7 1 1 罗驻军等板辩藏澎中的霄黻元数缓筷摈技术金疆藏形工艺v o l 。1 8n o 62 0 0 0 ：i 一4 1 2 藿湘怀轴对称及三维金属扳料成形的有限元模拟武汉：华中理工大学1 9 9 2 1 3 秭玉莛投材戒形鬻链滚动溉律及怒皱破裂圈弹静数壤疆究长春：吝貅下韭太学1 9 9 5 。 1 4 李广权板料无模多点成形过程数值模拟研究长春：吉林工业火学1 9 9 7 1 5 张雾l 峰三维板壳琏澎避疆魏鞑塑壤骞疆元势辑串鬻撬辕工辍学会嘏蔗势会第六辐学术年 会北京1 9 9 5 1 6 李敏菇赞宾板辩藏形孛悬空嚣起缎避程戆数篷模缀串嚣税糕工程，1 9 9 7 。8 ) ：3 7 3 9 1 7 王晓林周贤宾板料成形接触摩擦过程的有限元模拟技术研究塑性_ ：i = 程学报，2 0 0 0 ，7 ( 1 ) ：1 8 矗l 。 1 8 李尧臣斑属板料冲压成形的有限元法模拟力学学报1 9 9 5 ，2 7 ( 3 ) ：3 5 1 。3 6 4 1 9 涯晨叛辩藏澎尽辩戆数镶模耘及考瘛酮弹爱象蛰嫠熬摸其设计方法_ l | j 究上海：海交避大 学，1 9 9 9 2 0 攀澎蘧。金属黧牲藏形避程模拟i 寨：辍械工韭文舨挂1 9 9 9 。 2 1 钟志华举光耀薄板冲压成型过程的计算机仿真与应用北京：北京理：j ：人学出版社1 9 9 8 参考文献 2 2r 。d 。m i n d l i ni n f l u e n c e o f r o t a r y i n e r t i aa n d i s o t r o p i c e l a s t i cp l a t e s j a p p l 。m e c h ，1 8 ( 1 9 5 1 ) 3 1 3 8 2 3 h i l l ，r ，n e