（机械工程专业论文）基于特征的冲压件仿真工艺性分析.pdf

摘要 随着冲压成形有限元仿真研究的蓬勃发展，越来越多的人们开始使用有限 元方法认识复杂冲压件( 例如汽车各类零部件) 成形这一难题，并不断取得成功。 冲压零件的成形性直接关系到零件质量的好坏，本课题主要结合宁波茂祥金属有 限公司在对某型轿车中的后地板成型过程进行试验研究，在此基础上概述了薄板 冲压成型的机理和有限元数值模拟技术的相关基本理论，分析了影响拉深成形的 主要因素。然后采用a u t o f o r m 软件，开展了对零件成型过程的仿真模拟，通过对 模拟结果的分析，采取相应的改进和修正措施后重新进行模拟分析，得到了效果 较好的工艺模型。对利用此工艺模型进行模具加工后生产的冲压零件进行测量， 并对测量数据和仿真模拟结果进行对比分析，文章得到了一些成型的主要影响因 素和规律，并为克服模具开发过程中的成形问题提供了指南和参考。本文工作对 以后开发的新车型的冲压件提高产品质量有着重要的参考意义。 关键词：冲压件特征有限元数值模拟板料成型 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l yd e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c hf o rs t a m p - f o r m i n gf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ，m o r ep e o p l eb e g a nt os o l v et h ea r d u o u sp r o b l e mw h i c hu s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o dt ok n o wt h es t a m p i n go fl a r g es c a l ec o m p l i c a t e dr a m m i n gc o m p o n e n t s ( f o re x a m p l ev a r i o u ss p a r ep a r t sf o ra u t o m o b i l e ) ，a n dm a k i n gp e r f e c tc o n t i n u o u s l y 。 t h ea u t o m o b i l eb o d yp a n e lc o m p o n e n t sm o l d i n gr e l a t e sd i r e c t l yt ot h ec o m p o n e n t s q u a l i t y 。t h i st o p i cu n i f i e sn i n g b om o a n i n gc o m p a n y a u t o m o b i l ed e v e l o p m e n t ，t a k e s s h a p ei nt h ep r o c e s st oc o l u m no u t s i d ep l a n k ，c o n d u c t st h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , a n dh a s o u t l i n e dt h ep a n e lr a m m i n gm o l d i n gp r o d u c t i o nm e c h a n i s mi nt h i sf o u n d a t i o n , t h e f i n i t ee l e m e n tv a l u es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yc o r r e l a t i o ne l e m e n t a r yt h e o r y , h a sa n a l y z e d t h ei n f l u e n c em o l d i n gv a l u ep r i m a r yf a c t o r t h e nd e v e l o p e dh a st a k e ns h a p et h e p r o c e s ss i m u l a t i o nt ot h ec o m p o n e n t s ，t h r o u g ht ot h ea n a l o g u er e s u l ta n a l y s i s ，a f t e r a d o p t e dt h ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n ta n dt h er e v i s i o nm e a s u r em o l d i n go nt h e s i m u l a t i o na n a l y s i s ，o b t a i n e dt h ee f f e c tg o o dc r a f tm o d e l a f t e ru s e st h i sc r a f tm o d e lt o c a r r yo nt h er a m m i n gc o m p o n e n t sw h i c ht h em o l dp r o c e s s i n gp r o d u c e st oc a r r y o nt h e s u r v e y , a n dt os u r v e y e dt h ed a t aa n dt h es i m u l a t i o na n a l o g u er e s u l tc a r r i e so nt h e c o n t r a s ta n a l y s i s ，f o rr e a s o n a b l yc o m p e n s a t e dt h em o l d i n gt op r o v i d et h ee f f e c t i v ew a y , a n df o ro v e r c a m ei nt h em o l dp e r f o r m a n c eh i s t o r yt h em o l d i n gq u e s t i o nt op l a nt o p r o v i d et h eg u i d ea n dt h er e f e r e n c e t h i sa r t i c l el a b o ro p p o s e st h en e w v e h i c l et y p e p r e s s i n gp a r tw h i c hl a t e rw i l ld e v e l o pt oi m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t yt oh a v et h ev i t a l s i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s h e e tm e t a lf o r m i n g 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切法律责任。 本人签名 芷望 日期型l 矽、兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名生益 导师签名望它堕堡 日期兰竺! ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的依据和意义 汽车自上个世纪末诞生以来，已经走过了风风雨雨的一百多年。从卡尔本茨 造出的第一辆三轮汽车以每小时1 8 公里的速度，跑到现在，竟然诞生了从速度为 零到加速到1 0 0 公里4 , 时只需要三秒钟多一点的超级跑车。这一百多年来，汽车 已从简单的代步工具发展到今天集时间观念( 高速度) 、绿色观念( 低排放) 、娱 乐观念( 多功能) 、艺术观念( 整车造型) 于一身的综合型现代高科技产品，已成 为人类社会活动的必要条件。由于汽车的发展对机械、电子、材料、计算机、通 信、自动控制等领域的发展起到了重要的促进和拉动作用。汽车工业已成为衡量 一个国家工业水平的重要标志，已被主要工业发达国家和新兴工业国家列为国民 经济的支柱产业。在我国加入w t 0 以后，随着经济全球化、市场一体化进程的不 断深入，我国的汽车工业也在蓬勃发展，市场规模不断扩大。由于汽车工业在国 民经济中占有重要地位，所以汽车工业的发达与否是评价一个国家机械、电子、 材料、模具等工业发展水平的重要标志。而车身的设计和生产是整车开发的关键， 它在很大程度上决定了新车型的开发周期和成本。而在汽车设计制造的整个周期 中，由于模具设计和制造大约要占用汽车研发周期约三分之二的时间与资金，导 致车身模具特别是汽车覆盖件模具的设计制造水平，一直是制约汽车产品开发速 度与品质的核心因素。因此，模具的设计制造事实上已成为进一步缩短汽车开发 周期的主要瓶颈。 汽车覆盖件包括覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室及车身的所有厚度3 m m 以下的薄钢板冲压而成的表面和内部零件，其重量占到汽车用钢材总量的5 0 以 上。汽车覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为复杂的空间曲面、结构尺寸大和表 面质量高等特点。而且，覆盖件冲压工艺、冲模设计和制造工艺也有独自的特点。 因此，对覆盖件的表面质量、尺寸、刚性以及工艺性等方面都提出了更高的要求。 在新车型的研制、开发中，车身的开发与生产准备占有重要地位。其中，冲压模 具的设计与制造尤为突出。冲压成形是一种重要的金属塑性成形工艺，具有生产 效率高、零件一致性好及批量生产成本低的诸多优点，广泛用于汽车、航空、家 电、包装等工业领域。随着工业对冲压件需求的不断增长，板材成形技术在世界 各国，特别是工业发达国家得到高度重视，在汽车制造业中尤为突出。资料表明， 7 0 0 a 8 0 的汽车零件是通过板材冲压成形来制造的。因此，板材成形技术的高 低，直接影响汽车的制造成本、质量和新产品的开发周期。目前，汽车界提出3 r 2 基于特征的冲压件仿真工艺性分析 战略，即：缩短产品的市场化周期、降低产品开发费用和减轻汽车质量，其中一 个重要环节就是降低车身覆盖件模具的制造费用和减少生产周期。由于冲压时毛 坯的变形情况复杂，故不能按一般拉伸件那样用拉伸系数来判断和计算它的拉伸 次数和拉伸可能性，且需要的拉延力和压料力都较大，各工序的模具依赖性大， 模具的调整工作量也大。由于汽车覆盖件几何形状的复杂性，人们对汽车覆盖件 模具提出了越来越高的要求，基于过分简化与近似的分析模型，常常难以预测冲 压过程中坯料的变形情况，不能正确判断坯料的成形性，从而不能正确评价模具 设计的正确性，冲压过程中可能出现的问题也只能在模具加工后的试模中暴露出 来，这大大增加了模具调试的难度，甚至导致整个模具设计报废。在传统的板材 成形件生产过程中，工艺设计及模具设计与制造主要依靠人的经验和技艺，经过 反复修改工艺参数，反复修改模具的形状来避免缺陷的出现，造成产品开发过程 投资大，周期长。不仅如此，由于传统冲压工艺分析方法的局限性，不能避免开 发失败的情况，从而造成人力、物力、资金和时间的极大浪费。 如今，随着计算机技术的飞速发展，以及市场竞争的激烈，精确制造和精确 生产已逐渐成为工程产品制造业的发展趋势。这导致了现有的冲压件形状越来越 复杂，要求的精度越来越高，人们开始尝试采用计算机模拟技术指导模具的精准 设计。随着力学、计算数学、特别是大变形弹塑性有限元方法及冲压成形理论研 究的不断深入，使计算机模拟汽车覆盖件冲压成形过程的研究不断取得新进展， 人们开始大量的采用计算机模拟技术指导模具的设计。 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 就是利用计算机辅助求解复杂工程和产品 结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力 学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。c a e 从6 0 年代初在工程上开始应用到今天，已经历了近4 0 年的发展历史，其理论和 算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中必 不可少的数值计算工具。在c a e 技术方面，有限元法一直是分析和研究金属锻造 成形的主要数值分析方法，多年来己取得不少阶段性的成果。1 9 7 3 年l e e 和 k o b a y a s h i 以矩阵分析法导出了刚塑性有限元的l a g r a n g e 算法，成功分析了锻造 成形过程。1 9 7 4 年z i e n k i e w i c z 提出了刚粘塑性有限元的罚函数法，分析了轧制、 挤压和拉拔等成形工艺。1 9 8 2 年m o r i 和o s a k a d a 提出了刚塑性有限元中的材料 可压缩法并用于轧制和挤压中。上世纪8 0 年代初，0 h 和a l t a n 用大型刚塑性有 限元分析软件a l p i d 对各类塑性变形问题进行了深入研究。9 0 年代以后，国外一 些商品化的专业有限元分析软件，如法国的f o r g e 2 、美国的d e f o r m 、a b a q u s 、 m s c a u t o f o r g e 等，都己成功地应用于锻造领域。这些软件不仅可以预测锻件成 形的全过程，而且可以定量地给出与变形有关的各种物理量，如位移、速度、应 力、应变和载荷等，为获得最优的模具设计、最合理的工艺方案和最少的试模时 第一章绪论 3 间提供了技术保证。 随着力学、计算数学、以及大变形弹塑性有限元方法及冲压成形理论研究的 进一步深入，使计算机模拟汽车覆盖件冲压成形过程的研究不断取得新进展。以 有限元法为主体的数值模拟方法，可以极大地缩短模具的设计与调试周期，降低 模具加工成本，提高产品质量与市场竞争力，为从事塑性加工的企业带来了巨大 的效益。一方面，能够在模具制造之前，从理论上认证成形的可行性，减少模具 设计方案的风险，从而达到低成本、短周期进行模具的设计制造；另一方面，可 以实现模具设计和工艺参数的优化，利用c a e 技术可以模拟坯料在冲压过程中的 真实状况，能够实现从坯料夹持、压边圈压合、拉伸筋设置、冲压加载、卸载回 弹及切边回弹的全过程模拟，定量地确定破裂、起皱、鼓动、回弹的部位与严重 程度；能够分析模具间隙、摩擦状态、压边力大小、材料参数、冲压速度等各种 因素对冲压过程的影响，并进行灵敏度分析与优化设计；还可以根据坯料在冲压 过程中的流动和变形情况确定合适的毛坯形状和尺寸。 研制和生产的周期正在逐步缩短，这和计算机的广泛应用是分不开的，冲压 工艺与模具设计是薄板冲压成型技术的关键，由于冲压成型过程是一个非常复杂 的物理过程，涉及力学的三大非线性问题： 几何非线性，即冲压中板料产生大位移、大转动和大变形； 物理非线性，又称材料非线性，指材料在冲压中产生的弹塑性变形； 边界非线性，指模具与板料产生的接触、摩擦引起的非线性问题。 这些非线性的综合，加上不规则的工件形状，使得冲压成型过程的计算相当 复杂，是传统方法无法解决的。 长期以来，人们尝试各种方法，试图对板材成形过程进行模拟。随着塑性成 形理论研究的不断深入和计算机性能的不断提高，以有限元分析为代表的数值分 析方法逐渐占据了板材成形数值模拟领域的重要地位。以塑性成形理论为理论基 础，以有限元方法为核心，结合计算机图形学、软件工程学等相关理论和方法， 形成了比较完整的板材成形数值模拟系统，使人们有可能在计算机上了解材料变 形过程中的内部应力应变分布，预测可能出现的缺陷，给零件设计者和工艺设计 者提供科学的设计依据，并对冲压工艺实践活动提供指导。 随着非线性理论、有限元方法和计算机软硬件的迅速发展，薄板冲压成型的 计算机仿真技术日渐成熟，并在冲压工艺与模具设计中发挥越来越大的作用。冲 压成型过程的计算机仿真实质上是利用数字模拟技术，分析给定模具与工艺条件 的所冲压的板料变形的全过程，从而判定模具和工艺方案的合理性。每次仿真就 相当于一次试模过程。因此成熟的仿真技术不仅可以减少试模次数，在一定条件 下还可使模具和工艺设计一次合格从而避免修模，这就可大大缩短新产品开发周 期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞争力。从发展的角度看，板材成形数 4 基于特征的冲压件仿真工艺性分析 值模拟技术与其他相关技术如c a d c a m 、工程数据库、计算机仿真等的有机集成， 构成面向冲压产品创新的“虚拟制造环境”，将会引起冲压技术的巨大变革，产生 极大的经济效益和社会效益。 1 2 板料成形数值模拟的发展状况 板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、造型美 观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模具等行 业中占据着重要地位。板料成形c a e 技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段 进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺方案优化，从而有效地缩短 模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从 根本上提高企业的市场竞争力。板料成形c a e 技术是建立在有限元法基本原理和 数值方法基础上，利用计算机进行计算和求解的分析方法。最早的金属板料成形 的数值模拟方法是有限差分法，当前板料成形数值模拟采用的算法分为显式法和 隐式法两类，其他还有一步逆成形法等。近年来板料数值模拟技术越来越受到人 们的重视，模拟的板料成型过程也越来越复杂。下面就板料成型数值模拟技术在 各方面的发展情况加以说明： 一、材料模型方面 h o f e r l i n 、b a e l 、h o u t t e 和t e o d o s i u 提出了一种在弹塑性模型中考虑了由各 向异性引起的应变路径和织构的隐式有限元方法，并用此方法模拟深拉深，得到 良好的效果。y o o n 、c h u n g 、b a r l a t 、a l l i s o n 、和r i c h m o n d 近期提出新方法，将 适于铝合金的应变率势s r p 9 8 引入理想板材成型的理论，开发了基于刚塑性的有 限元软件，并证明用s r p 9 8 导出的塑性成型描述相似于用y 1 d 9 6 导出的塑性成型 描述，且与实验值一致。a n d e r s s o n 、o h i s s o n 、m a t i a s s o n 和p e r s s o n 使用商用 软件模拟了两种不同零件成型过程评价k a r a f i l l s b o y c e 材料模型。针对冲压力 和厚度进行分析，结果表明该模型比其他模型更接近于实验值。并用c 语言设计 了用来计算k a r a f i l l s b o y c e 材料模型参数的优化软件，该软件输入参数是三个 不同方向的屈服应力和r 值，这些参数是从材料拉伸试验中得到的。b a n a b i c 、 m u l l e r 等设计了十字形状的试样，进行双拉伸试验。获得了拉伸区的屈服曲线， 从而评价h i11 9 3 屈服准则和m k 理论计算的f l d 比使用其他准则计算更接近实验 数据。k i m 、k w a k 、s h i n 等对冲压过程中成形极限的值进行数值化和实验性的分 析，说明网格尺寸对fld 中安全与失效区域的边界位置有很大的影响，网格尺 寸越小所得极限边界越精确。当板料的任何一处的应变过于集中时，则过程条件 微小的不同会使得摩擦对应变分布的影响很大。 二、计算方法方面 第一章绪论 c h u n g 、c h o 和b e l y t s c h k o 研究用动态显式有限元法分析板材成形问题，并 将累计误差增量与准静态过程的内能误差相比。他们提出在局域变形中考虑每一 子域的估计误差，并将此理论应用于拉弯问题，指出产生应力误差原因是接触的 动能性态。y a n gh u 、c h a n g q i n gd u 将间隙接触一般力和滑移距离摩擦系数的非 线性函数加入准静态有限元软件c f o r m ，提高了软件的收敛性，并用应力释放算 法计算回弹，回弹模拟结果更接近于实验值。为了得到显式算法和隐式算法两方 面的优点，人们着手研究显隐式综合求解。1 9 9 7 年j u n g 和y a n g 采用步步优化的 显隐式综合有限元法模拟冲压过程，他们在冲压初期，首先使用隐式算法计算， 但当遇到收敛问题时，采用显示算法进行计算。他们还提出了使用增量弯曲能薄 膜单元( b e a m ) 的钢塑有限元法，将此理论应用于模拟油箱深拉延过程，其分析 结果接近用隐式算法计算的结果。s h i y o n gy a n g 和k i k u on e z u 将反向有限元法 用于板材冲压成型的并行设计中，使用商用c a d 然间进行几何造型以此建立有限 元模型，对产品进行直接的分析和设计，不需要对工具和板料的初始几何形状进 行设计，大大节了建立有限元模型和过程模拟所用的时间和精力，提高了计算效 率。c h l e e 和h h u h 在坯料的优化设计中采用了三维多步反向有限元分析，对 于复杂零件，三维多步有限元分析可以得到比一步有限元分析更精确的坯料形状 和应变分布状态。 三、单元模型方面 y o u - m i nh u a n g ，c h i n g - l u nl i 提出对双线性四节点四边形单元建立刚度矩 阵并将此应用于对轴对称筒形件拉伸过程中的拉伸率的预测，将实验结果与理论 计算比较，得出稳态矩阵法不仅能控制一点积分法的沙漏缺陷，还可以保证计算 过程的稳定和精确。h i t i n v h a t t a n g a d y 提出一种三角形单元，这种单元可在保 证计算精度的前提下，用尽量少的单元来描述板料及模具，使得计算时间大大的 减少。 四、接触问题方面 s h e n gp i n gw a n g 和e i i j in a k a m a c h i 研究出一新的接触搜索算法，即内一外 算法，并将此算法用于动态显式有限元算法中。内一外算法是基于节点网络一般向 量的内外状态的特点导出，包括局部搜索、局部跟踪和穿透的几算过程，解决了 传统接触搜索的问题，如局部搜索的重复性、死锁等。 五、工艺问题 在板材成形过程中，人们常常用施加拉延筋的方法来控制材料流动，防止起 皱，由于拉延筋尺寸小，形状复杂，精确模拟拉延筋的影响比较困难。为了避免 在计算中单元网格过于细小，人们通常用一条能承受一定力的附着在模具表面的 一条拉延筋线取代拉延筋复杂的几何形状，即建立等效拉延筋模型。f u h k o uc h e n 和j i a - h o n gl i u 于1 9 9 6 年提出一种理论模型，该模型可用一般网格取代拉延筋 6 基丁特征的冲压件仿真工艺性分析 所需的细小网格，优化虚拟拉延速度和网格尺寸，将此模型引入数值模拟分析中， 其结果与实验结果相吻合，证明此模型的合理性，tm e i n d e r s 等人于1 9 9 7 年提 出基于罚约束方法的算法，该方法是将拉延筋刚度矩阵表达式和拉延筋阻力向量 加入有限元方程，使等效拉延筋模型的拉延筋厚向应变得以实现，其等效拉延筋 的输入由拉延力、塑性厚向应变和拉延筋的支撑力组成。说明了基于罚约束方法 的算法在说明拉延筋厚向应变上优于基于应力估计的算法，而支撑力的加入对模 拟结果无太大影响。 在深拉延方面，y o s h i d a 针对筒形件失效问题作了大量实验，研究了加工硬 化和冲头的几何形状对筒形件失效的影响。t a n g 用有限元法分析了四种不同形状 的冲头成形筒形件的过程，提出了成形过程中的应变路径受最大冲压力的影响， 冲压力的大小取决于冲头的形状。h u a n g 、c h e n 和l e u 用基于更新的拉格朗日公 式的弹塑性有限元模拟软件，模拟三种不同形状的冲头拉延筒形件直至有颈缩现 象出现的过程，并采用了y a m a d a e t a l 提出的r m i n 技术限制了线形增量的步长， 分析了冲头的形状对筒形件的影响，分析结果与试验数据极为接近，得出冲压力 与冲头角度和摩擦系数成正比，与应变硬化指数成反比的结论。 六、我国板材成形数值模拟的发展状况 我国从8 0 年代后期开始有学者相继在板材成形数值模拟方面作了一些工作， 主要集中在各个高校和研究单位之中，缺乏与工业生产部门的密切合作。目前我 国的工业企业已充分认识到将板材成形数值模拟技术应用于工业生产的重大意 义，正积极开展这方面工作。吉林大学汽车覆盖件成型技术研究所提出了基于虚 功率增量原理和引入了“使用于弹塑性有限元变形的拟流态角理论 的本构模型， 开发了汽车覆盖件冲压成型分析k m a s 软件，并用此软件对方冲头圆板料深拉延成 型和轿车发动机油底壳深拉延成型进行模拟，计算得到的变形过程中局部起皱部 位及其起皱演化过程与实验结果完全一致。 上海交通大学基于刚塑性有限元法、变形体边界与模具的自动识别、修正的 库伦摩擦条件，开发了相应的有限元分析软件。他们应用此软件，对钢铜双金属 的拉延成型进行分析，定量的预测组元金属的断面变形、应变分布以及危险点的 位置。 华中理工大学在轴对称及一般三维金属板材成型过程的有限元模拟研究中， 为克服节点接触状态变化而引起的数值计算不稳定性，提出了成为“弹性边界层 的接触算法，并用全量拉格朗日法建立了基于薄膜单元的轴对称和三维金属板材 成形过程的分析程序s f a m ，模拟计算了圆板冲压拉伸和非轴对称方形件的拉深。 国内对冲压成形的数值模拟研究工作，主要追踪国外早期的工作，对半球凸 模胀形或平底圆形凸模拉深这样的轴对承等二维问题进行分析。9 0 年代中期，有 些高校开始了覆盖件冲压成形的仿真研究工作。但是对覆盖件冲压成形进行研究 第一章绪论 7 需要投入大量的财力物力，需要学术界和汽车工业界的密切合作，许多研究者都 缺乏这样的条件，因而还无法取得真正适合于汽车工业实际应用的研究成果。而 对于一些汽车企业来讲，由于缺乏必要的理论技术基础，也难以获得有价值的研 究成果。 1 3 板材成形数值模拟的发展趋势 近年来，板料成形的数值模拟已经取得很大的进展，并进入了应用阶段，开发 了完善的板料成形非线性数值模拟软件。使用该类软件可以在冲压前优化金属成 型过程的参数，如板料形状、压料面的形状、拉延筋的设置以及回弹量的大小等， 优化模具设计过程。板料成形模拟与c a d c a e c a m 系统的应用能显著提高模具设 计和制造的质量和效率。理论的发展为板材成形数值模拟软件提供了坚实的基础， 但在成型模拟的理论、程序开发及应用方面都还有大量的工作要做。具体而言有 六个方面： 一、开展新材料模型研究，建立有效的本购方程和各种成形缺陷的判定准则。 新材料模型研究不仅包括如何建立可准确描述已有材料的材料模型，还包括研究 描述新材料性能的材料模型。随着材料科学的发展，越来越多的新材料被用于板 材成形中。因此，如何更准确地描述新材料的材料性能是今后板材成形数值模拟 研究中的一大课题。 二、目前板材成形数值模拟软件通常用于校核板材成形结果，预测成形缺陷。 如何制定更完善的优化策略，并通过优化策略进行工艺材料和模具设计方案的优 化，是板材成形数值模拟技术研究的一大发展方向。 三、目前使用的板材成形数值模拟软件对操作人员的要求比较高，由于个人 的实际经验不同，模拟的结果可能相差很大，不适合工业化大生产的要求。开发 智能化的前后处理，自动优化板材成形过程参数，研究和实现模具c a d c a e c a m 一体化，使c a e 成为产品生产中必备的生产环节。 四、目前使用的模拟软件对计算机性能的要求比较高，计算机性能的好坏大 大影响计算速度和计算精度，因此许多学者都立志于开发可并行计算的新算法， 组合计算机资源，用以减少计算机性能的影响。 五、在工程实际中，由于工件回弹的大小和分布难以测量，传统的模具补偿 方法仅适用于形状简单的产品中，因此将数值模拟技术应用于回弹补偿中，开发 有效的数值模拟的模具补偿技术是今后研究的重要课题。 六、对于表面接触问题，如何更有效的将有限元和c a d 中的参数结合起来， 减少接触条件的计算时间，使模拟更精确。继续对摩擦机理进行更深层次的研究， 建立符合实际的数学力学模型，来提高模拟的准确度。 基丁= 特征的冲压件仿真工艺性分析 人类研究冲压成形问题已有一百多年的历史，在实验研究等多方面取得了巨大 成就，尤其是近三十年来的数值仿真研究，更是为人类研究冲压成形问题的历史 写下了辉煌的一页。即使是像车身覆盖件冲压成形这样涉及的学科领域极广的项 目，也逐渐被人们认识。人们已能够成功地对覆盖件冲压成形过程进行仿真，从 而来指导设计和生产，降低成本，提高企业的市场竞争力。 1 4 本文的主要工作 本文采用源于瑞士公司的采用静力隐式格式的有限元软件一- - a u t o f o r m 软 件，围绕基于特征的典型冲压件一汽车零部件，进行成形性分析，并指导冲压工 艺方案的制定和拉延模调试，达到了有限元软件的初步应用，并掌握了有限元数 值模拟的基本理论和应用方法。以某型轿车行李舱的后地板件为例，通过有限元 仿真数值模拟在模具开发中的应用，深入探讨了车身覆盖件冲压成形的仿真理论 和仿真中的关键技术，并用实践验证了作者对仿真模拟应用中关键技术的合理性， 为以后的工作积累了相关经验，具有很好的参考价值。 全文涉及的内容主要包括：冲压成型三维仿真分析系统的基本理论、轿车后 地板的工艺性分析与改进、拉延模具的调试和对零件的检测。概括起来本论文的 工作可以归纳为以下几点： l 、阐述了冲压成型三维仿真分析系统的相关理论及其有限元分析技术，探讨 了覆盖件产品模型向工艺模型转化过程的关键技术和方法，并建立了该零件的三 维数学模型； 2 、利用a u t o f o r m 软件对该零件的成形过程进行了仿真模拟，针对仿真结果中 出现的问题，提出了对工程实际有一定帮助的改进方案，并对改进方案进行了多 次仿真分析，结果显示改进方案是可行的； 3 、对利用仿真结果进行加工的零件进行了测量，测量结果是零件符合公差要 求，从而说明通过仿真确定的零件成形生产的参数对指导实际生产是可行的； 4 、最后进行了总结和展望。 第二章冲压成形三维仿真关键技术 9 第二章冲压成形三维仿真关键技术 冲压成形是一种历史悠久的金属加工工艺，随着工业水平的不断进步，冲压 技术和设备日益完善，已在汽车、航空、模具等行业冲压加工占据着重要的地位。 众所周知，汽车大部分构件都是薄板冲压件，国外各大汽车厂商很早就开始 采用计算机仿真技术用于指导产品的设计和制造。随着理论和技术上的日臻完善， 冲压成形有限元仿真分析在汽车工业中的应用日益受到重视。冲压数值仿真的发 展主要依赖于各种板成形软件的涌现和进步，这些c a e 软件大多可以利用c a d 生成的模型进行设计和工艺过程仿真，为新产品的开发提供参考依据。覆盖件冲 压成形仿真分析在多方面为企业的冲压生产提供有力的支持；在设计工作的早期 阶段评价覆盖件及其模具设计、工艺设计的可行性；在试冲试模阶段进行故障分 析，解决问题；在批量生产阶段用于缺陷分析，改善覆盖件生产质量，同时可用 来调整材料等级，降低成本。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。 2 1 仿真建模的工作流程 图2 1 为车身覆盖件冲压成形三维仿真分析系统的总体结构。就技术集成而 言，该系统把f e a 、c a d c a m 技术、试验与测试技术和数据库技术等有效地集 成在一起；就功能集成而言，通过数据流、信息流，把车身设计和制造过程中的 相关功能性活动都联结在一起。 图中包含两个重要的数据库：车身产品数据库和覆盖件冲压生产工艺数据库。 车身覆盖件冲压成形三维仿真分析系统的功能流程是基于这两个数据库的，其基 本的工作步骤包括： ( 1 ) 车身覆盖件产品三维模型的建立。 ( 2 ) 模具及坯料的三维几何建模。 ( 3 ) 有限元模型的建立。 ( 4 ) 有限元分析计算。 ( 5 ) 仿真结果的后处理。 ( 6 ) 仿真分析结果的应用。 ( 7 ) 汽车板成型性能试验和摩擦试验。 ( 8 ) 覆盖件冲压实验分析。 显然，在开始车型制造生产以前，图2 1 所示的车身覆盖件设计、模具设计、 冲压工艺设计等所有的设计活动都可以在覆盖件冲压成形三维有限元仿真分析的 1 0 基于特征的冲压件仿真工艺性分析 联系下并行进行，这就是目前在发达汽车企业中非常流行的所谓车型开发中的“并 行工程 和“同步工程”。在汽车产品设计中，实施并行工程可以减少甚至避免后 期设计返工，提高效率，缩短开发周期，降低设计成本。 2 2 1c a d 建模准则 2 2 仿真建模的基本思想 在汽车制造业中，都是由汽车主模型确定的覆盖件产品的几何信息来进行冲压 模具和冲压工艺设计的。所以，覆盖件产品模型向工艺模型的转化过程，就是由 覆盖件最终产品的形状并根据所设计的冲压工序设计出相应工序的模具的过程。 就目前国内外汽车企业的情况来看，覆盖件产品模型向工艺模型的转化过程所涉 及的活动都是在大型c a d c a m 软件系统环境下来完成的。 ( 一) 确定拉深方向在进行冲压工艺和模具计算机辅助设计时，首先必须选择 最有利的拉深方向。确定拉深方向是必须考虑以下原则： l 、拉深凸模能否顺利进入凹模； 2 、拉深深度适当，并且尽量均匀； 3 、尽量保证凸模相对两侧的拉入角相等； 4 、凹模开始与毛坯接触的状态应平稳，尽量做到接触部位居中，接触面积较 大，多处接触时最好保证同时接触。 ( 二) 工艺补充为实现覆盖件的拉深，必须把覆盖件的产品模型改造成拉深件 模型，为此需进行一系列的工艺补充处理。 l 、翻边的展开。把覆盖件上的翻边部分根据实际情况展开成与翻边相连部分 成平角或斜角的情况。 2 、窗口或孔洞的补满。覆盖件产品模型上可能有窗口或孔洞，这些一般是在 切边或整形时形成的，在拉深时不产生窗口或孔洞，所以需要在覆盖件产品模型 上把窗口或孔洞按照其边缘轮廓，光滑的补起来。 3 、圆角的修正。覆盖件产品模型上的圆角都很小，一般在r 1 5 r 3 之间，而 实际拉深时圆角都很大，一般都在r 4 r 8 之间，所以必须对圆角进行修正。根据 作者的体会，这是一个难度相当大、相当费时的工作，因为必须要保证在复杂的、 不同走向曲面之间 圆角的光滑过渡，要做到这一点不仅取决于设计者丰富的计算机图形学知识和 对c a d c a m 软件应用的熟练程度，还主要取决于软件的曲面处理能力。而笔者 所用的 第二章冲压成形三维仿真关键技术 图2 1 车身覆盖件冲压成形三维仿真分析的工作流程图 1 2 基于特征的冲压件仿真工艺性分析 c a t i a 软件具有很强的曲面处理能力。 4 、拉深筋的设置。设置拉深筋可以改善金属的塑性流动情况，克服起皱和波 纹等现象，提高冲压件质量。 ( - - ) 压料面的确定压料面是指凹模圆角以外的那一部分，它对拉深成形起 着举足轻重的作用。合理的压料面不仅能够促使拉深顺利进行，保证拉深件不起 皱、无裂纹，而且能够减少工艺余料，节约材料。 ( 四) 拉深件c a d 模型的局部修整经过( 1 ) ( 3 ) 部的处理，实际上已经获 得了一个与凹模型面完全相同的拉深件c a d 模型。对这个模型进行详细检查，查 看是否有裂缝、尖角等，予以适当的修补。完成了这些工作后，实际上已经获得 了覆盖件拉深凹模的完整地c a d 模型。 ( 五) 获得完整的模具系统c a d 模型在建立了凹模的c a d 模型后，首先根据 坯料厚度和工艺间隙，通过o f f s e t 等方式，提取与凹模型腔完全相似的几何型面， 通过一定处理，即获得了凸模的c a d 模型。同理，提取凹模的压料面即得到压边 圈的c a d 模型，提取凹模上的限流槽型面即得到拉深筋的c a d 模型。此即获得 了覆盖件拉深模具的完整地c a d 模型。 ( 六) 建立坯料c a d 模型，形成一个合理的冲压工艺“装配 根据覆盖件的 展开模型，可以初步确定坯料的形状和尺寸，建立它的c a d 模型。然后根据实际 冲压的情况，把坯料、凸模、凹模、压边圈、拉深筋的c a d 模型调整到合适的位 冕，形成一个合理的冲压过程的“装配 。至此，已建立了从覆盖件产品的c a d 模型开始，到可用于冲压成型分析的坯料和模具的c a d 模型，实现由覆盖件产品 模型向工艺模型转化过程的技术路线和方法。 2 2 2 有限元建模准则 在建立了准确的几何模型后，仿真精度和计算效率还取决于正确地建立有限元 模型。其要点包括以下几个方面： 1 、单元的选取 根据有限元理论，用于车身覆盖件冲压成型有限元仿真最合适的单元是壳单 元。一般地，四边形壳单元比三角形壳单元具有较高的精度和准确度，而三角形 壳单元的计算效率比四边形壳单元高。考虑到覆盖件冲压成形过程的特点，在建 立有限元模型时，比较合理的做法是用三角形壳单元来离散被认为是刚体的模具 型面，用b t 四边形壳单元处理将发生复杂变形的坯料，这样能同时满足计算精度 和计算效率的要求。 2 、单元划分的几条原则 无论是系统自动进行网络划分还是人机交互式的网络化分，在进行离散化建立 第二章冲压成形三维仿真关键技术 1 3 有限元模型时，考虑的根本因素是仿真的准确度和计算效率。通过研究发现，为 保证有限元计算的准确度和效率，需要注意以下几条原则： ( 1 ) 模具单元数和坯料单元数的分配从整个模型的单元数目分配上看，一般 把坯料单元数控制在模具单元数的2 倍左右，即坯料单元占总单元数的2 3 ，模具 单元占1 3 。 ( 2 ) 单元尺度的控制如果型面变化剧烈，或者处于圆角过渡或拐角处，则单 元须密一些，这样能保证计算精度，相应的单元尺度宜较小。如果型面比较平坦， 曲率变化较平缓，则单元数目可以少一些，这样可提高计算效率，相应的单元尺 度宜较大。 ( 3 ) 单元法向的控制无论选用何种单元，必须要保证同一个部件( 如凸模) 上的所有单元法向的一致性。 2 3 1 压边圈处理 2 3 仿真分析中的关键技术 压边圈在覆盖件冲压生产中起着重要作用，它产生压边约束力，对金属的塑性 流动进行控制，防止发生零件破裂、起皱和波纹等现象。在覆盖件成型有限元仿 真分析中，必须建立有效的方法来处理压边圈。对压边圈的处理，实质上就是怎 样模拟压边圈产生的压边约束力，以及怎样模拟压边圈成型问题。 为避免仿真模拟中出现不真实的褶皱现象，又不会很大的降低计算效率，作者 提出了一种压边圈闭合过程快速模拟方法。思路是：对原始板料划分为较粗糙的 网络，压边圈闭合速度取1 0 0 0 m m s 以避免褶皱现象，压边圈向凹模运动并将板料 压紧。接着，将变形后的板料网格按照一定的规则进行剖分，并继承原网格的变 形和应力，这样就不会影响零件成形时的应力场。实验证明此方法切实可行。 2 3 2 动力显示格式的虚拟条件 动力显示格式有限元方法普遍采用中心差分算法进行求解，如果采用真实的准 静力条件下的速度，那么在临界时间步长的限制下，动力显示格式有限元方法的 计算时间将很长。为了提高计算效率，可以采用虚拟速度方法，即把凸模速度放 大n 倍，则计算时间必然会降低n 倍。速度放大1 1 倍后，必然引起动力效应的增 加，为了减弱这种影响，可以把质量密度缩小n 倍，这样既可以有效地提高计算 效率，又能抑制一定的附加动力效应，使分析结果更接近真实的准静力结果，从 而满足计算效率和计算精度的要求。 1 4 基于特征的冲压件仿真工艺性分析 实践表明，对于汽车覆盖件冲压成形仿真而言，在动力显示格式有限元求解时， 可以把凸模速度放大1 0 0 倍，板料质量密度缩小1 0 0 倍，这样总的计算效率提高 了1 0 倍，并且因缩小了质量密度而抑制了动力效应。 2 3 3 材料选取 材料参数的选取是建立在材料性能试验基础之上的。由于同意牌号的材料其性 能参数在一定范围内波动，为了保证仿真结果与实冲结果的可比性，应选取实冲 坯料同卷的材料进行试验。按照标准g b t 2 2 8 2 0 0 2 中的单向拉伸实验方法，分别 在与扎制方向呈0 。、4 5 。、9 0 。方向取材料，制备式样。但在实际生产中，很难 做到每一批材料都通过拉伸试验获得性能参数，一般都是选用已有的数据库中相 同牌号材料的性能参数，或是采用厂家提供的材料参数。 工艺条件对车身覆盖件的成形质量具有决定性的影响。为了使有限元仿真分析 能真实地反映一定的冲压工艺条件对覆盖件成形质量的影响，必须确定有限元仿 真模型中真实的工艺条件。为此必须研究覆盖件冲压成形有限元仿真中工艺条件 的表示和合理工艺参数的获取。 2 3 4 压机工艺参数的处理 在车身覆盖件冲压生产中，根据零件特点所需的压机形式也是多样的，既有单 动压机、双动压机和多工位压机等。目前国内汽车行业主要采用双动压机和单动 压机。无论是单动压机还是双动压机，在覆盖件冲压成形过程中，它们都产生压 边圈运动和凸模运动，在覆盖件冲压成形仿真分析中，必须对凸模运动和压边圈 运动进行合理的描述。 ( 1 ) 凸模运动的描述对于凸模运动，由于在实际覆盖件冲压过程中，用于成 形的时间都不超过1 s ，根据t a n g 的研究，这个速度大小约为2 5 0 - 3 0 0 m m s ，用于 覆盖件冲压成形仿真分析的静力格式有限元大都采用这一速度值。对于动力格式 的有限元法，正如i j 面所指出的，都采用“速度放大 方法，即把实际冲压速度 放大n 倍后作为有限元计算中所设定的凸模速度。 ( 2 ) 压边力的确定 在不知压机参数的情况下，压边力f 可由下式估算： f = q a 式中：a 压边面积，它等于坯料面积减去凹模型腔开口面积，可以很容易在几 何建模环境下求出； q 单位面积上的压边力，根据