（机械工程专业论文）基于动态仿真的横向导臂开裂分析研究.pdf

土逸奎皿盘竺工 2 丝： 二堂位淦塞 i j 堑耍 基于动态仿真的横向导臂开裂分析研究 摘要 【9 0 年代以来，动态仿真技术在冲压领域得到了广泛的利用。运用动态仿 真可以有效改进冲压模具及其工艺，防止丌裂、起皱缺陷的发生，从而缩短 调模周j 飒，提商产品质量，降低开发成本。 桑塔纳轿车横向导臂上下部自投产以来，两半圆前端内外两侧开裂严重， 废品率高达1 0 ，从而使生产处于不稳定状态。传统的基于经验和类比的修 模方法，- - r 贝u 调试周期较长，二则风险较高，因此难以有效防止开裂缺陷的 发生。 f 本文运用多步冲压的动态仿真技术，进行了横向导臂的开裂分析研究。 首先运用c m m 检测设备和红外线激光扫描仪对各工序的冲压模具和工序件 进行进行了三维数据扫描：进而用c a t i a 曲面造型技术获得了各工序冲压模 具的c a d 模型；然后运用静力隐式的a 女! q e q 皿值真拯仕对横向导臂的拉深、 切边回弹、翻边3 个工序进行了动态仿真，得到了相应的厚度分布和成形极 限图；最后，在综合金相分析、摩擦分析、成形工艺分析的基础上，提出了 选用塑性较好的s t l 4 钢板、缩小翻边间隙、增大翻边圆弧半径等冲压模具 及其工艺改进措施，并分别给出了改进后的冲压成形性和厚度分斫i ，从而为 实际i 周模提供了可靠的依据。 本文的研究成果得益于动态仿真这个先进的c a e 分析工具，刷时又促进 了动态仿真的实用化进程。 关键列：多步冲压动态仿真曲面造型 ! ：逝窭迎厶堂： 攫地：! ：堂位硷塞 一一一隧江显 s t u d y o ns t a m p i n gb r e a k a g eo ft r a n s v e r s e 。s h a f t b a s e do n d y n a m i c s i m u l a t i o n a b s t r a c t d y n a m i c s i m u l a t i o ni sw i d e l yu s e di ns t a m p i n ga r e as i n c e19 9 0 s ，w h i c hc a l l i m p r o v es t a m p i n gd i ea n di t st e c h n o l o g y ，a v o i db r e a k a g ea n dw r i n k l i n g ，s h o r t e n t r y o u tp e r i o d ，e n h a n c ep r o d u c tq u a l i t y , a n dd e c r e a s ed e v e l o p m e n t c o s t t r a n s v e r s e s h a f to fs a n t a n ai sf o r m e db ym u l t i p l e s t a m p i n gp r o c e s s ，e g ， b l a n k i n g ，d r a w i n g ，t r i m m i n g ，f l a n g i n g ，a n dh o l i n g t h e r ei s s e r i o u sb r e a k a g ei n b o t hs i d e so ft h ef r o n te n ds i n c et h ep r o d u c t i o no ft r a n s v e r s e s h a f t t h er a t i oo f r e j e c t si sa b o v e10 ，w h i c ha f f e c tt h en o r m a lp r o d u c t i o ne f f e c t i v e l y t r a d i t i o n a l m e t h o db a s e do n e x p e r i e n c e a n d c o m p a r i s o n c a nn o tp r e v e n tt h e b r e a k a g e e f f e c t i v e l y , b e c a u s e o f l o n gp e r i o da n dh i g hr i s ko ft r y o u t i nt h ep a p e r , t h es t u d yo ns t a m p i n gb r e a k a g eo ft r a n s v e r s e s h a f ti sc a r r i e do u t b a s e do nd y n a m i cs i m u l a t i o n f i r s t ，s t a m p i n gd i e sa n d p a r t sf o re a c hf o r m i n gs t e p i sm e a s u r e db yc m m a n d l a s e r - s c a n n e r ，a n dc a d m o d e l sa r eo b t a i n e db yc a t i a s o f t w a r ea n ds u r f a c e m o d e l i n gt e c h n i q u e s e c o n d ，t h r e ek e yf o r m i n gs t e p s ， d r a w i n g ，t r i m m i n ga n ds p r i n g b a c k ，a n df l a n g i n g ，a r es i m u l a t e db ya u t o f o r m ，a s t a t i c i m p l i c i tc o m m e r c i a ls o f t w a r e ，a n dt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n df o r m i n g l i m i t d i a g r a mi s o b t a i n e d a tl a s t ，b a s e do n ? a n a l y s i s ，f r i c t i o na n a l y s i s ，a n df o r m i n g t e c h n o l o g ya n a l y s i s ，t h r e es t a m p i n g d i ea n d o r t e c h n o l o g yi m p r o v e m e n t a p p r o a c h e s a r e p r o v i d e d ，s u c h a s c h o o s i n gs t l 4s h e e t w i t hb e t t e r p l a s t i c i t y , d e c r e a s i n gf l a n g i n gc l e a r a n c e ，a n di n c r e a s i n g r a d i u sf o rs t r e t c h f l a n g i n g t h e t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n df l df o re a c hi m p r o v e m e n ta r el i s t e d ，w h i c hp r o v i d ea s o u n db a s ef o ra c t u a lt r y o u t 、t h er e s e a r c hr e s u l t sc o m ef r o mt h ea d v a n c e dc a e a n a l y s i st o o l ，a n da tt h e s a m et i m et h er e s e a r c h s p e e d su p t h e a p p l i c a t i o n o fd y n a m i cs i m u l a t i o ni n a u t o m o t i v ei n d u s t r i e s k e yw o r d s ：m u l t i p l e s t a m p i n gd y n a m i c s i m u l a t i o ns u r f a c e m o d e l i n g ：丝銮迎盔堂工l ! 趔土堂位淦窑笙= 塑扭述 第一章概述 1 1 板料冲压仿真的研究进展 作为种生产方式，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，无论是板料的生产工序、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t r i a la n de r f o r 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。【l l 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 l e r t 2 l 和g o o d w i n l 3 1 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 然没有打丌这个“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 只能在已作出很大投资、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， 人们枉私 极寻求新的方法来研究和认谚 板料冲压成形过程。 “如果有一种技术使得汽车制造工程师在不经过试生产的条件下，能够 根据所设计的模具和工艺，预见所选板材在冲压后的成形情况，这将大大降 低生产成本，缩短生产周期，赢得市场竞争”。这是1 9 6 3 年当时担任美国通 用汽车公司商业顾问的哈佛大学教授b b u d i a n s k y 提出的设想。b u d i a n s k y 教授的没想很快引起了学术界和工业界的研究兴趣。 b u d i a n s k y 教授的设想开创了板料成形数值仿真的研究领域，在工业化国 家形成了基于计算机的板料成形数值仿真的研究热潮，人们对冲压成形过程 的认识也越来越清楚。十几年后，终于由g m 公司的n m w a n g t + , 5 】、b u d i a n s k y 教授本人和f o r d 公司的s c t a n 9 1 5 , 6 】等人把数值仿真方法成功地应用于车身 板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用研究 领域。 一般极料成形问题是非常简单的，主要表现在：( 1 ) 零f t ：f ( j j l f i j 形状非常 简单，甚至可以解析地表示出来：( 2 ) 成形方式也比较单一，一般都只含有一 利t 2 - 本成形方式；( 3 ) 摩擦接触情况和工艺条f t ：都非常简单，易于把握。因此， 彤究和认识一般板料成形问题中的规律是相剥简单和容易的。事实上，国外 7 0 年代术以i j 的研究工作，无论是用试验力学方法，还是用解析力学方法， 或者是j 1 】汁箩 【力学方法，都足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 年代中期才丌始被研究1 7 , 8j 。 与一般板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 压成形问题的复杂行，表现在：( 1 ) 覆盖件尺寸较大，几何型面非常复杂，多 为空间自山l 山面，无法用解析形式表述，只能用参数曲面来表示：( 2 ) 覆盖件 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、h k 形、翻边、弯曲等多种形式： ；趣窑业_ 厶鲎 ：攫趔! ：t l i 硷塞盈= 堑拢进 ( 3 ) 由于覆盖件模具上压边圈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 边圈成形过程，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， 山此引起的靡擦洞滑状况也非常复杂，难以订效把握和控制；( s ) l x t 盘什成形 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 于覆盖件及其模具j i a n 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，需要在压边圈和凹模支承面上设置拉延筋，从而对金属流动和变 形进行有效地控制。 车身覆盖件冲压成形的上述特点和复杂性。决定了车身覆盖件冲压成形 问题不同于一般板料成形问题的本质，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 | 4 j 发表了他们的著名论文“a n a l y s i s o f s h e e tm e t a ls t a m p i n gb yaf i n i t ee l e 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用到复杂零件( 3 0 覆盖件) 的冲压成形分析中是有“障 碍”的：必须考虑到在覆盏件冲压成形情况下材料本构关系的非线性和摩擦 接刖! 问题的非线性，必须考虑复杂几何边界的描述。 1 9 9 1 年，在为庆祝刚塑性有限元理论的创立者小林史郎教授6 0 岁生日 而在加里福尼亚大学b e r k e l e y 分校举行的一次金属成形数值仿真国际会议 上，m j s a r a n 指出i i “，虽然在模拟具有微小接触边界变化的简单形状模具 的冲压成形问题时获得了很高的准确度，取得了很大成功，也山现了大量的 论文和专著，但是。为了建立能够处理在无规则几何型面模具作用下材料的 大位移大变形过程、适合于工业应用的可靠的、能有效降低成本的分析方法， 人们依然需要付出极大的努力：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，即使勉强荻得了一个分析结果，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 司以解决问题。 山于覆盖件冲压成形是由j l i i 基本成形方式组合而成的，所以通过对一 般板料成形问题的研究，能够掌握冲压成形中各基本成形方式的有关规律， 也有助于更好地认识覆盖件冲压成形的规律。而且，沿着建立一般板料成形 问题数值模拟方法的思路，在考虑覆盖件冲压成形的许多特殊性之后，有助 于建立适合于覆盖件冲压成形仿真分析的方法。 所有的计算力学方法都是保留研究对象复杂的力学特性，建立合理的计 算模型，利用相应的数值方法，编制程序，用计算机来求解，在计算机上进 行数值仿真。 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，初期都采用的是有限差分法，而有限元法则是在7 0 年代中期爿开始应用于冲压成形数值仿真研究的。 ：皿g 迪_ 人芏 ：扭趔! ：望：i 2 淦毫堑二堑拟进 1 有限差分法 何5 u 差分法足将求解区域沿某一确定的难交方向分荆为离敞网络，将网 络纳点的数他作为待定函数，这样描述问题的微分方程和边界条件被离敝为 差分方程3 i 。 b u d i a n s k y 和n m w a n 9 1 9 1 在1 9 6 6 年，| l _ j 有限差分法模拟了s w i r l 试验。山 于他们考虑了材料的各向异性，因而计算结果与试验结果非常吻合。n m w a n g l l o 在1 9 7 0 年提出了忽略弹性的塑性大变形有限差分格式，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 i a n o g l u 和j m 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，并且首次指出冲 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。 虽然刚有限差分法能够分析一些非常简j 诈的冲压成形问题，但“| 于有限 差分法处理复为 、变化的边界条仆的能力非常弱，而且其计算效率很低b 1 ， 所以有限差分法无法应用于象车身覆盖件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丌始考虑用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 教授于1 9 6 0 年发表的著名论文“t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o di np l a n e s t r e s sa n a l y s i s ”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，因而无法应用于金属塑性成形分析。 1 9 6 7 年，pv m a r c a l 教授和i i jk i n g d 4 1 抛出了弹塑性仃限元格式。1 9 6 8 年，山h 1 嘉昭i l 刈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用。以小变形理论为基础的弹塑性有限元法不 适合于分析象冲压成形这样的大变形塑性成形问题，因此，人们又致力二j ：发 展大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 l l 6 】基于有限变形 理论应用增量法建立了全l a g r a n g i a n 格式的大位移、大应变弹塑性有限元法。 m a r c a l 教授总结了自己的研究成果，于同年推出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 的火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 i ”1 处札了热梢弹猁性i 人变形有限几万法。至此，应川j ：人变形6u 题分 i i 的弹塑 性有限7 i 理论已经系统地建立起来了。 对于金属塑性成形而言，山于弹性变形远, b - - j i , i q 料的翔性变形，冈此在 某_ 卧况一l j 以忽略盼f i ：变j 眵。k o b a y a s h i 刷c jj l e e i 蝌i 认贞分析了这个0 u 题，一j ：1 9 7 3q - ：抛f - h 0 抛性订限几方法。扫荆0 型1 生7 j - 限冗川! 沦i h 利判在删 服河呈刚性；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 年捉了粘塑性订限元法，川刁i 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。 就金属翔性成形而言，弹性有限元和弹塑性有限元都考虑了加载或卸载 时利利f l 7 9 y 【p i ：变形，这类订限兀法被称为“川体型”仃限，i 法；刚幽一l ! b 4 1 限 厄方法和粘塑性钉限元法忽略j 啦性变形，把会属的流动视为非牛顿流体的流 动，这类有限元法被称为“流动骂! ”有限元法。“田体型”和“流动型”有限 i ：泣窑地厶：笠f ：! 地上堂i z 淦塞笙= ：堑扭墟 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，在工业化 国家，川这两类有限元法列冲压成形问题进行仂真的研究热潮蓬勃兴起了。 从7 0 年代r 1 1 期丌始刚有限元法研究冲压成形问题以来，经过众多学者十 多年的势力探索，到八十年代术，人们已经能够1 1 “川体型”利“流动型” 订叭儿力法成功地分析轴划称博：维成形n u 题，吡l j 山能够刘晰如办形命这 样的阳m 二维成肜i u j 题进行仿典：人们仃耻【i i 信，川1 有限元方法列车身覆 盖件的冲压成形过程进行成功仿真的目标将成为现实。 j 盯实上，在冲压成形有限元仿真研究不断取得突破时，人们丌始考虑把 有限元方法应用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n m w a n g 和b u d i a n s k y , 1 4 1 的指引下开始的。7 0 年代末，n m w a n 2 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来研究其有限元仿真 问题，首先应研究“压边圈成形”问题【2 0 】。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 完成了行李肌j ：! ：f 冲压成) 眵1 1 9 有限元仿真分析。接着，t a n g 又完成了轿车阿翼 予板冲压成肜的有限元分析。随后，t a n g 等人系统地研究了刚有限元方法分 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t | l | ，| 0 应川。就这样，车身覆盏什冲堰成形有限冗仿真研岁在工业化家全 【展) 1 ：了。 随着列压成形有限元仿真研究的蓬勃发展，轿车的行李厢盏、i 讨翼子板、 门外板、汕底壳、6 u 座横梁和洲动车门柑等零件的冲压成形过程被成功地仿 真，有的仿真结果被用于指导零件及其模具和冲压工艺的设计和改进。借助 于有限元仿真技术，传统的覆盏什冲压生产已经从“t r i a la n de r r o r ”变成了现 代化的“t r a la n dl r u e ”了。 f o r d 公司在汽车7 7 , _ l k 首先提出c 3 p ( c a d c a e c a m p d m ) f l j 概念体系， 希望j i ! ic a d 、c a e 、c a m 集成起来，实现一致性的没计分析川州造数抓表达， 形成一个统一f 0 产- i l j l 数抓管理系统( p d m ) 。z f ：f o r df 内c 3 p 体系一h c a d c a m 上导核心软件是美国s d r c 公司) l ：发的i - d e a sm a s l e rs e r i e s ；用 于粳谎件冲压成形仿真分析从i i j 指导模具设汁、指导孙压工艺设计和选材的 有限元软件足美国l s t c 公司丌发的l s d y n a 3 d 和f o r d 公司的s c f a n g 等人丌发的m t l f r m 。臼c 3 p 实施以来，f o r d 公司新车! 娌丌发周j j 山原来 的3 6 个月缩短至1 2 到1 5 个月；车型丌发的后期i 殳汁修改减少了5 0 ；样 4 ：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 u i i 企业i h 创造 了最好的财务状况。 在汽车? i i _ q k ，还彳f y i ：多应j i 】覆，矗什冲爪成形有限元仿真分析在乍型j i ：发、 模i i 焚计制造和：l 艺设汁等力皿人人降低了成小、捉i 盔了效率、从i | j 以得成 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 叫，冲压成形有限元仿真技术已在汽车：i ：业得到j 。泛应用，成为汽1 ：i ：业降 低成小、挺商质量、提高1 1 j 场竞争力的重要于段。 理论和技术上的f = l 臻完善，使得冲压成形有限元仿真分析在汽j ：工业的 应川hz & 受到重丰见。日前，吲际上众多的汽车制造企业都建有覆盖g i ：n 压成 形仿真分析系统，其核心是专业化的有限元分析软件。 以下列 1 1 了一些汽车制造企业选用n j l c g ) - 7 7 ：有限元软件n f 况。覆盖什 冲i i 成形仿贞分析伍多乃叫刘这些企业的冲小生，“挺口i 仃力的支持：在改汁 上逝奎通厶：羔：礁熊堂也硷奎蕴= 塑拢述 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。 表1 1 扳料冲压仿真软件 本求 n u m l s h e e t 9 3 构解 开发 标准考题 汽车工业 关格 系式 软件名开发单位单位方 轿车 2 d的使用者 类 国别 形 前翼 拉延 举例 犁 盒 子扳 m t l f r m f o r d 公司美国 f o r d d i e k a t w e l i t e 大学荷兰 l a g a m i n e l i e g e 大学 比利时 c a l e m b o u re c o l ec e l i r a l 法国 静 p a r i s a b a q u sh ks 公司美国 f l e c h e c o m p i e g n e 技 法国 j ) 术大学 l s n i k e 3 d l s t c 公司美国 g m ，f o r d ， 隐 c h r y s l e r , 弹 h o n d a a u t o f o r m苏黎世e t h 瑞士 德国大众， 式 上海大众 b e n d l f o r d 公司英固 f o r d l n d e e di n p r o 德田 a u d i ，f i a t p r o f i l 国立理学院法国 塑 m a r c m a r c 公司美国 静 r o b u s t 大舨大学h 本 力 l t a s 3 dr i k e n h 本 t o y o t a ， 显 n i s s a n 式 i t a s 2 dr l k e n 目本 性 l s d y n a 3 d l s t c 公司荚国 g m ，f o r d c h r y s l e r , h o n d a 动 p a m - s t a m p e s i 法国 厂 b m w m a z d a j 3 l a d i o s sm e c a l o g 法国 r e n a u l t 显 a b a q u s e x p l i c j ti i k s 公剐戈田 g m 式 c o m p i e g n e 技 法囡 术大学 c e s 3 d c a t a l u n y a 大学 两班牙 d y n a f o r m et a 炎b l| | 1 固一汽 ：煎变通叁竺：i z 趔堂位i 佥奎盆= 塑揸述 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，所以在人, f f j 4 9 板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 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j i a k l 建模过程和有限元力学建模 过程。j l d i r 建模过程系指由零件产品模型建立相应冲压模具和坯料的三维几 何造型的过程，包括凸模、凹模、压边圈、拉延筋准确的造型和它们与坯料 之间符合实际冲压情况的合理的“装配”。几何建模必须根据覆盖件产品模型 的不同表达方式来确定相应的获得某步工序模具造型的技术方案；必须考虑 合理的型面表达方式；尤其是要保证几何模型的绝对准确性，这一点至关重 要，它是保证仿真分析结果可靠性的第- - i j i s 提。由于车身零件尺寸较大，形 状复杂，几何建模工作是一个难点。 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束条件等，形成一个可直接用于仿真计算 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。 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，用其几何型面来 表示。对于扳料，应当考虑为各向异性材料，采用各向异性材料的屈服模型。 3 计算效率和计算精度问题 覆盖件尺寸大，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，计算效率并u 7 , 4 。算准确度问题一直是争论的焦点之一。 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。 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 时零件将在残余应力作用下发生回弹。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，关于回弹的研究工作还没有取得突破 啦e i 展。 6 上堑坌煎太堂工程篮堂位i 佥窒 藐二童扭述 1 2 本课题的工程背景 横向导臂，在桑塔纳轿车中的位置如图l l 所示 图l 一1 横向导臂位置示意图 横向导臂的成形过程是一个多步冲压过程，主要分为落料、拉深、切边、翻 边、冲孔等工序，工序图分别如图1 2 图1 - 6 所示。图1 7 图1 1 0 分别是 拉深件、切边件、翻边件和冲孔件示意图。 图1 - 2 横向导臂落料工序图 土盔銮通态堂工i ! 缝：e 堂位淦塞 笙二童掘述 c埯掣 图l 一3 横向导臂拉深工序 图1 4 横向导臂切边工序图 c 拶 - 一5 2 0 f ! ： i 图1 - 5 横向导臂翻边示意图 c 8 ：l 逝奎通右堂工1 21 蛆土堂位淦塞 笙二二堑拢述 b 一! 叫哥卜 ：t l l 2 - 十f 。d ；2 图1 6 横向导臂冲孔示意图 甸 图1 7 横向导臂的拉深件图1 8 横向导臂的切边件 9 土泣坌适太堂工i i 丝堂位淦塞 篮二塑拢述 图l 一9 横向导臂翻边件 图1 1 0 横向导臂冲孔件 桑塔纳轿车横向导臂上下部自投产以来，两半圆前端内外两侧开裂严重。 如图1 1 1 所示，情况严重时丌裂率高达1 0 。尽管部分零件补焊后可用，但 给质量带来缺陷，生产处于不稳定状态。如果能解决这个问题，经济效益是 非常可观的。若以年产5 0 万只丌裂率1 0 计算： 直接经济效益为： 补焊费用5 0 0 0 0 x 1 0 x o 5 5 = 2 7 5 0 0 元 报废成本5 0 0 0 0 0 x 1 x 5 1 = 2 5 5 0 0 0 元 总计2 8 2 5 0 0 元 间接经济效益为： 消除丌裂，改善外观质量，稳定生产状态，争取零缺 陷。 图1 1 1 横向导臀开裂部位 传统的基于经验和类比的冲压模具及其工艺改进方法费时费力，而且风 险较高，一旦模具修坏以后难以修复，从而导致模具报废，造成重大的经济 损失。上海汇众汽车制j 盘7 邓艇公司的帧修1 i m j 尽竹做了一些修模工作，也取 得了一定的效果，但还没有从根本上消除翻边丌裂的缺陷，废品率依旧居高 不下。 ：逝盆地厶：! ；兰：! ：盟趔：f ：堂位淦塞笙= 堂逝监 1 3 本文的研究意义 由于板料成形的复杂性，要得到最佳解决方案非常困难。如果能将试验 和仿真结合起来，试验指导仿真，仿真指导试验，建立这么一个良性循环， 既可大大减少试验费用和时间，又可提高产；曰，质量和生产稳定性，具有现实 意义。 为适应汽车工业发展的需要，提供高质量的冲压零件已成为汽车制造厂 的重要任务。由于产业发展的需要以及大容量计算机的出现，使得先进的设 计方法( c a d ) 和制造方法( c a m ) 应运而生。然而，在c a d 和c a m 之问应当有c a e 这座桥梁，用c a d 技术设计模具原型，然后用c a e 技术模拟，提出修改意见， 最后用c a m 技术制造模具。 本文采用c a e 技术分析汽车覆盖件冲压质量问题，提出解决方案，是一 次大胆的尝试，具有相当的工程价值。 1 4 本文的主要研究内容 结合上海交通大学汽车工程研究所承担的上海汇众汽车制造有限公司的 科研课题，本文主要完成的内容如下： 建立横向导臂几何模型、有限元网格模型； 完成横向导臂成形后翻边的有限元仿真； 对仿真结果进行实验验证； 根据仿真结果提出可靠的选材依据和模具憨改方案。 ：；鲤窑地盔堂工l ! 丝土堂位淦塞笾：望z i ! 压伍基曲基盔型淦塑羞世挂苤 第二章冲压仿真的基本理论和关键技术 板料成形过程是一个集几何非线性、材料非线性( 或称物理非线性) 、边界 条件非线性于一身的高度非线性问题，同时又经常是大位移、大转动问题。 为了正确地揭示成形过程中金属的变形规律，必须采用非线性连续介质力学 理论，特别是有限变形理论进行描述。在建立弹塑性有限变形的有限元方程 时有两种描述方法，一种是欧拉描述方法，它是以变形态图形为参考来描述， 又称流动坐标系描述。另一种是拉格朗日描述方法，它是以初始态图形为参 考来描述，又称质点坐标系描述。 2 1 有限变形中应变的度量 有限变形中往往有大位移、大转动，因此小变形中应变的度量方法已不 能满足分析问题的要求，需要有新的应变度量方法。有限变形中的应变度量 方法有两种，即g r e e n 应变e 。( l h g r e e n 年1 1s v e n a n t 导出) 和a l m a n s i l 立变e 。( 由 a l m a n s i 导出) 。它们的表达式为： 耻如，杀毒一瓯卜= 如一鲁杀 陋， 也可转换为： d 0 一d o s = 2 e p d ，d j ，d s - d o s = 2 e f d k ，d k j ( 2 - 2 ) 舯碱一k r o n e c k e r 能驴 ：薯小 ：急： f 一变形后时刻3 0 一变形前时刻； 凼一为一微小线元的长度； x i 、。、x 、x 一坐标分量。 山式( 2 2 ) 可以得到一个很重要的结论：一个物体做纯刚体运动的必要与 充分条件是整个物体各点的g r e e n 应变、a l m a n s i 应变都为零，也就是况， g r e e n 应变、a l m a n s i 应变的表达式中未包含物体做纯刚体运动的成分，因此 可以作为有限变形中应变的度量方法。 在直角坐标系中，g r e e n 应变、a l m a n s i 应变可展开为： 勺=圭l+考+丝a丝ajl l 嵋= 吉良+ 考一善参 p ， l， 。 7 式中 “、“，、“i 一位移分量； 。i 、。j 、。女一坐标分量。 攫变迫鑫堂工程趔堂焦途毫堑三塑地压笾毖曲基奎堡论歪! ! 羞键控盔 需要指出的是g r e e n 应变、a l m a n s i 应变还不能直接反映变形的大小，它 们本身不是伸长度和角变度，而是与伸长度和角变度有一定的关系。令矗分 别为工程应变分量，则g r e e n 应变和工程应变的关系为： s l l2 1 + 2 e 1 1 1 占2 2 2 1 + 2 e 2 2 1 3 3 2 1 + 2 e 3 3 1 豇舭1 2 - 2 e 1 27 1 + 2 e 1 17 1 + 2 e 2 2 8 i n e 2 32 2 e 2 3 , 4 1 + 2 e 2 27 1 + 2 e 3 3 8 i 舭3 12 2 e 3 17 1 + 2 e 3 37 1 + 2 e 1 1 a l m a n s i 应变和工程应变的关系为： 钆= 1 耵j i 占：= l 一耵夏_ s 矿1 厩 s i n e 。：= 2 e 1 2 厩厩 s i n e 2 3 = 2 e 2 3 l 一2 e 2 2 1 2 e ” s i n e 3 l = 2 e 3 i l 一2 e ”, 1 2 e l l 另外，就线应变而言，有下面的关系式： 占。= 面一1 s r ：j 疆一1 ( 1 + e 。) 一1 ：e 。 e ，= 1 百1 一i 二i 丽1 一( 1 一e 。) ：e 。 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( e 。 - 0 5 ) ( e 。 l = 足：( 1 ) 忽略了材料的硬化特性、各向异性特性和坯料的 弹性变形及厚度变化：( 2 ) 1 驴i 止压边圈被抬起的最小压边力乖i 坯料的弯曲角都 是待定的；( 3 ) 由于假设等效弯曲半径与筋或柑的半径棚等，这将导致在拉延 筋穿透深度较浅时对弯l j l 】应变估算过高。k l u g e 模型考虑了材料的塑性硬化 效应，而且也给出了弯曲角的计钎：方法，所以它比w e i d e m a n n 模型更为完善。 但它依然存在一些不足：( 1 ) 忽略了材料的各向异性特性和坯料的弹性变形及 土盔蛮迥盍堂工i 2 亟堂位论塞筮三童2 i ! 压i 立盛曲基奎型淦塑羞毽挂丕 厚度变化；( 2 ) 基于等效曲率半径与筋或槽的半径相等的假设将导致在拉延筋 较浅时弯曲应力估算值过高；( 3 ) 防止压边圈被抬起的最小压边力依然是待定 的。s t o u g h t o n 是基于能量守恒原理提出的拉延筋阻力数学模型。s t o u g h t o n 模型比前两个模型复杂，但它具有以下优点：( 1 ) 材料的塑性硬化特性、各向 异性特性和坯料的弹性变形及厚度变化都被考虑到了：( 2 ) 圆满地解决了拉延 筋m 力和防止压边圈被抬起的最小压边力；( 3 ) 弯曲角和等效弯i i t l - - t s 径都足可 计算的。 ， 相比较s t o u g h t ；备模型是最完善的。c t w a n g 和t a l t o n 【；2 5 佣多种材料 进行了拉延筋试验研究，发现s t o u g h t o n 模型预测的拉延筋阻力与试验结果 非常吻合。这表明，s t o u g h t o n 模型确定的拉延筋阻力是完全可靠的。所以用 阻力线法来处理拉延筋时都选用s t o u g h t o n 模型来求得拉延筋阻力。当然， 在进行模具设计、冲压工艺设计时，也可用s t o u g h t o n 模型来计算拉延筋阻 力和最小压边力，确定合理的拉延筋结构和合理的压机参数。 阻力线法不必对拉延筋进行几何造型和有限元划分，因而减少了前处理 中的工作量和花在前处理阶段的时间：在有限元计算阶段，也因为减少了大 量的拉延筋单元而大大提高了计算效率，降低了存贮开销。阻力线法的这些 优点使得它成为目n 口在车身覆盖件冲压成形有限元分析中模拟拉延筋的主流 方法，许多专业化的冲压分析软件，如l s d y n a 3 d ，a u t o f o f m ，p a m s t a m p ， a b a q u s 等都采用这种方法来处理拉延筋，取得了良好效果。 2 9 工艺条件的处理 工艺条件对车身覆盖件的成形质量具有决定性影响。通过对覆盖件冲压 成形过程进行有限元仿真分析，可以指导冲压工艺设计，确定合理的冲压工 艺参数。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边界条件。为此， 必须研究覆盖件冲压成形有限元仿真中工艺边界条件的表示和合理工艺参数 获取。 2 9 1 压机工艺参数的处理 在冲压生产中，根据零件特点所需的压机形式也是多样的，即有单动压 机、双动压机和多工位压机等。目前在国内汽车行业主要采用双动压机和单 动压机。 双动压机，具有两个滑块，即与凸模相连的内滑块和与压边圈相连的外 滑块。外滑块产生的压边力可以很容易地调整分配在若干个不同位箭的压力 支点上，根据零件冲压的要求，不同压力支点可以提供相同或不同的压边力， 以有效地控制金属流动。双动压机压边刚度好，对压边圈上的拉延筋的压紧 效果好，有利于充分发挥拉延筋的作用。 单动压机一般凸棋在下，模在上，在这种情况下的拉延过程也被称为 “反向拉延”。s c t a n g ：“1 等人认为，采用单动压机至少有两类优点：( 1 ) 可 以：1 ，省1 5 2 0 的板料：( 2 ) 可以荻得更均匀的塑性变形。 1 凸棋运动的狲述 刈于凸模运动，可以分别川1 1 1 棋的位移一时n 州l l 线、速度一时问n 线戏 f j l 速度一时问曲线米拙述。本文选用图2 5 心i 葵速度一时问l l 线来描述凸模 的运动。 2 4 直銮迎叁堂三! 二 2 趔：! ：堂位睑毫 蕴：韭挫压笾毖曲基丕堡 金耻羞地土圭丕 v ( m s ) o 图2 - 5 凸模速度一时问曲线 由于实际覆盖件冲压过程中，用于成形的时间都不超过1 秒，所以可以 选择1 秒为一个时间坐标点，这样，图3 7 中的速度一时间曲线等效于下列 的坐标序列： 时间 0 t l 1 2 1 凸模速度 o v i v ， v 从理论上讲，图2 5 中的速度v ：应等于实际冲压过程中凸模的稳定速度， 根据s c 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方法， 都采用“速度放大”方法