（材料加工工程专业论文）汽车尾灯外座板成形过程与数值模拟分析.pdf

武汉理一【大学硕十论文 摘要 利用模具对金属板料进行冲压加工，获得的冲压件具有造型美观，质量轻、 表面光滑的特点。此加工方法具有节省材料、效率高和低成本等许多优点，在汽 车、航空、等行业中地位很重要，在冲压成形过程中，金属薄板常常会产生一些 成形缺陷如起皱、破裂、回弹等。对汽车冲压件进行的冲压成形有限元数值模拟 有许多作用，其中缩短产品的开发周期、降低产品成本、预测成形缺陷的作用应 用最广。这篇文章通过有限元软件d y n a f o r m 的仿真分析，研究了汽车尾灯外座板 的冲压成形过程，并分析了成形过程中尾灯外座板产生的主要缺陷，其中主要研 究了压边力b h f 、圆角半径r 、摩擦系数、冲压速度y 这四个参数对尾灯外 座板冲压成形的影响，最后给出了这几个参数对尾灯外座板冲压成形的影响程度 的主次顺序( 通过正交试验的方法) ，同时可以依此得出尾灯外座板成形的最优 参数( 包括最优参数组合范围) 。 通过d y n a f o r m 确定汽车尾灯外座板冲压成形过程中的最优的工艺参数组 合，指导于实际生产。 本文主要内容有以下几个方面 1 ) 板料冲压成形方面的基础理论。 2 ) 分析了四组参数一凹模圆角半径r 、摩擦系数、冲压速度v 和压边力 b h f ，取不同的值进行模拟，得到各参数对汽车尾灯外座板冲压成形的影响规 律。 3 ) 依据实际生产中的具体成形缺陷的产生情况，最终确定了试验指标为最 大减薄率，研究圆角半径尺、冲压速度y 、摩擦系数和压边力b h f 这四个工 艺参数的正交试验，比较得出其中对最大减薄率影响最大的一个，同时确定了一 组最优的工艺参数组合，同时在这个基础上通过试验，得出了最优参数组合的波 动范围。可以用在实际生产中作为参考。 关键词：汽车冲压件，冲压成形，数值模拟，参数优化，正交试验 武汉理f j 人学硕士论文 a b s t r a c t w h e ns h e e tm e t a lp r e s sw o r k i n gw i t hd i e ，t h ef e a t u r eo ft h ef i n i s h e dp r o d u c ta r e b e a u t i f u la p p e a r a n c e ，l i g h tw e i g h t ，s m o o t hs u r f a c e t h i sp r o c e s s i n gm e t h o di st os a v e m a t e r i a l s ，h i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s t ，a n dm o r eo t h e ra d v a n t a g e s i ti si m p o r t a n ti n t h em o u l d ，a u t o m o t i v e ，a v i a t i o n ，a n do t h e ri n d u s t r y i ns h e e tm e t a lf o r m i n g ，i tw i l l o f t e np r o d u c e ss o m ed e f e c t ss u c ha sw r i n k l e s ，b r o k e n ，s p r i n gb a c k t h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nf o rs t a m p i n gp a r t si na u t o m o t i v es t a m p i n g ，h a v em a n ye f f e c t s ，i n c l u d i n g r e d u c i n gp r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e s ，r e d u c e i n gp r o d u c tc o s t ，f o r e c a s t i n gf o r m i n g d e f e c t sa n ds oo n t h i sa r t i c l eu s e df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ed y n a f o r m a n a l y z e dt h ef o r m i n gp r o c e s so ft h eo u t s i d em o u n t i n gp l a t ef o ra u t o m o b i l et a i l l i g h t s ， a n da n a l y z e dt h em a i nd e f e c t si nt h ef o r m i n gp r o c e s so ft a i l l i g h t m o r e o v e r ，i ta n a l y z e d h o wm u c hp r e s s u r e p a d f o r c e 、r a d i u so f c o m e r 、c o e f f i i c i e n to ff r i c t i o n 、p u n c hs p e e d e f f e c tt h eo u t s i d em o u n t i n gp l a t ef o ra u t o m o b i l et a i l l i g h t si nf o r m i n gp r o c e s s f i n a l l y ， p r i m a r ya n ds e c o n d a r yo r d e ro ft h ei n f l u e n c eo ft h e s ep a r a m e t e r sa r eg i v e n ( b y o r t h o g o n a lt e s tm e t h o d ) ，a n do p t i m u ms t r a t e g y o ft h e s ep a r a m e t e r si s g i v e n ( i n c l u d i n gt h eo p t i m a lr a n g eo fp a r a m e t e r s ) t h eo p t i m u ms t r a t e g yo ft h e s ep a r a m e t e r sw a sd e f i n e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o ns o f t w a r ed y n a f o r ma n a l y z e dt h ef o r m i n gp r o c e s so ft h eo u t s i d e m o u n t i n gp l a t ef o ra u t o m o b i l et a i l l i g h t s 。 t h i ss t u d yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s 。 1 ) t h eb a s i ct h e o r yo fs h e e tm e t a lf o r m i n g m a i n l yi n c l u d e st h ek e yt e c h n i c a l a n db a s i ct h e o r e t i c a lo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs h e e tm e t a lf o r m i n g 。 2 ) a n a l y s i so ff o u rp a r a m e t e r s p r e s s u r e - p a d f o r c e 、r a d i u s o fc o m e r 、 c o e f f i i c i e n to ff r i c t i o n 、p u n c hs p e e d ，d i f f e r e n tv a l u e so fe f f e c t i n gt h eo u t s i d em o u n t i n g p l a t ef o ra u t o m o b i l et a i l l i g h t si nf o r m i n gp r o c e s s 3 ) b a s e do ns p e c i f i cf o r m i n gc o n d i t i o n so fd e f e c t si na c t u a lp r o d u c t i o n ，t h e f i n a lt e s tt a r g e tw a sd e t e r m i n e dt ot h em a x i m u mr e d u c t i o nr a t e i ta n a l y z e dt h e o r t h o g o n a lt e s to f p r e s s u r e p a d f o r c e 、r a d i u so fc o m e r 、c o e f f i i c i e n to ff r i c t i o n 、p u n c h s p e e d ，w h i c hf o u rp r o c e s sp a r a m e t e r s ，c o m p a r eo b t a i n e de f f e c to nt h em a x i m u m r e d u c t i o nr a t ew h i c ho n ei st h el a r g e s t ，w h i l ei d e n t i 研n gas e to fo p t i m a lp r o c e s s p a r a m e t e r s a n do nt h i sb a s i s ，t h et e s tr e s u l t s ，t h ev o l a t i l i t yo ft h eo p t i m a lr a n g eo f p a r a m e t e r s w h i c hc a nb eu s e di na c t u a lp r o d u c t i o na sa r e f e r e n c e k e y w o r d s ：a u t o m o t i v es t a m p i n gp a r t s ，s t a m p i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n ，o r t h o g o n a ld e s i g n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工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 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：专茎虽日期：鲨! ：兰三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。 签名：名坛 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导师签名嗍型 武汉理工大学硕十论文 1 1 引言 第1 章绪论 板料冲压成形得到的产品，质量轻、造型美观、表面光滑；此工艺运用广泛， 在模具，汽车、航空、等行业有所运用；此工艺还具有许多优点，如节省材料、 效率高和降低成本等【1 1 。板料成形设计计算过程相当复杂，用传统的解析方法求 解基本上是无法实现的，于是板料的加工生产中冲压工艺的制定主要依据工程师 的实践经验( 用传统的模具设计和冲压工艺加以简化的经验公式和理论模型为基 础) ，所以使得这类模具的开发要经过反复试模修模，才能达到零件设计要求， 从而避免模具的不确定性和随意性【2 】；此过程的力学过程及成形影响因素是一个 集接触非线性，材料线性，几何非线性的综合非线性问题【3 】。这种方法对结构形 状较为复杂的新产品模具，不仅耗费大量金钱和时间，还常常难以达到质量要求。 广大模具设计人员在模具设计工作中遇到的主要问题是一较长的模具开发和 设计周期。在板料成形中特别是遇到一些复杂的零件，较长的模具开发和设计周 期问题拖延了整个产品的开发时间。一直至j j c a e 技术及有关分析软件被开发出来 后，这个问题才得到了有效的解决，特别是试模时问得到了有效缩短，不仅如此， 有限元法使企业降低生产成本，改进产品质量，提高了企业在市场中的竞争实力 【4 】 o 塑性成形理论发展得已经相当成熟，在有限元分析技术得到广泛的应用之 后，塑性成形过程有限元数值模拟作为一项有效解决塑性成形问题的高新技术之 一也得到了很好的发展【5 】。其中板料成形生产中，对此相技术的应用也在不断发 展完善。c a e 技术是非常实用和专业的，在进行板料成形分析中运用此方法，使 大量繁杂的工程分析问题得到简单化，使许多过去无法分析的复杂问题得到解 答，使工程分析更准确、更快，使复杂的过程层次化扣j 。 1 2 国内外研究现状 这么些年来，各个国家都很重视c a e 技术人才的培养工作，推动c a e 技术在工 业生产中的应用和研究的是各行各业中的这一批掌握c a e 技术的科技人才。在国 外，广泛应用于各个领域的c a e 技术的发展很快，不仅仅在工程生产中解决了许 多实际问题【_ 7 】而且用于科学研究。有一些公司直接储存它们需要的模拟结果，如 日本荻原( o g i h a r a ) 1 8 】公司，保留它所需要的多种车型产品的板料成形模拟结果， 在生产中直接使用。同本的n a k m a c h i 对汽车车门和车尾箱底板建立了基于弹塑性 武汉理j l 人学硕十论文 壳体理论的有限元模型，并进行了模拟，显示了此过程中的成形起皱现象。日本 丰罔( t o y o t a ) 【9 】公司方面的应用非常成熟，已经建立一个分析结果库针对整车车 身各种典型零件。北京航空航天大学与法国雷诺汽车公司合作也不例外，它们不 仅拥有自己的专门技术人员，从事相应的数值模拟工作，这样还不能满足它们的 生产需要，主要合作项目有：轻型材料汽车钣金零件数值模拟分析成形技术等 【1 0 】。经过数代人的努力，我国在板料成形数值模拟技术上已取得了很大的进展， 缩短了与国外技术的距离。华中科技大学的肖景容作为国内板料成形有限元分析 的先驱之一，将i j ：l k o b a y a s h i 提出的刚塑性有限元法进行推广，建立了轴对称刚 性材料胀形成形时的数学模型，对刚塑性有限元中的约束进行了分析i l 。 z q s h e n g 等进行了闭环控制的自适应有限元模拟工作，在对任意时间步的成 形性预测的基础上，建立了以法兰的起皱( 侧壁起皱高度为初始板料厚度的2 0 ， 平面法兰起皱高度为初始板料厚度的5 ) 和最大变薄量( 初始板料厚度的2 5 ) 作为评判的依据，连续调整的在成形过程中压边力，得到理想的压边力曲线 0 2 1 1 9 9 5 年，吴勇国携手肖景容将连续介质力学与有限变形理论有机地结合起来， 给出了位移计算的显式积分表达式，避免了由非线性引起的计算收敛，并根据其 编制的程序成功地对盒形零件进行了全过程模拟。s z h a n g c 等人，研究了板成 形时的微观摩擦行为，也是用的数值模拟方法，研究得到在滑移过程中，接触表 面的粗糙度会下降【1 3 】。奠定了早期有限元法的理论基础i l 引。 c l o u g h 教授【1 5 】首次提出“有限元”这一名词，也就催生了整个学术界对其的 疯狂追崇。而在各领域广泛应用的有限元法则是由c o u r a n t 、a r g y r i s 、t u r n e r 、 c l o u g h 和z i e n k i e w i c z 的五组论文( 共7 篇) 逐步推导得出的。可以说z i e n k i e w i c z 是有限元法之父，因为1 9 6 5 年他出版了关于有限元法的第一本教科书t h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) ) ，并成为有限元理论和方法的经典教材。但此时的有限元只能 处理简单的弹性力学问题，无法应用到更为普遍的金属塑性变形分析中l l 引。 p v m a r c a l 教授【”1 和i e k i n g 1 8 】接手了这个难题，他们在1 9 6 7 年发表的论文 中首次提出了弹塑性有限元分析。于1 9 7 0 年，应用于大位移、大应变成形的弹 塑性有限元法由h i b b i t 、m a r c a l 和r i c e 三人强力推出，这是一个全l a g r a n g i a n 格式( t o t a ll a g r a n g i a nf o r m u l a t i o n ，t l 格式) 的有限元法l l 引。此后，m c m e e k i n g 和r i c e 对原有的l a g r a n g i a n 格式进行更新，推导出u p d a t e dl a g r a n g i a n f o r m u l a t i o n u l 格式的大变形弹塑性有限元、法【2 0 j 。1 9 9 2 年，1 3 n a y r o l e s 对有限 元方法中的近似计算进行了归纳，给出了发散式近似计算的概念并详细描述其具 体方法。它利用近似函数的规律性避免了有限元近似计算中的局限性，并与其计 算要求相吻合。可以对一组给定节点生成光顺性近似函数并得到其精确的导数。 与传统的有限元法相比，它更适合于计算未知函数的导数l z 。 2 武汉理j r 人学硕斗= 论文 我国模具工业的发展历经了半个多世纪，政府和科技界的主管部门已经认识 到计算机辅助工程技术的重要性，并鼓励国家的科学工作者，要努力研究，积极 进取，为增强我国企业的市场竞争能力，提高我国科技水平乃至整个国家的经济 建设做出贡献【2 2 】在国家的积极鼓励下，近年来，我国的c a e 技术推广应用和研 究开发已取得了相当不错的成绩：一些大学在8 0 年代开始这方面的研究，或与企 业联合，或自主开发，开展了一些工作【2 3 1 。近几年来随着我国模具技术的发展， 模具水平有了较大提高，大型、复杂、精密、长寿命模具上了新台阶，我国主要 汽车模具企业，己能生产部分轿车覆盖件模具，属于大型复杂冲模。比如吉林大 学的胡平教授【2 4 1 ，深入研究并开发了金属板料冲压成形模拟分析软件一k m a s | 2 5 j 。 李尧臣在9 0 年代中期具有突破意义的引入弹塑性薄壳单元，将薄膜力与板壳大变 形理论相结合，用有限元法模拟出金属板料冲压成形过程【2 6 1 。在当时不完善的 设备条件下，能做出如此成果实属不易。再如一汽集团公司组建了自己的板材成 形数值模拟攻关小组，经过他们不懈的努力，也取得了很可观的成果n 引。还有 刘罡等，研究了仿真成形结果是如何受板料网格单元的影响的，指出板料网格单 元不宜大于模具表面形状曲率较大处( 模具圆角等) 的网格最小尺寸，得到了一些 可靠模拟实验结果，给人们许多启示【27 1 。总的来说，我国的c a e 技术研究和应用 还不能说发展的水平很高，还需要科学工作者的不懈努力来进一步前进。 1 3 板料成形数值模拟技术的发展趋势 板料成形数值模拟技术的发展达二十年之久，但还是不够完善，还需要不断 的努力来达到更高的要求。第一次将有限元法应用到模拟冲压成形过程的人是 k o b a y a s h i 和m e h t a ，他们在1 9 7 3 年提出刚塑性有限元法后，成功将二者结合使 用f 2 8 】。 1 9 7 7 年时，t a n g ，s c 对金属板受冲击载荷响应进行后续研究【2 9 1 。研究时再 次利用薄壳单元进行板料建模，基于非线性壳体理论、塑性流动理论和有限元技 术，用增量形式建立了在每个结点的平衡条件。逐步计算的数值积分法用来解决 这些方程并把误差控制在每一个程序的负载水平之内。他编制出相应的计算机程 序，对汽车钣金结构简单二维车身部件的变形进行模拟【2 9 1 。 1 9 8 3 年，o n a t e e 与z i e n k i e w i c z o c 以大变形薄板冲压塑性有限元法为基 础，将其推广为针对处理薄壳的粘塑性流体有限元法1 3 0 1 。得到轴对称板材拉伸 及拉深成形的数模结果，并加以对比试验验证。同时也涉及到任意形状的板材冲 压成形。他们还勇敢的走出第一步，尝试着对简单的三维板料成形进行数值模拟。 t r i a n t a f y l l i d i s 、n m a k e r 、b s a m a n t a 和s h y a mk 将重点放在拉延筋对板料 成形的影响分析上【3 l 】。于1 9 8 6 年、1 9 8 7 年发表了其研究成果的一、二部分。在 武汉理一t ：人学硕士论文 一部分中，先对采用一维有限应变弹塑性壳模型在模拟中使用适当直拉延筋的发 展进行概述。模拟结果告知有限元技术可以有效的指导实际拉延筋的设计和布 局。其中摩擦系数、拉延筋的几何形状以及材料性能对拉延筋设计的影响都可在 文中的应变分布图及力位移曲线中归纳出。第二部分是对前者的试验补充一将汽 车部件上各种类型的拉延筋与一部分中的数模进行对比。采用s k d q 钢、铝合 金及铜合金，在干燥和润滑的条件下分别进行试验。在分析板材应变分布时，试 验和模拟进行互补；在对压边力的分析时，两者的结果完全一致。 日本的g o t o h 等人把轴对称板材液压胀形过程利用弹塑性有限元法模拟出 来。他所提出的近似塑性本构关系是一种项点硬化理论，同时对各向异性屈服准 则以及传统j 2 流体理论的使用作了精确表达【3 2 】。9 0 年代开始，在韩国掀起了用 有限元方法研究金属塑性成形问题的热潮。1 9 9 5 年，s o n g i s 发表了关于使用膜 壳单元对板料成形过程进行刚塑性有限元分析的论文。他指出，采用膜壳单元 可以有效分析平面应变、轴对称和三维问题。 k m l i e w 在2 0 0 4 年发表的论文中给出一种新型的算法，它可以处理单一 或多个目标体，对最佳工艺设计公式进行约束f ”】。他通过对一个简单回弹件的 模拟柬展现这种算法的使用用途，完成了处理回弹约束算法公式的推导。这种可 以在一次简单模拟运行过程中处理多个目标问题的算法，大大地节约运算时间， 对板料成形数值模拟的发展做出巨大贡献。j j a k u m e i t 认为对变压边力进行参数 化有利于掌控拉深模的模拟【3 4 】。除了早己成形的梯度算法以及响应曲面法之外， 新克罩格方法也被用来进行优化计算。两种分析方法和两次金属板材成形测试结 果表明，新克里格方法可以得到快速、稳定收敛的优化程序，而且模拟仿真也完 美地验证了这个方法。 在实际生产中，多数情况下零件都无法一次成形，必须采用多次成形才能加 工成功，于是伴随有板料成形方面许多问题要解决【3 5 1 。在现有的基础上，板料 成形数值模拟还有很大的发展，总结了以下几个1 3 6 】： 1 ) 与c a d c a e c a m 技术结合运用。在用数值模拟技术时结合c a d c a e c a m 技术，一起来完成工艺设计，零件设计，产品初始设计，最后完成制造加工一整 套数字化生产。 2 ) 时间积分方案优化组合。综合考虑几种时间积分方案，对比分析，各取 所长，扬长避短。对于汽车覆盖件板件毛坯的问题，应当深入研究，划分网格要 合理，程序要合理并贴合实际，从而实现模拟的最终目的：提高设计周期，节省 原材料、降低成本。 3 ) 综合专家系统技术和人工智能。数值模拟系统只是达到预报成形缺陷的 作用，并没有得出解决这些缺陷的办法。模拟系统综合专家系统、人工智能等， 4 武汉理上火学硕十论文 实现全方面优化( 包括变形方式、成形过程以及成形后性能) ，根据数值分析结 果，提出方案的优化方法，满足工厂企业不断增长的生产要求。 4 ) 结合自动控制，神经网络等。在许多现有的研究结果基础上，有限元模 拟技术还要与企业的i n t r a n e t 整合。在i n t r a n e t 网络环境中，企业在追求国际上 的更大发展，建立c a d c a e c a m 系统会实现的，在不久的将来。 1 4 课题来源及研究意义 近年来，出于环保，安全性，经济性的考虑，汽车的主身制造中大量采用轻 量化材料，因此，在汽车车身制造中高强度薄钢板与铝合金薄板得到大量的应用。 板料成形得到的产品，质量轻、造型美观、表面光滑；此工艺运用广泛，在模具， 汽车、航空、等行业有所运用；此工艺还具有许多优点，如节省材料、效率高和 降低成本等【37 1 。在冲压成形过程中金属薄板会产生的塑性变形是比较大的，模 具对金属板料进行冲压加工，获得的冲压件具有造型美观，质量轻、表面光滑的 特点。在冲压成形过程中，金属薄板常常会产生一些成形缺陷如起皱、破裂、回 弹等。此加工方法具有节省材料，效率高和低成本等许多优点，在模具，汽车、 航空、等行业中地位很重要。 在实际生产中发现，武汉某汽车公司生产的汽车尾灯外座板冲压成形工程中 经常会出现破裂缺陷。用的是镀锌薄钢板材料，这种材料是一种高强度的合金钢。 有时这种破裂缺陷可通过冲压操作人员的经验减少甚至完全消除，但他们所用的 经验方法不是绝对的，存在误差和偏差，不是能解决问题的根本方法，最后主要 还是反复试模的办法来得到较精确的模具尺寸，从而达到减少和消除破裂缺陷的 目的，这样会延长生产周期，最后生产成本自然就提高了许多。 本文采用工艺参数下贴合实际的模拟结果：利用正交试验的方法，分析主要 参数对成形有限元仿真模拟软件d y n a f o r m ，对尾灯外座板进行冲压成形的数值 模拟，是可行的也具有一定的实际意义。本文数值模拟的目的是应用有限元分析 的方法，建立了冲压成形过程的有限元模型；通过软件计算获取不同的工艺参数 对尾灯外座板冲压成形的影响，确定最优的工艺参数组合。从而在实际生产中， 通过改变各个工艺参数所对应的设置来降低和消除成形缺陷，为实际生产中工艺 制定提供了依据。 1 5 本文的主要研究内容 本文主要利用d y n a f o r m 软件对汽车尾灯外座板的冲压成形过程进行模拟， 分析了各成形工艺参数对尾灯外座板冲压成形的影响，并通过正交试验对影响尾 武汉理工大学硕士论文 灯外座板冲压成形的多个工艺参数进行优化设计，确定了尾灯外座板冲压成形过 程中最优的工艺参数组合和参数波动范围。因此，本文研究工艺参数对汽车尾灯 外座板成形的影响不仅对汽车冲压件的冲压成形具有理论和现实的指导意义，而 且对板料冲压成形行业中关于工艺的制定方面也起到一定的指导作用【3 8 】。 本文主要内容有以下几个方面 1 ) 板料冲压成形方面的基础理论。 2 ) 分析了四组参数一凹模圆角半径r 、摩擦系数、冲压速度y 和压边力 b h f ，取不同的值进行模拟，得到各参数对汽车尾灯外座板冲压成形的影响规 律。 3 ) 依据实际生产中的具体成形缺陷的产生情况，最终确定了试验指标为最 大减薄率，研究圆角半径r 、冲压速度y 、摩擦系数和压边力b 职这四个工 艺参数的正交试验，比较得出其中对最大减薄率影响最大的一个，同时确定了一 组最优的工艺参数组合，同时在这个基础上通过试验，得出了最优参数组合的波 动范围。可以用在实际生产中作为参考。 1 6 本章小结 本章详细介绍了板料冲压成形仿真技术国内外的研究现状及其发展，提出 了课题的来源及研究意义，最后给出了本文的主要研究内容。 6 武汉理一r 大学硕士论文 第2 章汽车冲压件成形及其数值模拟分析 汽车冲压件由于存在空间曲面结构复杂的特点，因此决定它的冲压成形过程 有很大的复杂性，不易掌握与分析冲压变形规律，而且引起的成形质量问题偏多。 在分析汽车冲压件成形过程时，首先就要研究冲压件的结构和变形特点，分析成 形质量中出现的问题，系统的研究各类设计参数与成形制件质量间的关系，并制 定合理的模拟方法，从而可以在很大程度上提高冲压件及其模具设计的效率和水 亚f 3 9 】 -0 2 1 汽车冲压件常用材料 汽车冲压件的材料不仅要做到与各种成形工艺相适应，并且要满足汽车产品 功能上的各种要求。依一般情况来说，成形工艺对汽车冲压件材料的基本要求归 纳有三个方面： 1 ) 表面质量高。汽车冲压件外观的情况将影响汽车产品外观的形象，因此， 最好的选择是要求使用高质量的材料，要求做到成形时不易破裂，零件表面质量 好，不易损伤模具。 2 ) 深冲性能好。汽车冲压件材料最显著的特点是良好的深冲性能。达到满足 上述汽车产品成形工艺与功能两项要求的材料有很多品种，目前，得到应用广泛 的汽车覆盖件材料主要包括镀锌钢，铝镇静钢板，高强度热轧钢板，超深冲i f 冷轧钢板汽车冲压件板等。 3 ) 厚度尺寸公差范围小。坯料厚度公差对模具寿命和冲压件的精度影响很 大。 2 2 汽车冲压件冲压成形特点 汽车冲压件的冲压成形的特点决定了其结构特点【4 1 ) 拉胀复合成形 位于板料压料位置的变形为拉深类的变形。而汽车冲压件在拉深成形过程 中，因冲压件结构形状的不同，冲压件板料不同区域的的变形也就不完全相同， 通常零件轮廓内部的板料变形为胀形变形。 2 ) 变形路径变化 在冲压成形过程中，汽车冲压件由于在坯料的贴模过程属循序渐进的过程， 随着冲压过程的进行而不断变化的这部分坯料在此过程中的应变，应力也是变化 7 武汉理厂人学硕卡论文 的，因此坯料的变形路径在冲压过程中是不断变化的。这种变形路径的变化，使 得坯料在成形过程中的变形更加复杂和多样。 3 ) 一次拉深成形 多次拉深的工艺参数与拉深系数非常难以计算，弯曲线，冲击线等问题在多 次拉深成形中容易形成，覆盖件表面的质量会被很严重的影响。覆盖件多采用一 次拉深成形是基于以上考虑的，这是由于汽车冲压件变形复杂和结构复杂所导致 的，但冲压难度与复杂性也就相应增加了很多。 4 ) 局部成形 汽车冲压件都存在一些局部形状如加强筋，凸缘，凹槽等，经过再冲压成形 这些局部形状通常到某一特定阶段时，板料才能够逐步与模具慢慢贴合，在成形 阶段最后时刻才完全完成成形过程。 2 3 影响材料成形性能的参数 由于材料的力学性能和冲压成形性能与其材料本身的制造质量密切相关，其 中对成形性能影响较大的因素主要有以下几个【4 2 1 。 1 应变硬化指数n 在塑性变形过程中，金属的变形抗力一般都会有随应变的增加而强化，通常 1 1 值越大代表应变硬化越明显，就更有利于增大在冲压过程变形区的范围，更能 延缓缩颈的到来，材料的成形性能也就越好。 2 屈服应力盯 试验表明，屈服应力仃。小，材料变形抗力小，容易屈服，破裂和起皱，不 易于成形，脱模后回弹量也小，定形性与贴模性均比较好。 3 延伸率盯。 试样出现缩颈之前的延伸率叫做均匀延伸率仃。：试样屈服阶段的延伸率叫 做屈服延伸率仃。，试样拉断之前的延伸率叫做总延伸率仃。延伸率越大，板料 允许的塑性变形程度也越大，抗破裂性会比较好。 一 4 屈强比。以 ，ub 屈服应力和抗拉强度的比值叫屈强比。屈强比小，说明盯。小而大，表示 材料由弹性极限( 屈服点) 到缩颈点之白j 的均匀塑性变形区域较大，材料产生塑性 变形被拉裂相比容易一些，对冲压成形是有利的：屈强比小时，回弹也会小，定 形性也会好。 5 坯料平面内各向异性系数， 由于板料具有在不同的方向上有不同的厚向异性系数的特点，所以在板平面 武汉理【：大学硕+ 论文 内就形成了面内的各向异性局势，板料平面内的各向异性系数，由下式确定 a ，= 1 2 ( r o o + r g o - 2 r 4 5 ) ( 2 一1 ) 式中t o o 轧制方向试件的厚向异性系数。 兀；* l n 方向成4 5 度试件的厚向异性系数。 r g o 与* l z ) j 方向成9 0 度试件的厚向异性系数。 6 厚向异性系数r 厚向异性系数反映了板料在厚度方向和板平面方向上，由于各向异性而引起 的应变能力不全一样的情况。在拉应力作用下，r 值越大，板料在受拉处就越不 易变薄，这样可减少被拉裂的可能性，在压缩应力作用下，r 值越大，表示板料 就易于在宽度方向变形，这样可减少起皱的可能性的效果。一般而言r 值和n 值都高的材料，冲压性能就越好。 2 4 汽车冲压件成形模拟 2 4 1 冲压模拟软件d y n a f o r m 介绍 d y n a f o r m 软件是由美国工程技术联合公司e t a 和l s t c 公司联合开发的一个 应用于板料成形模拟的专用软件包，d y n a f o r m 软件集成了l s d y n a 软件强大的 分析功能和e t a f e m b 软件流线型的前处理和后处理能力，将分析后的数据和互 动式的演示功能整合起来，可以方便地求解各类板料成形问题。同时，该软件也 最大程度地发挥了传统c a e 技术的作用，减少了产品开发的成本和周期，帮助并 促进了板料金属成形工业的模具设计及其发展。应用d y n a f o r m 软件可以方便地 求解板料成形工艺以及模具设计涉及的复杂问题，它是目前该领域中应用最为广 泛的c a e 软件之一。本文采用d y n a f o r m 软件进行数值模拟分卡斤【4 2 1 。 在板料成形过程中，d y n a f o r m 软件不仅能够模拟整个模具开发过程，而且 可以有效地模拟成形过程中压边、拉延、回弹和多步成形等四个主要的成形工艺 过程。另外，该软件具有良好的工具表面数据特征，能够较好地预测板料成形过 程中的破裂、起皱、减薄和回弹，评估板料成形的成形性能，为板料成形工艺和 模具设计提供帮助，可以显著减少模具设计时间和试模周期，从而提高产品品质。 2 4 2 板料成形数值模拟的一般过程 板料成形过程应用数值模拟技术进行有限元分析的一般过程如下1 4 3 】： 1 ) 读入成形零件几何模型和进行有限元网格划分 成形零件几何模型，由c a d 软件( 如u gp r o e ，c a t i a 等) 设计获得，在板料 9 武汉理工大学硕十论文 成形数值模拟软件直接导入几何模型( 如u g 的木p n 文件等) ，或采用图形数据交 换标准i g e s 文件导入几何模型。然后利用板料成形数值模拟软件的网格划分模 块对该零件进行有限元网格单元划分。若该零件几何模型中不包括工艺补充面部 分，应采用板料成形数值模拟软件，它会提供模面设计功能，生成所研究零件的 工艺补充面。 2 ) 定义成形工具 根据所使用的冲压设备和成形零件的结构尺寸和不同，覆盖件拉延模可分为 双动拉延模和单动拉延模。成形数值模拟时，应根据不同的模具结构。定义相应 的成形工具。 3 ) 定义毛坯 在毛坯生成前，首先应进行毛坯尺寸的计算，利用一步成形法进行坯料形状 和尺寸的生成是当前板料成形数值模拟软件提供的重要功能。利用坯料的轮廓生 成毛坯网格单元模型，同时定义设置接触类型，壳单元类型，板料的材料属性等。 4 ) 定义拉延筋 拉延筋的最主要的作用是为变形区提供附加阻力，使变形区板材的受力状态 合理得到改变，最终的目的是达到顺利成形。拉延筋阻力可以灵活，方便调节， 所以可以弥补调节压边力的不足。在成形数值模拟中，拉延筋可以用两种方法实 现，一种是建立等效拉延筋模型，即用等效的约束力边界条件来代替实际拉延筋 的影响，这种方法计算效率高，调整方便，所以得到广泛的应用，但计算精度受 到等效阻力模型的影响。另一种是建立真实的拉延筋几何模型，这种方法计算精 度较高，但需要对板料进行网格细化，大大增加计算时间。 5 ) 设置成形参数 成形参数包括模具的运动控制，载荷和边界条件的设置等。 6 ) 求解器求解 在设置求解器参数，如自输出控制参数，适应网格划分等后，就等到了求解 器的输入文件，然后在求解器进行计算。 7 ) 后置处理 求解完成后，利用后置处理模块对结果进行分析，包括： ( 1 ) 应力应变和厚度的等值线图。通过等值线图可以直接观察出厚度和应力 应变的分布情况。 ( 2 ) 成形极限图的显示。可以方便，直观地判断板料的成形性。 ( 3 ) 变形过程的动画演示 ( 4 ) 应力应变和厚度的云图。云图可对不同等值线区域用不同颜色进行填充， 这样可以更加形象地反映出应力应变和厚度的分布情况。 1 0 武汉理jr = 入学硕十论文 ( 5 ) 截面应力、应变等物理量变化显示。 ( 6 ) 根据分析计算结果，可以对模具和板料成形过程的成形参数提出修改意 见，指导实际的模具设计。 2 5 弹塑性有限元法简介 弹塑性有限元法在金属塑性加工领域的出现始于2 0 世纪7 0 年代。它能够模 拟整个金属成形过程的流动规律，获得变形过程中任意时刻的力学和流动信息。 刚塑性有限元法是有限元方法中的一种，对应的是刚塑性有限元模型，不计 弹性变形，采用列维一米席斯( l e v y m i s e s s ) 方程和m i s e s s 屈服准则，它适 用于冷、温态体积成形问题。刚黏塑性材料模型对应为刚黏塑性有限元法，它适 用于热态体积成形问题，并且可以进行变形与传热的热力耦分析【4 4 1 。 本文是针对板材冲压成形板材冲压成形过程是一个大变形非线性力学过程， 板材冲压成形的数值分析以增量法为主所以本文选用弹塑性有限元法。 2 6 本章小结 本章主要介绍了汽车冲压件和数值分析的一些相关知识，主要包括： 1 介绍了汽车冲压件的结构特点和成形特点，常用冲压材料及材料性能对成 形的影响。 2 比较了动力显式和静力隐式的效率，并重点介绍了本文中所采用的 d y n a f o r m 软件。归纳了应用数值模拟技术对板料成形进行有限元分析的一般步 骤。 3 总结了一些冲压件冲压成形数值模拟中的一些关键技术。 武汉理i ：大学硕十论文 第3 章汽车尾灯外座板成形的有限元数值模拟 3 1 汽车尾灯外座板的有限元数值模拟基本流程 本文利用d y n f o r m 软件对汽车尾灯外座板的冲压成形过程进行有限元数值 模拟，有限元模拟的基本流程。 1 利用c a d 软件u g 为凹模、凸模和毛坯建立模型 2 通过i m p o r t 工具将i g e s 格式的c a d 模型导入d y n a f o r m 软件中并为凹模和毛 坯划分网格 3 利用c h e c k 功能检查网格，利用e l e m e n t 工具对有缺陷的单元网格进行手动修 改 4 运用c o p ye l e m e n t 功能通过o f f s e t 产生凸模。通过m o v e 产生压边圈 5 定义成形工具和毛坯，设置成形参数 6 运用a u t o p o s i t i o n 功能自动对正板料和模具，动画预演其运动设置 7 在分析选项中设置求解器l s d y n a 的运行参数运行l s d y n a 进行冲压模拟 3 2 尾灯外座板工艺初步分析 尾灯外座板是是汽车关键零件之一，指轿车尾部安装灯座的座板，其形状较 复杂，多处凹、凸台和孔洞及翻边局部弯曲较大。在冲压过程中经常发生局部破 裂、起皱，导致零件报废。尾灯外座板的成形过程是先整体冲压成形，再进行切 边、校正、翻边、冲孔等工序。根据冲压现场检验情况，尾灯外座板上述质量问 题主要出现在冲压拉延工序，或因拉延过程中零件变形不均匀、局部减薄量过大 而导致后续工序出现缺陷。其中，拉深过程中最易出现破裂或变形不均匀的区域 主要出现在a 区域，及侧壁向外凸的圆角区域。也就是见图3 一l 。因此，为了分 析尾灯外座板在这罩我们只对冲压拉延进行仿真分析。 1 2 武汉理 大学硕士论文 3 2 1 工艺补充 图3 - 2 尾灯外座板基本尺寸图 5 工艺补充是指为了顺利拉深成形出合格的制件、在冲压件的基础上添加的那 武汉理 犬学硕士论立 部分材料。绝大多数汽车覆盖件都要添加工艺补充部分之后才能进行冲压成形。 工艺补充部分制定的合理与否，直接影响到拉深成形时工艺参数、毛坯的变形条 件、变形量太小、变形分布、表面质量、破裂、起皱等质量问题的产生等。 尾灯外座板的形状虽然不复杂，但局部拉深深度大，有凸台和孔洞，拉深工 序后还有翻边。因此，采用双件对称成型、对其进行内部孔洞补充的方法最终 实现工艺补充面的确定。如下图所示。 3 2 2 压料面的确定 圈3 - 3 取件对称及对称补充 压料面是指凹模圆角以外且在拉延开始时，凹模与压边圈压住毛坯的部分， 它是工艺补充的一个重要组成部分，对汽车覆盖件的成形起着重要的作用。 设计压料面应遵循的基本原则有：a ) 压料面形状尽量简单化：b ) 压料面任一 断面的曲线长度要小于拉深件内部相应断面的曲线长度：c ) 压料面应使成形深度 小且各部分深度接近一致；d ) 压料面应使毛坯在拉深成形和修边工序中都有可靠 的定位；e ) 不在某一方向上产生很大的侧向力。 如图3 - 4 所示完成工艺补充和压料面的模型 武汉理工大学碗士论文 323 等效拉延筋的设置 图3 - 4 压科面主视图 在冲压成形过程中，毛坯的成形需要一定大小且沿固定周边适当分布的拉 力。这种拉力来自冲压设备的作用力、法兰部分毛坯的变形阻力和压料面上的流 动阻力。而压料面上的流动阻力只靠压边力作用下，模具和材料的摩擦力往往是 不够的，需要在压料面上设置能够产生很大阻力的拉延筋以满足毛坯塑性变形和 塑性流动的要求。利用拉延筋可以在较大范围里控制变形区毛坯的变形大小和变 形分布，从而抑制破裂、起皱、面畸变等多重冲压质量问题的产生。实际生产中， 为了满足不同的需要，设计了各种各样的拉延筋。拉延筋分为拉延槛、圆形拉延 筋、半圆形拉延筋和方形拉延筋等多种形式l ”】。 由于拉延筋对板料成形的重要性，所以在板料成形过程c a e 分析软件中，在 扳料冲压成形分析模型中很多设置拉延筋。在冲压成形c a e 分析中，采用等效拉 延筋代替真实拉延筋既