（材料加工工程专业论文）车身覆盖件冲压成形仿真及工艺优化.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在车身覆盖件设计过程中，由于技术能力、开发周期和开发成本等诸多因素的限 制，技术人员不可能仅依靠大量的传统试错分析对覆盖件的成形方案进行改进。因此 有限元数值模拟技术逐渐成为提高车身开发水平不可缺少的重要工具。 现有的覆盖件成形研究主要以验证是否能避免出现明显的产品缺陷为主，对于如 何在设计阶段合理确定车身覆盖件各个参数等问题缺乏全面、系统的研究。因此研究 拉深成形的变压边力技术，并且运用正交试验的方法，寻求适用于车身覆盖件成形过 程的最优化参数组合，具有重要的工程意义和研究价谊。 本文较系统的阐述和讨论了冲压成形仿真非线性有限元理论，包括材料模型、单 元算法、接触及摩擦问题的处理等。讨论了冲压仿真有限元建模方法，并对仿真过程 中关键问题做了较深入的研究，在此基础上对大型车身覆盖件的冲压过程进行了仿 真。主要内容如下： 1 系统阐述了车身覆盖件冲压成形仿真非线性有限元理论，讨论了仿真中冲压 的三种材料模型，并在参考有关文献的基础上给出了h i l l 和b a r l a t 模型的增量型弹塑 性本构关系的显式表达及求解：阐述了适合于冲压仿真的b t 壳单元理论和接触及摩 擦问题的处理等。 2 研究了车身覆盖件冲压成形仿真建模的关键问题，包括模具型面的设计、拉 延筋的处理、压边圈的处理和压边力的计算等。 3 详细介绍了利用d y n a f o r m 软件对江都汽车覆盖件厂生产的保险杠有限元 建模过程。 4 基于前面建立的保险杠有限元模型，运用正交实验的方法，对拉延筋深度、 压边力大小、虚拟凸模冲压速度、凸凹模间隙四个参数进行了优化组合，同时具体分 析了虚拟凸模速度和压边力对保险杠成形质量的影响。最后选取优化后的工艺参数进 行了仿真，i _ j 实际生产的零件进行了对比分析，并提出了改进措施。 关键词：车身覆盖件，冲压仿真，拉延筋，压边力，正交实验 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ol i m i t a t i o n so ft h et e c h n i q u e ，t h el e a dt i m ea n dt h ed e v e l o p m e n tc o s ti nt h e d e s i g np h a s e ，a na c c e p t a b l ef o r m i n gs o l u t i o ni sn o te a s yt oo b t a i nw i t hal a r g en u m b e ro f t r i a l a n d e r l o rr u n s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , aq u i c k l yd e v e l o p i n ge n g i n e e r i n g a n a l y s i sm e t h o d ，h a sl a i daf o u n d a t i o nf o rt h ea u t o m o t i v eo ft h ef o r m i n gp r o c e s sd e s i g n i t h a sb e e na ni n d i s p e n s a b l et o o lt os p e e du pt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v e m o s to ft h ee x i s t i n gr e s e a r c ho na u t o m o t i v ep a n e lf o r m i n gi sf o c u s e do nv e r i f y i n g w h e t h e rp r o d u c td e f e c t sa p p e a lh o w e v e r ，c o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i cw o r kh a sr a r e l y b e e nd o n eo nh o wt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ef i g u r e so fa u t o m o t i v ep a n e li nt h ed e s i g n p h a s e o p t i m i z a t i o no ff u n n i n gp r o c e s si s av e r yd i f f i c u l t yp r o b l e md u et od e s i g n n o n l i n e a r i t ya n dh u g ec o m p u t a t i o n a lc o s to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h e r e f o r e ，t h e r ei s n o t a b l ee n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c ea n da c a d e m i cv a l u et os e e kf o ran u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do p t i m i z a t i o nm e t h o df o ra u t o m o t i v ep a n e lf o r m i n gp r o c e s s i nt h i s p a p e r , t h en o n l i n e a re x p l i c i t f i n i t ee l e m e n tt h e o r yi ss t u d i e ds y s t e m a t i e l y , w h i c hi n c l u d em a t e r i a lm o d e l s ，e l e m e n ta l g o r i t h ma n dc o n t a c th a n d l i n gm e t h o d se t c t h e f em o d e l i n gm e t h o d so fs t a m p i n gs i m u l a t i o na r ei n v e s t i g a t e da n dac o m p a r a t i v e l yd e e p s t u d yo nt h ek e yp o i n t so fp r o c e s s a n do nt h eb a s i so ft h e m ，t h ef o r m i n gs i m u l a t i o no f l a r g ea u t o m o t i v ep a n e l si sm a d ea n dr e s u l t sa n a l y z e d 1 t h en o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n tt h e o r yf o ra u t o m o t i v ep a n e lf o r m i n gs i m u l a t i o ni s s y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e da n dd i s c u s s e d t h r e eu s u a l l yu s e dm a t e r i a lm o d e l sf o rs t a m p i n g s i m u l a t i o na r ed i s c u s s e da n ds t u d i e d ，a n db a s e do nt h er e f e r e n c eo fo t h e rr e s e a r c hp a p e r s ， t h ee x p l i c i td e s c r i p t i o no fe l a s t i c p l a s t i cm a t e r i a l sf o rh i l l sa n db a r l a t 。sy i e l dm o d e l sa r e e s t a b l i s h e d b ts h e l le l e m e n tt h e o r ya n dc o n t a c th a n d l i n ga l g o r i t h ma r ea l s oe x p o u n d e di n t h i sp a p e r 2 t h ek e yp a r a m e t e r si nt h es i m u l a t i o no fs t a m pm e t a lf o r m i n ga r es t u d i e d ，w h i c h i n c l u d ed i e f a c e ，d r a w b e a da n db l a n k h o l d e rf o r c e 、 3 ，i n t r o d u c et h ed e t a i l e d p r o c e s s e s o fm o l d i n gt 。a p a r t o f b u m p e r b a s eo n d y n a f ? 0 r m 4 ap a r to fb u m p e ro na u t o m o t i v ef o r m i n gs i m u l a t i o ni sc a r r i e do t l ti nt h ew a yo f 江苏大学硕士学位论文 o r t h o g o n a la n dt h er e s u l t sa r ed i s c u s s e d ，m o r e o v e r , i m p r o v e dm e a s u r ei sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：a u t o m o t i v ep a n e l ，s t a m p i n gs i m u l a t i o n ，d i e - f a c e ，d r a w b e a d ， b l a n kh o l d e rf o r c e ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 1 t i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 江蒸太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权堑蒸态堂可以将学位论文 的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 本学位论文属于 保密口在年解密后适用本授权书 不保密囱 学位沦文作者签名：漫翻c i 霄 签字日期：扣刁年尹月六维 导师签名：2 镯寸p 签宁i _ i 期：堋年l f 月力怕 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中已注明引用的内容 以外，论文中不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得江蒸盘堂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谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文作者签名：娩翻庙评 签名f i ：1 期：一f 芗月垆l 二| 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的意义 汽车工业的发展水平，一定程度上代表了一个国家的工业发展水平。改革开放以 来，我国轿车工业有了很大发展，但尚未形成完整而独立的自主开发能力，总体上仍 处于引进、改进、就地批量生产的发展阶段，与国外存在很大的差距。据估算2 0 0 0 年2 0 0 5 年，我国平均每年需求汽车模具约1 5 个当量车型，一个车型平均需大中型 覆盖件模具约2 6 0 副，每副大中型覆盖件模具平均按2 4 0 0 工时计算，每年就需9 3 6 万工时。而目前我国大、中型汽车模具生产能力只有5 0 0 万工时年，尚缺4 3 6 万 工时年，满足率只有5 3 4 ，因此，发展大中型汽车覆盖件模具生产能力和开发技 术是我国发展汽车工业的当务之急。目前汽车工业已经成为我国的支柱产业，为了早 日形成我国轿车工业的自主开发能力，首先要形成自主开发、设计、加工大型复杂车 身覆盖件模具的能力。 汽车覆盖件在整车开发中具有重要的地位，其开发从汽车造型开始，零件设计、 工艺设计、模具制造、试模，到能成功生产出产品为止，是一项复杂的工程。一个新 车型的投产，用于车身的投资约占全部投资的4 0 6 0 。目前我国已经具有了载 货汽车的开发能力，但在轿车方面仍处于起步阶段，与发达国家相比有很大差距。我 国汽车工业发展的一个主要问题是车身冲模设计制造技术水平低、冲模质量差、生产 能力极端不足，以致耗费大量外汇引进成套的车身冲模。仅8 0 年代我国引进车身冲 模就花费了1 3 亿美元，而且还有很多车型模具有待引进。目前，国内制造大型冲模 大都采用传统工艺，用这种加工方法难以预先估计冲压成形过程中的板料成形性，也 就难以评价模具设计的可行性和正确性。问题只能在模具加工后才能暴露出来，给模 具调试带来极大的困难，甚至造成整个设计的报废。 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。在冲压时毛坯的变形情况复杂，故不能按一般拉深件那样用拉深系数来 判断和计算它的拉深次数和拉深可能性，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。汽车覆盖件成形过程中板料上的应力应变分 布情况非常复杂，成形质垦影响因素较多。从变形方式看，板料的成形是托延、翻边、 江苏大学硕士学位论文 胀形、弯曲等多种变形方式的组合过程。对一个给定的零件来说，一套合理的模具和 工艺方案的确定，不仅要靠实践经验和理论计算，还往往离不开反复地试模和修模。 因此汽车覆盖件模具设计的主要任务就是要解决好冲压过程中板料不同部位之间材 料的协调变形问题，既要避免局部区域过分变薄甚至拉裂，又要避免起皱或在零件上 留下滑移线，还要将零件的回弹量控制在允许的范围内1 1 】1 2 】1 3 】。 目前，板料冲压过程的计算机分析与仿真技术( 非线性有限元分析技术) 已能在 工程实际中帮助解决传统方法难以解决的模具设计和冲压工艺设计难题，如计算金属 的流动、应力应变、板厚、模具受力、残余应力等，预测可能的缺陷及失效形式，如 起皱、破裂、回弹等。在汽车覆盖件的设计中采用数值模拟技术能从设计阶段准确预 测各种工艺参数对成形过程的影响，进而优化工艺参数和模具结构，缩短模具的设计 制造周期，降低产品生产成本，提高模具和冲压件产品品质。 k 我国业已加入世界贸易组织( w t o ) ，汽车工业面l 临着巨大的机遇和挑战，为了 提高我国企业汽车产品的开发制造能力，保护民族工业，提高汽车产品质量将低产品 成本，提高国际竞争力以迎接挑战，进行车身覆盖件冲压成形的数值模拟研究具有重 大的学术价值和经济意义。 1 2 汽车覆盖件数值模拟技术的研究现状及其发展【1 嗣 从6 0 年代末以来，国际上已兴起薄板成形数值仿真的研究热潮，但早期的研究 都集中在二维和轴对称情况下的分析，如半球冲头或平底圆形冲头拉深；分析方法都 是基于薄膜理论( m e m b r a n et h e o r y ) 或轴对称理论的二维分析方法，还不能完成像覆 盖件这样复杂零件的成形分析。8 0 年代初，美国通用公司的n m w a n g 和福特公司 的s c t a n g 等人经过长期探索，成功地对轿车的行李箱盖( t r u n k d e c k 1 i d ) 和前翼子 板( f r o n tf e n d e r ) 的冲压成形过程进行了仿真，在薄板成形数值仿真的研究基础上， 开创了车身覆盖件冲压成形仿真分析的应用研究领域。 8 0 年代后期，随着计算机科技的迅速发展和有限元方法的成熟，在世界汽车工 业应用需求的推动下，薄板成形过程的计算机仿真迎来了蓬勃发展时期，时至今只仍 方兴未艾。有三个重要标志反映了这时期的进展：第一，建立了能够分析像车身覆盖 件这样复杂零件成形过程的三维非线性壳理论( 弯曲理论) 和考虑几何非线性的接触 和摩擦问题处理算法：第二，为了有力推动薄皈成形的仿真研究，考察薄板成形数值 江苏大学硕士学位论文 分析算法的可靠性，国际上的权威研究组织先后共同设计了六组标准考题( b e n c h m a r k ) ，即o s u ( o h i os t a t eu n i v e r s i t y ) 标准考题( 1 9 8 8 年) ，v d i ( 德国汽车学会) 标准考题，板料成形数值仿真国际会议标准考题和n u m i s h e e t 9 6 ，n u m i s h e e t t 9 9 n u m i s h e e t 2 0 0 2 标准考题，这些考题以不同角度考核有限元分析软件预测破裂、起皱、 波纹和回弹的能力，其中n u m i s h e e t 2 0 0 2 一个考题b e n c hm a r k 是考核有限元软件对 冲压过程各道工序( 拉深、修边、整形、回弹) 进行多步分析的能力；第三：涌现了多 种格式的有限元软件，有些软件已在汽车工业得到广泛应用，参加n u m i s h c e t 9 3 薄 板成型数值仿真国际会议标准考题考核的这类软件有2 3 个，其中参加轿车前翼予板 成形分析考核的有9 家软件，表明这些软件能够处理覆盖件成形中高度的几何非线 性、材料非线性和复杂的接触与摩擦问题，能够对覆盖件成形中的起皱和破裂 ( w r i n k l i n g & s p l i t t i n g ) 进行预测【7 】【8 1 【9 1 。 十几年来，车身覆盖件冲压成形仿真分析有了很大发展，国际上众多的汽车生产 企业都建有覆盖件成形仿真分析系统。覆盖件冲压成形仿真分析在多方面对这些企业 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( a s s e s sf e a s i b i l i t y ) ；在试冲试模阶段进行故障分析，解决问题( t r o u b l e s h o o t i n g ) ；在批量生产阶段用于缺陷分析，改善覆盖件生产质量( i m p r o v eq u a l i t y ) ， 同时用来调整材料等级，降低成本。 国内在车身覆盖件冲压成型数值仿真方面起步较晚，但正迎头赶上。就目前来看， 对于汽车模具的g 删c a m 这一问题，虽通过引进已基本掌握其中曲面造型与数控 加工技术，但是模具设计却步履维艰，远远不能适应生产发展的需要。在世界工业发 达国家各大汽车公司以至中小企业已较普遍采用板料成形模拟技术的形势下，我国几 乎仍采用凭经验与试错方法设计制造模具。近几年国内一些高校相继开展关于成形模 拟技术的研究。据不完全统计，有北航熊火轮( 1 9 9 0 ) 、华中理工大董湘怀( 1 9 9 1 ) 与吴勇国( 1 9 9 5 ) 、哈工大郭刚( 1 9 9 4 ) 、吉林工大柳玉起( 1 9 9 5 ) 与柳泽( 1 9 9 7 ) 、 湖南大学徐康聪( 1 9 9 5 ) 、北京理工大马幼鸣( 1 9 9 7 ) 等攻读该课题的博士论文，推 进了国内在该领域的研究进展。但由于板料冲压成形模拟需要用到大塑性变形的弹塑 性有限元，课题综合难度很大，大多仍处于起步阶段。研究进展与所在课题组咯持不 懈攻关和获得经费支持及合作不无关系。吉林工大胡平教授的课题组取得吉林省和国 家自然科学基会的支持，取得较大进展。北航簏法中教授与一汽冲压号家黄迪民副总 江苏大学硕士学位论文 师的课题组合作承担了国家8 6 3 课题，取得国家8 6 3 和一汽的大力支持，在短短两年 内，也取得较大进展。又柳泽博士在攻读博士论文期l 日j ，取得一汽的支持，一头扎到 一汽，利用一汽的硬软件条件，取得实际研究进展。与此同时，国外的成形模拟商品 软件o m u s 、p a m s t a m p 等已开始进入我国市场。但由于这类软件远比c a d c a m 软件难以掌握，而在国内代理商又缺乏培训条件与售后服务，致使个别厂家购买了也 用不了，只好闲置起来。只有技术实力雄厚的一汽与北航等高校合作，成功地开始了 成形模拟技术的试验性应用与实际试用。上海大众汽车公司引进德国的a u t o f o r m 与i n d e e d 软件，也开始起步。不仅在汽车行业，而且在飞机、摩托车、机车车辆 等其它行业的一些厂所与高校也相继已经或正在考虑引进国外板料成形模拟软件。 汽车覆盖件成形模拟是板料成形分析应用于实际的一个关键方向。早在1 9 8 0 年， t a n g c z 就用小变形有限元程序分析了当在汽车车身零件成形中采用曲面压料面时， 压边圈夹紧阶段工件的变形。以后的时间里，t a n g 改进了此分析并在汽车车身零件 成形模拟方面做了长期的系统的工作。美国通用汽车公司曾尝试着开发了弹塑性薄膜 壳有限元汽车车身零件拉胀成形模拟系统。1 9 9 1 年，大量的关于模拟汽车覆盖件成 形的文献涌现出来，表明这一时期这方面工作开展之广泛1 1 0 】【1 1 l 。 由于车身覆盖件本身几何形状的复杂性，影响覆盖件冲压成形过程的因素极其复 杂，所涉及的学科领域极广，在覆盖件冲压成形数值仿真的研究中存在许多问题，主 要包括： ( 1 ) 仿真建模的准确性、合理性； ( 2 ) 材料屈服模型的选择； ( 3 ) 计算效率和计算精度问题； ( 4 ) 回弹问题； ( 5 ) 覆盖件冲压成形仿真分析结果的合理性确认； ( 6 ) 覆盖件冲压成形分析试验方法学的研究等。 1 3 车身覆盖件的特点和要求 汽车覆盖件( a u t o m o t i v ep a n e l s ) 是指构成汽车车身或驾驶窀、汽车发动机和底 盘的薄金属板料制成的异形体的表面零件( 外覆盖件) 和内部零件( 内覆盖件) 。轿 车的车前板和乍身、载霞乍的车前扳和驾驶窀等都是由覆盖件和一1 般冲爪件构成的。 4 江苏大学硕士学位论文 覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状，它既是外观装饰性的零 件，又是封闭薄壳状的受力零件。覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。 按功能和部位分类，可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三类。外部 覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求，内部覆盖件的形状往往更复杂。 按工艺特征分类如下： ( 1 ) 对称于一个平面的覆盖件。诸如发动机罩、前围板、后围板、散热器罩和 水箱罩等。这类覆盖件又可分为深度浅呈凹形弯曲形状的、深度均匀形状比较复杂的、 深度相差大形状复杂的和深度深的几种。 ( 2 ) 不对称的覆盖件。诸如车门的内，外板，翼子板，侧围板等。这类覆盖件 又可分为深度浅度比较平坦的、深度均匀形状较复杂的和深度深的几种。 ( 3 ) 可以成双冲压的覆盖件。所谓成双冲压既指左右件组成一个便于成形的封 闭件，也指切开后变成两件的半封闭形的覆盖件。 ( 4 ) 具有凸缘平面的覆盖件。如车门内板，其凸缘面可直接选作压料面。 ( 5 ) 压弯成形的覆盖件。 以上各类覆盖件的工艺方案各有不同，模具设计结构亦有很大差别。同一般冲 压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点。覆 盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺都具有特殊性。因此，在实践中常把 覆盖件从一般冲压件中分离出来，作为一个特殊的类别加以研究和分析。覆盖件的特 点决定了它的特殊要求： ( 1 ) 表面质量 覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美 观，因此覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美 感的缺陷。覆盖件上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡均匀，覆盖 件之间的棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。 总之，覆盖件不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。 ( 2 ) 尺寸形状 覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确地表达出 来，因此，覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述。主模型是覆盖件的主要制造依 据，覆盖件图上= 标注出来的尺j r 形状，其中包括、上体曲面形状、各种孔的位胃尺寸、 5 江苏大学硕士学位论丈 形状过渡尺寸等，都应和一e 模型一致，图面上无法标注的尺寸要依赖主模型量取，从 这个意义上看，主模型是覆盖件图必要的补充。 ( 3 ) 刚性 覆盖件拉延成形时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。 刚性差的覆盖件受到振动后会产生空洞声，用这样零件装车，汽车在高速行驶时就会 发生振动，造成覆盖件早期破坏，因此，覆盖件的刚性要求不可忽视。检查覆盖件刚 性的方法，一是敲打零件以分辨其不同部位声音的异同，另一是用手按看其是否发生 松驰和鼓动现象。 ( 4 ) 工艺性 覆盖件的结构形状和尺寸决定该件的工艺性。覆盖件的工艺性关键是拉延工艺 性。覆盖件一般都采用一次成形法，为了创造一个良好的拉延条件，通常将翻边展开， 窗口补满，再加添上工艺补充部分，构成一个拉延件。 工艺补充是拉延件不可缺少的组成部分，它既是实现拉延的条件，又是增加变形 程度获得刚性零件的必要补充。工艺补充的多少取决于覆盖件的形状和尺寸，也和材 料的的性能有关，形状复杂的深拉延件，要使用0 8 z f 钢板。工艺补充的多余料需要 在以后工序中去除。 拉延工序以后的工艺性，仅仅是确定工序次数和安排工序顺序的问题。工艺性好 可以减少工序次数，进行必要的工序合并。审查后续工序的工艺性要注意定位基准的 一致性或定位基准的转换，前道工序为后续工序创造必要的条件，后道工序要注意和 前道工序衔接好。 1 4 本文研究的主要内容 车身覆盖件冲压成形数值模拟技术近年来得到迅速发展，并日益显现出其对工业 界巨大的经济效益。现在，仿真软件已经能较准确的模拟一个冲压件的冲压成形过程， 并预测在加工过程中可能出现的质量问题。同时有许多问题有待研究和解决。 本文系统地阐述了冲压成形动态显式非线性分析的有限元理论，讨论了冲压仿真 有限元建模方法，对仿真过程中变压边力对成形性能的影响进行了分析，并在与分析 数据对比的基础上给出了合理选择参数的依据。最后对某型轿车保险杠进行了拉延仿 真，运用i f 交试验法确定了合理的丁艺参数，并对结果进行了分析。 6 江苏大学硕士学位论文 文章的基本结构如下： 第二章：简要介绍了车身覆盖件冲压成形仿真的有限元理论。包括：几何非线性、 材料非线性、材料摸型、壳单元理论，有限元控制方程、接触算法及有限元控制方程 的求解等。 第三章：车身覆盖件冲压仿真的有限元建模的关键问题分析。主要介绍覆盖件及 其模具的几何模型的建立，几何模型的有限元网格离散化，模具型面的设计，拉延筋 的处理以及压边圈的处理等。 第四章：针对江都汽车覆盖件厂生产的某型汽车保险杠，利用d y n a f o r m 软 件，具体介绍了保险杠成形过程的有限元建模。 第五章：在第四章建模的基础上，运用正交实验的方法，对拉延筋深度、压边力 大小、虚拟凸模冲压速度、凸凹模间隙四个参数进行了优化组合，同时具体分析了虚 拟凸模速度和压边力对保险杠成形质量的影响。最后选取优化后的工艺参数进行了仿 真，与实际生产的零件进行了对比分析，并提出了改进措施。 第六章：全文总结及今后工作设想。 1 5 本章小结 这一章主要概括性的介绍了车身覆盖件的研究意义、研究发展现状和研究的范 围。在研究范围基础上，参考大量的相关文献，对板料拉深技术这一领域的应用与发 展作了一个宏观介绍，接着介绍了车身覆盖件的特点和要求。最后分别对各个章节做 了概括性的介绍。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章车身覆盖件冲压成形非线性有限元仿真理论 2 1 概述 冲压成形是一个多重非线性问题，不仅是几何非线性，而且是材料( 物理) 非线 性，需要同时对几何非线性，材料非线性和接触非线性进行分析。建立材料本构方程 对应力应变进行描述，由此以正确模拟和分析在不同边界条件作用下的板料成形过 程，并对几何参数和加工工艺参数等进行合理有效地修正和调整，最终得出合理的计 算结果。 车身覆盖件成形问题是大位移、大转动、大应变的问题，特点是应变很大，材料 已发生塑性变形，即不仅几何关系和平衡方程是非线性的，而且应力应变关系( 物理 方程) 也是非线性的。 所谓的材料非线性，就是物理非线性。材料非线性问题可以分为两类：一类是不 依赖于时间的弹塑性问题，其特点是载荷作用后，材料立即发生变形，并不再随时间 变化，如金属的塑性变形；另一类是依赖于时间的弹塑性问题，其特点是载荷作用后， 材料不仅立即发生变形，而且变形随时间继续变化，如蠕动和松弛。 非线性问题的求解方法通常有增量法、迭代法和混合法。在金属薄板料成形的几 何非线性成形分析过程中，为了保证计算分析精度和求解稳定性，通常需要采用增量 分析的方法。增量法实质是用一系列线性问题去近似非线性问题，即用分段线性的折 线代替非线性曲线。当材料应力超过屈服极限时，将呈现弹塑性的性质，这种弹塑性 行为与加载、应变率等变形历史有关。尽管可以采用全量理论和增量理论对材料的塑 性变形过程进行分析，但采用增量理论能够反映结构加载过程，也可以考虑卸载情况， 所以在板料成形有限元分析中，涉及材料非线性问题时，通常采用增量法求解。 有限元的基本思路就是将连续的空间求解区域离散成一组单元，然后将这些单元 按一定方式组合在一起，从而近似模拟整个求解域的变化情况。 对于金属板料的变形力学问题，其变形过程是一个空间域与时| h j 域函数。为了便 于对板料变形过程进行分析，需要对变形时间和空间进行离散化处理。 江苏大学硕士学位论文 2 2 非线性材料的弹塑性本构关系 2 2 1 材料屈服模型1 1 1 1 1 二1 5 1 在冲压成形中，材料在复杂外力作用下发生屈服，从而发生塑性变形。材料在 什么条件下屈服以及屈服时的应力状态，涉及到材料的屈服模型；材料屈服后所能发 生塑性变形的程度则与材料的塑性流动理论和塑性硬化模型有关。 常用的屈服准则有t r e s c a 屈服准则和y o nm i s e s 屈服准则。t r e s c a 屈服准则认 为，当材料的最大剪应力达到临晃值时，材料发生屈服；使用最多的是y o nm i s e s 屈 服准则，早期的研究者大多把板料处理为各项同性，v o nm i s e s 屈服准则认为当材料 中的最大剪应力的均方根即应力偏量的第二不变量o2 达到临界值时，材料发生屈服。 更多的理论和实验研究表明，板料的塑性特性是各项异性的。h i l l 首先提出了一 个二次屈服函数来描述正交各向异性材料的塑性行为。h i l l 假设，在材料每一质点上， 存在互相垂直的三个各向异性平面，其交线构成三个各向异性主轴1 ，2 ，3 ，相应的 屈服函数为 二 f ( a 笠一盯站) 2 一g ( a 封一0 1 1 ) 2 + h ( a i l 一口置) 2 + 2 c ，三+ 2 m a 2 3 1 + 2 ( ，三一1 _ 0 ( 2 1 ) 式中只g 、日、厶m 、一取决于材料在三个方向的拉伸屈服应力和剪切屈服 应力的常数。 平面应力状态下，此屈服准则可表示为： 2 坞2 一南o x o y + 2 等= 孑2 ( 2 2 ) h i l l 上述模型在分析计算多晶体塑性材料时出现困难，为了更有效而准确的分析 多晶体材料，b a r l a t 等人在1 9 9 1 年提出了一种形式化方法来描述多晶体材料的屈服 准则；平面应力下此屈服准则可描述为： f = a l k 。+ t ：r + a l k 。- k ：r + ( 2 一口) i 址：rt 2 a( 2 3 ) 式中：七。= ! 二l 等；t ：= i o x x ? o y y 2 2 ，； 江苏大学硕士学位论文 4 - z 一2 j 而翩；1 f i l l + r o j r o + r q i 。雨 x ，y 分别表示板材的轧制方向和横向；a , h ，p 是描述塑性各向异性的材料系数；o r 是轧制方向的等效应力，对于b c c ( 体心立方，b o d y c e n t e r e dc u b i c ) 材料，指数坍取 6 ；对于f c c ( 面心立方，f a c e c e n t e r e dc u b i c ) 材料，指数m 取8 ；，r e ，为各向 异性材料在与轧制方向成0 0 ，4 5 0 ，9 0 0 时的各向异性值。 2 2 2 对应各种材料屈服函数的弹塑性本构关系 如9 - 面1d 盯；+ 孚6 ￥蛾+ 盯；积 ( 2 4 ) 式：“高 。茹一。知一 一 2 6 ) o 江苏大学硕士学位论文 d c 。三 1 一v 。 1 ， v1 o0 0 o 1 一v 2 侗愀为妒b ) 厶1 测盖。孛嚣代枷6 ) 有： d 品- 一 加古”2 e 9 芒+ 芒( 老) d o ，挪 一盯荆id d j ( 2 7 ) ( 2 8 ) 将b a r l a t 屈服准则引入( 2 8 ) 式，有平面条件下b a r l a t 屈服准则的弹塑性本构 矩阵为： d ，三 1 一v 。 1v v1 o 0 o o 1 一v 2 “+ 谢：) 2 一彳l “+ 坞+ h ) 半“+ 谢：地 其中：4 - h 1 日3 + 何2 h 4 + 日5 日6 a 2 - h 1 日4 + 日2 h 3 + 日5 h 6 ) 4 - ( - ：一h ，+ 日5 ， 对称 ( 鸣+ 彳：) 2 半帆m 玩学鬈 小啊石曩孟确 其中e 为弹性模量，v 为泊松比。 2 3 板壳理论 ( 2 9 ) 目前，在薄板成形有限元分析中使用最为普遍的薄壳单元是h l 单元和b t 单元， 表2 1 中列出了这两种单元以及它们的一些改进型单元的特性。 表2 1 中的七种单元根据面内积分点的数量可以分为两类：第一类为缩减积分， 如b t ，b w c ，b l ，h l ，c h l 单元，这屿单元的计算效率较高，但处理某些问题时 江苏大学硕士学位论文 可能出现计算的沙漏模态；第二类为选择缩减单元，如s rh l ，s rc h l 单元，它 们能够消除计算过程中的某些沙漏模态，但是计算效率较低1 1 1 。 表2 1 常用薄壳单元类型 t a b l e2 1s h e l le l e m e n t sm o s ti nu s e 单元名称面内积分点沙漏控制计算速度备注 f r1 无 1 0 0 0 单元过渡翘曲时不宜使用 b w c 1无8 0可用于翘曲情况计算 b l1物理沙漏控制6 0 h l 1无3 0 c h l 1无4 0 s ，r h l2 2 有5可避免某些沙漏模态 s ，r c h l 2 * 2有1 0可避免某些沙漏模态 在冲压成形分析中使用的最为普遍及有效的有两种壳单元，即h u g h e s l 加和 b e l y t s c h k o - t s a y ( b t ) 单元。考虑到研究模拟内容是以b t 壳单元为模拟单元，因为 b t 壳单元是d y n a f o r m 缺省的单元公式，它采用面内单点积分，对大变形问题是 最稳定和有效的公式。另外，采用c o r o t a t i o n a l 应力更新，单元坐标系统置于单元中 心，基于平面单元假定，所以对于翘曲的几何体不适用。h u g h e s - i j u 壳单元是退化的 壳单元公式，因而可以适应任意复杂外形，并具有较高的计算精度。但是，由于单元 公式比较复杂，计算量较大，在求解大型复杂薄板成形问题时需要较长的计算时间， 而b t 壳单元则是用于显式计算的一种更为有效的单元。因此本文仅就b t 壳单元有 限元理论加以研究。 由标准的有限元离散，可得有限元方程为： 肘矿一f “一f “ ( 2 1 0 ) 其中膨为质量矩阵，f “为外力矢量，f “为内力矢量，单元内力为： 卜 眨川 幽虚功原理，可得： 砑7 m 1 8 + 加；7 ，= 翘；7 群+ 脚；7 开= j ，蔚7 d d v ( 2 t 2 ) 2 江苏大学硕士学位论文 五k 厶，西。玩，玩j ( 2 1 3 ) 6 = 阪。，屯，吒，反，吒】7 ( 2 1 4 ) 疗= 【厂，正，厶，】7 ( 2 1 5 ) 肌；= k ，小：，】7 ( 2 1 6 ) 对于四节点双线性壳体单元，并采用单点积分，即在一个单元内，弯矩小；和膜 力疗只计算一次，对于弹塑性材料，沿厚度方向可取5 7 个积分点。 f 垂 。，皓，叩x 匿 c ，= ，4 ， c z ， 其中( h ，x ：，x 。) 为节点坐标，j 为插值函数： f ，埘一m ( ；，7 k( 2 1 9 ) q - n l 恁，h 1 q i 幢2 0 ) 由上述公式，可以求得单元中心处皓- 0 叩一o ) 的速度应变的具体表达式； 2 五：一最，吮+ 且，吃，+ 毫( 垦，q 2 ，一目，q 1 ，) ( 2 2 1 ) 2 五，一目，吃，+ ，q 2 ， 西：，。最，吃，一 ，q 1 ， 3 江苏大学硕士学位论文 其中：b i ，。警易，譬 魄2 单元节点内力的具体表达式为： 屯一爿( z k + 岛，五：) l a 峰m 1 2 + b u l 曲 f m a 元 u f u + b 2 l f 心 - a ( 8 2 j m 2 + b u r , h 2 一玩4 ) m ：，- 月( 一b 2 ，m ，：一霸，4 ) m ”- 0 其中：a 为单元面积；f 为剪切修正系数； 岛一心织；m 弗- 一肛鸸 ( a ，一1 2 ，3 ) 2 4 基于变分原理和虚位移原理的非线性有限元单元列式 2 4 1 非线性有限元单元列式描述【1 】 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 通常可以用两种不同的表达式来建立有限元列式：第一种格式中所有的动力学、 静力学和运动学变量总是参考初始变形的，即在整个分析过程中参考构形始终一致， 保持不变，这种格式称为完全的l a n g r a n g i a n 格式( 即t l 格式) ；另一种格式中 所有的动力学、静力学和运动学变量均参考于每一载荷或时间步长开始时的构形，即 在分析过程中参考构形是不断更新的，这种格式称为更新的l a n g r a n g i a n 格式( 即 u l 格式) 。对于车身覆盖件冲压成形这样的大位移、大转动、大应变非线性问题， 宜采用u l 格式来建立有限元列式。 根据虚功原理，变形体中满足平衡条件的力系在满足任意协调条件的变形状态 国上做得虚功等于零，或者在外力作用下处于平衡状态的弹塑性体，当发生位移约 束允许的任意虚速度却时，外力( 表面力和体力) 在虚速度上所作的虚功与弹性体 江苏大学硕士学位论文 在虚应变速率上所作的功相等。根据虚位移原理，可以得到伽辽金( g a l e r l d n ) 平衡 方程弱形式 正+ c “一嘞，一厩) 加d v + f r ( ( r i i n j i ) 融t d s1 0 ( 2 2 4 ) 式中：出；一在f 2 边界上满足位移边界条件。 应用高斯公式和散度定理，并考虑在边界r 2 上位移的变分面；为零，再根据分布 积分公式，就可以得到虚功原理的变分列式 翻。f g p u - d v + fc u j d y + 正面u d 矿一正成缸t d 矿一正互面t d s l 0 ( 2 2 5 ) 式中第一项为惯性力所作的功；第二项为物体内力所作的功；第三项为体积力所 作的功；第四项为外力所作的功。 2 4 2 有限元控制方程的的离散形式【1 8 i 在空间域q 中，使用有限元离散化方法将之离散为诸多个单元。单元的构造有多 种形式，一般来说要根据物体特征不同选取不同的单元。对于金属薄板成形问题通常 构造和选取相应的壳体单元。为此选取一插值函数n i ( i = l - - n ) ，对上述变分列式对 空间域q 进行离散分析。单元内任意点的位移可以通过节点位移和形状插值函数来表 示。 ( f ) 。荟m “，o ) u ( f ) 。荟以v ，o ) 吒o ) 4 荟m 4 ，o ) ( 三维i = 1 ，2 ，3 ；平面i = 1 ，2 ) ( 三维i = l ，2 ，3 ；平面i = 1 ，2 ) ( 三维i = 1 ，2 ，3 ；平面i = 1 ，2 ) 与此式相应的矩阵表达式为 缸( f ) ； p 如( f ) z p 仁( f ) 一【舡p ( 2 2 7 ) 江苏大学硕士学位论文 于是可得 岳 ；陋融p 式中，曰为应变位移矩阵，即b = b = 对于几何非线性问题来说， 曰 矩阵通常由线性和非线性两部分组成，即 口 = 风 + 吃 。将式( 2 2 7 ) 代入虚功原理的变分列式，然后对所有单元求和， 可得变分列式的近似等式，再取此表达式的矩阵形式 kk r cc 1 断4 荟帆。荟出”i 厶卢7 “d y + 7 “d y 馏7 耐y 7 弘矿硝7 豳- o i 将各单元计算的结果进行组集后可得： m a + c v + f ，v ) 一p ，f ) 一0 式中第一项为惯性力；第二项为阻尼力；第三项为内力：第四项由外力和体力组 成；m 为总体质量矩阵；4 一五( f ) 为总体节点加速度矢量；p 为包括节点载荷、面力、 体力等的总体载荷矢量；f 为由单元应力场的等效节点力矢量( 或称应力散度) 组集 而成，即： f 。了阳7 0 d v ( 2 3 1 ) 向j o 从而推导出有限元方程的离散形式。 2 5 有限元控制方程的显式积分算法【1 9 一矧 基于中心蔗分法的动力学有限元方程的求解过稗就是动态显式解法。下面