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西华大学硕士学位论文 b 柱加强板拉深质量研究 材料加工工程专业 研究生李金燕指导教师傅建 汽车车身的骨架类结构件( 如b 柱加强板) 大多具有复杂的不规则的几何 形状，其成形过程常常受到毛坯形状、冲压方向和速度，压边力大小、拉延筋 结构与布局，摩擦润滑条件，以及凸凹模间隙等诸多因素影响，引发严重减薄、 起皱、扭曲、破裂、回弹量过大等质量问题。 如果单凭经验采用反复试冲压或试模寻求最佳成形参数与模具结构，不仅 产品质量上得不到保障，成本上也无任何优势可言，还会成为阻碍新车型尽快 推向市场的重要瓶颈。板料成形c a e 软件不但可以预测覆盖件冲压过程中原 先只有通过试模才能暴露的成形缺陷，而且还可借助数值实验结果，简化和优 化冲压工艺方案与模具设计方案，缩短研发周期，提高成形产品质量和整车装 配质量、喇氐生产成本。 本文以板料成形的弹塑性理论和d y n a f o n n 软件为基础，对某汽车b 柱加 强板的拉深过程进行了研究，并采用正交实验法对拉深工艺参数和模面结构参 数进行了设计。本文重点研究了冲压速度、摩擦系数、拉延筋高度和半径、凸 凹模间隙对加强板零件拉深质量的影响，并结合实验结果，较全面地分析了制 件起皱、破裂和未充分拉深产生的原因，提出了相应的拉深质量解决方案。 研究实验表明：凸凹模间隙对加强板局部最小厚度的影响最大，其具体表 现为：凸凹模间隙越小，拉深后的加强板局部厚度越小，越容易引发制件破裂。 冲压速度对加强板局部最小厚度的影响次之，具体表现为：冲压速度提高，加 强板局部最小厚度值减小，制件局部破裂倾向增大；但是冲压速度过慢，加强 板局部最小厚度增加，制件局部起皱f 顷向加大。拉延筋布局、数量、类型和结 构对调节与控制b 柱加强板的拉深质量起着重要的作用。通过合理设置半圆截 面拉延筋、利用正交实验优化其高度和圆角半径，b 柱加强板的拉深质量可得 西华大学硕士学位论文 到明显改善，并能有效地防止了起皱、破裂和不充分拉深等缺陷的产生。 关键词：b 柱加强板，拉深，质量控制，数值模拟，正交实验 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho n d r a w i n gq u a l i t yo fb - c o l u m n s t r u c t u r a lr e i n f o r c e m e n t p a n e l a u t o m o b i l ef l a m e w o r k p a r t ss u c ha sb - c o l u m ns t r u c t u r a lr e i n f o r c e m e n tp a n e l m o s t l y h a v e c o m p l e xa n d i r r e g u l a r s h a p e s , t h a t t h e i r f o r m i n g p r o c e s s e s a r e o f t e n a f f e c t e d b y b l a n k s h a p e , s t a m p i n g d i r e c t i o n a n d 印d b i n d e r f o r c e , d r a w - b e a d s t m c m r ea n dl a y o u t , f l j c l j o nc o n d i t i o na n dg a pb e t w e e nd i ea n dp u n c h , e t ot h e s e e f f e c t sc a nl e a dt om a n y p r o d u c tq u a l i t yp r o b l e m s , s u c ha ss e v e r et h i n n i 唱w r i n k l e , w a r p i n g , c r a c ka n di n s u f f i c i e n ts k e t c h t os e e kt h eb e s tf o r m i n g p l a na n dm o u l ds t r u c t u r e , t h ec o n v e n t i o n a la p p r o a c h e s l i e do ne x p e r i e n c e so rt e s t - s t a m p i n gc a r ln e i t h e re n s u r et h ep r o a u c tq u a l i t yn o rr e d u c e t h ep r i m ec o s t , b u tw i l lb e c o m et h eb o t t l e n e c kp r e v e n t e dn e w - t y p ec a rf l u mc o m i n g i n t ot h em a r k e t b ym e a n so f t h ec a e s o f h , v a r e , n o to n l ym a yt h ef o r m i n gd r a w b a c k s b ed i s c o v e r e di na d v a n c ew h i c ha i 己d e t e c t e di n s t a m p i n gp r o c e s so rm o u l dd e b u g g i n g f o r m e r l y , b u ta l s ot h es t a m p i n gs c h 廿n ca n dt h em o u l dd e s i g ns c h e m em a yb e s i m p l i f i e da n do p t i m i z e d , t h et i m eo f s 州y i n ga n dd e v e l o p i n gd i em a yb es h o r t e n e d , t h eq u a u t yo f f o r m i n g - p r o d u c ta n d a s s e m b l i n g - c a rm a y b ei m p r o v e d a sw e l la st h e p r o d u c t i o n c o s t s m a y b er e d u c e d i n t h i s t h e s i s ，b a s e d o n t h e d a s t i c - p l a s t i c i t y t h e o r y o f s h e e t f o r m i n g a n d d y n a f o r m s o f t w a r e , t h e d r a w i n g p r o c e s s e s o f a b - c o l u n m s t n l c t u r a lr e i n f o r c e m e n t p a n e l 、】l ，盯es t u d i e d , t h ed r a w i n gp a r a m e t e r sa n dm o u l dp m a m c t c 墙w e r ed 鹤i g n e db y u s c o f o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t m e t h o d , a n d t h e e f f e c t o f s t a m p i n g s p e e d , f r i c t i o n m 西华大学硕士学位论文 c o e f f i c i e n t , d r a w b e a dd e p t ha n dr a d i u s ，a sw e l la st h eg a pb e t w e e np u n c ha n dd i eo n t h e d r a w i n g q u a l i t y o f t h er e i n f o r c e m e n t p a n e l w e r e c a r e f u l l y e x a m i n e d a c c o r d i n g t o n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h ei e a s o t mf o rw i i i l l d e , c r a c ka n di n s u f f i c i e n ts k e t c hw e r e c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d , a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o nf o rc o n t r o l l i n gd r a w i n g q u a l i t yw a sg i v e n t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ei m p a c to f g a pb e t w e e np u n c ha n dd i eo nt h el e a s t l o c a lt h i c k n e s si sm a i n , w h i c hc a nb ed e s c r i b e da st h a tt h el e s so f t h eg a p ，t h et h i n n e r o f t h er e i n f o r c e m e n tp a n e ll o c a lt h i c k n e s sa f t e rd r a w i n g a n dt h ep a n e ll o c a lc r a c ki s e a s i e ri n d u c e d t h ee f f e c to f s t a m p i n gs p e e do nt h el e a s tl o c a lt h i c k n e s si ss e c o n d a r y , w h i c hc a l lb ed e s c n b e da st h a ti f t h es t a m p i n gs p e e di si n c r e a s e 吐t h el o c a lt h i c k n e s s o f t h er e i n f o r c e m e n t p a n e l w i l lr e d u c e a n d t h e c r a c kr i s k w i l lr a i s e ；b u t i f t h e s t a m p i n g s p e e di st o os l o w , t h el o c a lt h i c k n e s so f t h ep a n e lw i l li n c r e a s ea n dt h ep r o b a b i l i t yo f p a n e lw r i n k l ew i l la l s oi n c r e a s e t h ed r a w b e a dl a y o u t ，q u a n t i f i e s , s t y l ea n ds t r u c t u r e p l a y a n i m p o r t a n tr o l e i n t h e d r a w i n g q u a l i t y c o n t r o l o f t h e b - c o l u m n s t r u c a a a l r e i n f o r c e m e n tp a n e l b ym e a n so f s e t t i n gu pt h es e m i c i r c l ed r a w b e a da p p r o p r i a t e l y a n du s i n gt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tt oo p t i m i z et h ed r a w b e a dd e p t ha n dr a d i u s ，t h e d r a w i n gq u a u t y o f b - c o l u m ns t r u c t u r a lr e i n f o r c e m e n tp a n e li sa p p a r e n t l yi m p r o v e d , a n db e s i d e s , t h ew r i n k l e , c r a c ka n di n s u f f i c i e n ts t r e t c ha r ce f f e c t i v e l yp r e v e n t e d k e y w o r d s ：b - c o l u m ns t r u a m a lr e i n f o r c e m e n tp a n e l , d r a w i n g ，q u a l i t yc o n t r o l , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , o r t h o g o n a le x p e r i m e n t i v 西华大学硕士学位论文 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及取 得的研究成果。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，也不包含为获得西华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谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者獬：麟起嗍硼引多 导f 嗽：j 醒吼勘7 m r 一 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 - 1 引言 板料塑性成形是一个充满魅力的学科领域，它不仅具有悠久的发展历史供 人们去追溯和回味，而且留下了许多有趣的研究课题作为后来探索者们的用武 之地。 计算机和各种计算机辅助技术的迅速发展，为现代工业生产和科学研究提 供了高效率的新研究工具。计算机辅助技术在近2 0 年时间内几乎应用到各行 各业，并以其大量的技术成果和显著的经济效益及社会效益越来越显示出强大 的生命力。 板料塑性成形，与其他学科专业样，计算机和计算机辅助技术的应用也 越来越广泛和深入。一方面，用计算机取代某些原来由人工完成的工作，成倍 甚至十几倍、几十倍地提高效率，并提高技术水平和产品质量：另一方面，一 些人工无法完成的工作，由于有了计算机这种高效能的新工具和相应的新技术 而成为可能。人们有充分的理由相信，计算机辅助技术将为板料塑性成形领域 各个课题的进一步深入研究开辟更广阔的前景。 1 2 冲压技术的研究及发展现状 冲压是一种常用的金属加工方法。它是建立在金属塑性变形的基础上，利 用模具和冲压设备对板料施加压力，使板料产生塑性变形或者分离，从而获得 具有一定形状、尺寸和性能的零件。 冲压生产依靠模具和冲压设备完成加工过程，因此它具有生产效率高、操 作简便、便于实现机械化和自动化的特点。采用精密复杂的模具，能加工出用 其他方法难以生产的形状复杂的零件，且尺寸精度稳定，材料利用率高，零件 重量轻。在大批量生产中，是种先进的，优质、高产、低消耗和低成本的加 工方法。由于冲压生产具有t 述特点，因此在兵工、航空、电子、汽车、电机 电器、精密仪器以及轻工各个生产领域中得到广泛的应用。随着汽车和家用电 器等工业的高速发展，在许多先进工业国家里，冲压生产和模具工业得到高度 的重视，例如美国和日本，模具工业的产值已经超过机床工业，模具工业成为 重要的产业部门，而冲压生产则成为大批量生产优质、先进的机电产品的重要 西华大学硕士学位论文 手段。 板料、模具和冲压设备是冲压生产的三要素。为了获得质优价廉的冲压零 件，必须提供优质的板材、先进的模具和性能优良的冲压设备；还应该掌握板 料成形性能和变形规律，必须设计并制造出各种精密且复杂的冲压模具。目前 世界各国都在研究板料的成形性能，不断研制出冲压性能良好的板料，不断改 进模具加工设备，设计制造出高质量的模具，生产出了对冲压生产具有关键作 用的高效率、高精度、高寿命的大型复杂冲压模具，从而使冲压生产与模具工 业进入了一个崭新的阶段。 汽车覆盖件冲压在冲压行业中居于重要地位0 1 。汽车中轿车的冲压零件数 占零件总数的7 5 以上；在日本，汽车冲压件的销售额甚至已占到冲压行业总 销售额的6 8 9 6 。因此，发展汽车工业和冲压加工技术，对国民经济的发展将起 到重要作用。汽车覆盖件冲压是衡量一个国家冲压技术水平的重要标志，考察 汽车覆盖件的生产水平可以看出个国家冲压行业的技术现状。在汽车设计制 造的整个周期中，车身覆盖件及其模具的设计制造水平，一直是制约汽车开发 速度与品质的核心因素，其中仅模具设计和制造就占汽车研发周期约三分之二 的时间和资金。覆盖件模具的设计制造事实上已成为缩短汽车换型周期、提高 汽车品质的主要瓶颈。 2 0 0 3 年我国汽车冲压模具总产值约1 8 0 亿元，另外进口冲压模具4 7 8 亿美元，进口模具中大部分是大型覆盖件模具。今后几年，我国的汽车产量将 以2 5 的速度增长，这将使覆盖件模具的供需矛盾更加突出，也给汽车覆盖件 模具生产制造企业提供了巨大的商机。 目前，尽管国内不少汽车制造公司都不同程度上积累了覆盖件及其模具的 设计制造经验，并配备了相应的c a d c a e c m 软件，但总体来说，距全面掌 握大型覆盖件的分析技术及其模具的设计制造技术还有很大的距离。同时，在 冲压设备方面，世界上近几年冲压生产的自动化程度不断提高，车身覆盖件冲 压正向单机联线自动化，特别是大型多工位压力机方向发展。而我国目前汽车 企业的实际情况是，约有9 0 的冲压线采用一台双动拉深压力机( 或多连杆单动 拉深压力机) 和4 6 台单动压力机组成冲压生产线，手工上下料完成大型覆盖 件的冲压生产，生产效率低，冲压件制造成本比国外高2 3 倍：另有1 0 的 2 西华大学硕士学位论文 冲压线实现了单机联线自动化，大型多工位压力机在我国汽车工业中的应用几 乎是空白。这也是我国冲压行业与西方发达国家的主要差距所在。 1 3 板料成形数值模拟技术的国内外研究现状以及发展趋势 1 3 1 国内外研究现状 随着计算机技术的高速发展和有限元方法的日趋完善，利用计算机进行 扳料成形过程的数值仿真显示出巨大的工程应用价值。板料成形数值模拟技术 ( 又称板料成形计算机辅助工程c a e ) 是一种把计算机、数值方法、力学、材 料学与冲压工艺等集于一体的先进技术，该技术可以在计算机虚拟板料成形 的全过程，不但可以预测板料冲压时原先只有通过试模或试冲压才能暴露的成 形缺陷，而且还可借助模拟结果简化和优化成形工艺参数，以及模具设计方案， 缩短生产准备周期，提高产品质量和模具寿命，降低生产成本嘲埘。 板料成形数值模拟技术的研究始于上个世纪6 0 年代m 嘲，早期的研究主要 采用的是有限差分法。到上个世纪7 0 年代，采用有限元法的板料成形数值模拟 技术开始在业界流行。1 9 7 1 年，日本学者y m n a d a 首先将弹塑性有限元法引入 到模拟板料成形的研究中，用于分析圆筒件的拉延问题。与此同时，i - h b b i t t ” 在h i l l ”有限变形原理基础上采用l a g r a n g e 描述，建立了大变形弹塑性有限元 理论。1 9 7 8 年，n m w a n g 和b 。b u d i a n s k y 嘲采用完全l a g l a n g e 数学描述，推 导出- e l 用于一般板料成形过程分析的有限元模型。他们在其研究中，一方面假 设被成形的板料很薄，可以忽略弯曲效应，进而可以借助薄膜单元来离散分析 对象：另一方面假设板的材料是弹塑性的，满足m i s e s 塑性流动法则，并且在 界面约束中引入库仑摩擦定律。基于匕述假设和分析对象的简化，两人模拟了 多种材料的半球冲头胀形及冲压成形过程，其计算得到的应变分布数据与物理 实验结果吻合相当好，该成果标志着数值模拟技术在板料成形领域匣用研究的 正式开始。2 0 世纪8 0 年代初，通用汽车公司的n m w a n g 和福特汽车公司的 s c t a n g 等人经过长期探索，成功地对轿车行李箱盖和前翼子板的冲压成形过 程进行了数值模拟叫埘，从而开创了汽车覆盖件冲压成形数值分析的应用研究 领域“”。8 0f f - - f e 0 舌期，随着计算机科技的飞速发展和有限元方法的实用化，在 世界汽车工业应用需求的推动下，板料成形过程的计算机模拟迎来了蓬勃发展 3 西华大学硕士学位论文 的时期，时至今日，仍方兴未艾。在国外，板料成形有限元分析技术已经成为 许多汽车生产厂家和模具制造公司提高产品竞争力的必备技术。欧洲以欧盟牵 头，开展了一个包括多家汽车公司、研究机构和软件开发商参与的板材成形数 值模拟技术的工业应用研究项目。在美国板料成形数值模拟技术的应用已经相 当的广泛，先进的计算机模拟已逐步与实验和测试结合了起来，并有取代传统 意义上的费时、费力的实验手段的趋势。法国雷诺汽车公司不仅自己有技术人 员专门从事数值模拟工作，而且与北京航空航天大学合作，对轻型材料汽车钣 金零件的成形技术进行数值模拟分析。日本丰田( t d y 0 1 1 a ) 公司在应用该 技术方面非常成功，已经建立了一个整车车身各种典型零件的分析结果库。日 本荻原( o g i h a r a ) 公司经过努力，也为多种车型建立了基于有限元技术的板料 成形数据库。目前，荻原公司能对整车开发中的3 0 9 6 5 0 9 6 的冲压件进行板料成 形数值分析。 国内在板料成形数值模拟方面起步较晚，始于2 0 世纪8 0 年代后期“1 ， 而且主要集中在部分高校里，如华中理工大学“”、上海交通大学“o 、吉林大学 等。吉林大学的胡平“”教授等采用非经典的弹塑性流动理论和非二次形的面内 各向异性屈服函数对各向异性板料冲压成形性进行了分析，并开发了具有自主 版权的k m a s 板料成形模拟分析软件。湖南大学的徐康聪进行了板料成形过 程的显式有限元分析程序的开发和研究，采用基于随动坐标系的假定应变域壳 单元及显式有限元格式求解三维板料成形问题，并且开发的有限元程序已在柳 州微型汽车厂及长沙市梅花车身厂获得应用，成功解决了拉深件角部拉裂和失 稳起皱等难题。汽集团公司成立了由工艺所、电算处、模具中心、车身厂联 合组成的板材成形数值模拟攻关小组，经过近几年的努力，取得了可观的成果。 如他们对c a 4 8 8 4 油底壳进行拉延成形模拟，预测可能出现的问题及原因，并 提出解决问题的方案，为冲压工艺、模具设计、制造和调试提供了理论上的依 据，经过改进后，最终一次拉延成功。上海大众公司与上海交大产研结合，完 成了汽车外侧围板、行李箱后盖等零件的数值分析，在改进工艺、零件选材方 面提出了有效的建议，数值模拟结果与实际试验结果吻合度达8 0 以上。总的 说来，由于国内起步较晚，还没有开发出可以实际应用的商品化软件。另外， 由于模具生产技术水平低，应用环境恶劣( 如材料参数、摩擦参数不稳定) ，在 4 西华大学硕士学位论文 软件应用上，存在一定的困难。因而，积累的经验和数据也不多，要达到成熟 使用的程度，还有一段很长的路。 1 3 2 耘料戍形数值模拟技术的发碾趋势 经过二十几年的发展，板料成形有限元模拟技术已经得到了广泛的应用， 今后一段时间它可能在以下几个方面会得到较大的发展。 ( 1 ) 提高数值模拟的准确性和精度、速度 开展基础试验研究，如研究新材料模型、建立有效的本构方程、从数学上 判断各种成形缺陷、探索板料成形过程中的摩擦机理等，以提高模拟的准确性； 建立更理想的破裂和起皱判据，提高模拟的预报精度和可靠性；采用更加简单 精确的单元技术和合理高效的网格划分方法，优化接触算法，重点突破回弹的 精确预测，提高计算效率，缩短计算时间。 ( 2 ) c a d c a e c a m 技术的结合 数值模拟技术与c a d ，c a e ，c a m 技术结合，构成从产品设计、模具设计、 工艺设计直到制造加工一整套数字化生产系统，是未来的发展方向。 ( 3 ) 人工智能和专家系统技术的应用 现有的数值模拟系统虽然能预报成形缺陷，但对如何解决这些缺陷却无能 为力。它只能告诉你“不应该这么做”，却不能告诉你“应该怎么做，o 模拟系 统与专家系统、人工智能等相结合，实现变形方式、成形过程以及成形后性能 的全方位优化，在数值分析结果的基础上自动对成形方案进行分析和评价，并 提出方案的优化建议，将能更多地满足工厂企业的要求“”。 ( 4 ) 与互连网结合 互连网现在已经渗透到各行各业，数值模拟行业也不例外。如通过互连网 把c a d 、c a m 和c a e 系统结合起来的虚拟制造系统嘲等。我国中科院数学与 系统研究院与台湾合作开发的有限元网上自动生成系统i f e p g ，所面向的对象 是软件程序员，编程时在互连网上以问答的形式输入自己的要求，就可以生成 并下载计算程序的模块。 综上所述，改善汽车覆盖件模具设计和工艺方案是提高产品质量和增强市 场竞争力的关键所在，而板料成形c a e 技术在覆盖件模具设计和工艺优化过 5 西华大学硕士学位论文 程中起着十分重要的作用。国内外同行借助板料成形c a e 技术对优化覆盖件 模具设计和工艺方案进行了大量有益的尝试，取得了不少科研和应用成果，这 种动向值得注意。尽管板料成形c a e 技术的发展非常迅速，但目前在实际应 用中还存在很多问题。随着研究的日益深入，该技术必将逐步完善，成为成形 工艺分析的最有效手段之一。 1 4 课题研究的目的和意义 金属薄板成形是现代工业中一种重要加工方法，已被广泛的应用于汽车、 电器、航天航空等各个领域。汽车覆盖件是金属薄板成形的典型代表。从覆盖 件产品设计，成形方案确定到模具设计、制造、调试，再到最终生产出合格产 品，整个过程相当复杂。其中，覆盖件的冲压工艺分析与模具的设计制造又是 非常重要的环节。因此，单凭过去的经验和传统的试验方法，不仅技术上得不 到保障，成本上也无任何优势可言，而且模具开发周期太长也会大大失去竞争 力。 金属薄板成形过程的数值模拟技术是板料成形理论与材料力学、计算数学、 计算力学、冲压工艺学，以及计算机科学等多门学科相结合的产物。利用这些 理论和知识在计算机匕进行汽车覆盖件成形过程的定量分析和数值模拟，以部 分代替现场试模，预测模具设计中潜在的缺陷，可以使技术人员非常直观地在 计算机屏幕上观察到材料变形和流动的详细过程，了解材料的应力应变分布、 料厚变化、破裂及起皱的形成经过，为冲压工艺人员和模具设计人员提供修改 或重新设计工艺方案和模具结构的科学依据，从而大大缩短工艺调整和试模修 模的时间，节约费用，提高产品质量和生产效率，增强产品的市场竞争力，并 从根本上摆脱单纯依赖经验和个人直觉进行设计的局面，克服冲压设计的不确 定性和模糊性的问题，提高汽车覆盖件成形分析的科学性及预见性。 本课题的研究目的是借助美国e r a 公司和l s t c 公司联合开发的板料成形 分析及数值仿真专用软件d 删o r m ，对以b 柱加强板为代表的汽车骨架零件 成形过程进行高精度数值模拟，通过模具零件运动、板料动态成形，以及板料 厚度变化、应力应变分布、成形极限预测等项目的研究，搞清楚拉延筋结构及 布局、拉深成形速度、界面摩擦系数，以及凸凹模间隙等工艺参数对汽车骨架 6 西华大学硕士学位论文 零件质量的影响，关键是弄清骨架零件成形过程中典型缺陷产生的原因及控制 途径，并结合生产实际提出最佳成形工艺方案和模具设计方案。 1 5 本文主要研究内容 板料成形过程中许多因素都直接或间接的影响金属薄板的成形性能。以往 的冲压生产是经验和试探的摸索，尤其是在试模阶段，大量的资源和时间支出 使得冲压出产品的质量和成本难以得到理想的控制。随着板料成形数值模拟技 术研究的深入，入们开始应用此项技术来指导模具的设计，通过对板料成形过 程进行数值分析，预测成形时可能出现的缺陷，给设计者进行工艺分析和模具 设计提供科学的依据，从而提高了模具的设计精度，缩短了产品的生产周期。 但就板料成形数值模拟的工业化应用而言，西方发达国家已经将c a e 模拟分 析作为产品设计与制造流程中不可逾越的工艺规范加以实施，而我国的工业企 业界还处于对c a e 技术的初步认同和浅显的应用阶段。要想成功地利用大型 专业软件进行应用方面的研究还有很多问题急待解决，如冲压工艺参数的优化， 模具方案的优化以及回弹的数值模拟精度等。 为此，本文着重于板料成形数值模拟技术的工业化应用，以某汽车b 柱加 强板的拉深成形过程为基础，开展数值模拟研究，解决冲压工艺参数优化、模 具设计方案优化，以及拉深质量控制等问题。主要完成了以下- - ) i 方面的研究 内容： ( 1 ) 结合生产实际，进一步明确了覆盖件的成形原理和成形质量控制因素，采 用基于弹塑性有限元法的数值模拟和正交试验方法对b 柱加强板的成形过程进 行了数值模拟分析，总结出了关键工艺参数及模面结构参数对覆盖件成形质量 影响的一系列规律； ( 2 ) 对数值模拟结果进行了分析和讨论，利用相关专业理论解释了b 柱加强 板拉深起皱和破裂产生的原因，提出了如何避免破裂和起皱的措施；并结合正 交试验针对拉延筋高度、拉延筋半径、凸凹模间隙，摩擦系数以及冲压速度等 对b 柱加强板零件拉深质量的影响进行了探讨； ，7 ( 3 ) 对于成形质量影响较大的拉延筋半径和高度再次进行了正交试验，找出最 优的拉延筋高度和半径设置，拟定出最优工艺方案，达到了优化工艺参数和模 7 西华大学硕士学位论文 具设计方案之目的。 1 6 本章小结 本章在讨论板料成形和板料成形数值模拟技术的国内外研究现状及发展趋 势基础上，阐述了论文选题的目的和意义。同时，给出了本文研究的主要内容， 即采用弹塑性有限元法和正交试验方法对某汽车的b 柱加强板进行数值模拟， 通过对实验结果的分析与讨论，得出了一系列重要结论及最优工艺方案，达到 了优化工艺参数与模具方案设计之目的。 8 西华大学硕士学位论文 2 板料成形数值模拟理论 用于金属成形数值模拟的有限元方法分为弹( 粘) 塑性有限元法和刚( 粘) 塑性有限元法。目前，在板料成形数值模拟中应用最广泛的是弹塑性有限元法? 该法能够较为准确地模拟板料的实际冲压成形过程，可以预测复杂板料成形过 程中的应力、应变分布及其变化、成形所需要的载荷大小及速度，模拟制件起 皱、破裂、翘曲、回弹等现象，计算冲压零件的回弹量和残余应力、残余应变 等；可以比较准确地分析各种工艺参数及模面结构参数对制件成形过程与成形 质量的影响。 2 1 弹塑性有限元法简介 1 9 6 5 年，m a r c a l 提出了弹塑性有限元法，并首先将它应用于结构受力分 析中。接着，m a r c a l 和y a m a d a 利用m i s e s 屈服条件和p r a n d t l - r e u s s 应办应 变关系，导出了弹塑性刚度矩阵，并采用增量方法分析了金属成形问题。基于 有限元变形理论精确描述物体大位移、大转- z c j 、大应变的弹塑性有限元理论， 在上个世纪七十年代早期就已产生。l e e ( 1 9 6 9 ) 、i - f i b b i l t 、m e m e e k i n g 等人导 出了可用于大变形弹塑性计算的有限元列式( 分别是被以后学者称为的1 ：l 法 胁1 、u l 法“、和e u l e r 法) 。但是，大变形理论由于数学推导复杂、计算量大， 在当时并没有得到广泛的应用。大变形理论和小变形理论最大的不同，在于描 述变形体位移和应变关系的几何方程。在经典弹性理论和小变形塑性理论中， 均假定变形体的位移、转动和应变是很小的，而且在变形体变形时载荷方向不 变，从而得到线性的几何方程。然而对于金属的板料成形，上述假定不再成立， 因为在成形过程中可能出现大位移、大转动以及大应变，载荷方向会随着变形 而变化等情况，任何一种情况都会使几何方程中的二阶项不能略去，从而成为 非线性方程。如果变形体的几何方程是非线性的，本构关系是弹塑性的，则称 其为大变形弹塑问题。金属板料成形很大一部分可归结为这类问题嘲。 2 1 1 弹塑性本构方程咖 ( 1 ) 本构关系的一般原理 材料加工中所涉及的固体和流体都可以作为连续介质看待，它们遵从连续 9 西华大学硕士学位论文 介质力学的普遍规律，其中包括连续性方程、运动方程、能量方程等。由这些 方程及相应的边界条件就构成了描述材料加工过程的偏微分方程的边值问题或 i 杉初值问题。但是，这些方程的个数少于未知物理量的数目。因此，为了能求 得材料成形过程中涉及的连续介质运动问题的解，还必须在各物理量之间建立 一些描述材料本身所固有的物理特性的补充方程，以便得到封闭的方程组。这 些补充方程统称为本构方程。 通常所说的本构方程是指狭义的本构方程，即应力应变关系。它是表达连 续介质的应力与应交、或应力微分与应变微分、或应力速率与应变速率之间关 系的物理方程。它与材料性质、结构和变形条件有关。由于板料成形过程中回 弹现象与材料的弹塑性性能有关，因此应采用弹塑性本构方程。 ( 2 ) 弹塑性本构方程的建立 为了反映常温下金属的塑性变形与变形历程的密切关系，本论文中采用塑 性流动理论，在弹塑性本构方程中建立应力速率与应变速率的关系。在小变形 问题中，物体构形的变化很小，欧拉描述与拉格朗日描述是一致的。在这种条 件下建立的是小变形弹塑性本构方程。在有限变形问题中，变形日茸后物体的构 形发生了明显的变化，物质坐标与空间坐标发生了有限改变。于是，在建立有 限变形条件下的弹塑性本构方程时要求它满足客观性，即对于坐标系刚性转动 的不变性。有限变形条件下的弹塑性本构方程与小变形弹塑性本构方程在形式 上是相同的，只是其中的应力速率和应变速率要有客观性。 在建立本构方程时，先考虑小变形问题，在本构方程中建立柯西应力和小 应变之间的增量关系。然后将本构方程推广到有限变形的情况下，这时本构方 程中要采用具有客观性的应力和应变速率。客观性应力速率可以采用柯西应力 的久曼导数6 ，客观性应变速率可采用应变速率张量以 将物体的弹塑性变形分解为可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形两部 分。在小变形时，将应变增量如分解如下： d e = d + 比如 ( 2 - 一1 ) 相应地，在有限变形时将应变速率珊为： d d + 谢 ( 2 - - 2 ) 式中，上标c 平p 分别表示其弹性和塑性分量：口为加载因子，纯弹性变形( 材料 堕兰盔堂堡主堂堡笙塞 取适当形式的屈服准则，可使由关联流动法则表达式中的d a d 7 ，即关 d a u c 知d 二( c 函为弹性张量) ( 2 - - 3 ) 得d 一( 谕 一d 占) - c f ；n ( d e n - d 7 寺 2 _ _ 4 ) 盖峥。o fc , 7 “( d 驴静 ， 由一致性条件( a f a o ；d - j ，a 令h = d o d e ，则上式可写为： 厩9 百o fc ， i ( d e n - d - ，普) ) _ a f c 缸d eh d ：，_ ! ! 堑 ( 2 - 7 ) d 一蘸 屹叫 d o h i cof o f c d e h = ( c 知一们品k s 。 - c “n d e “ ( 糊) d 嘞( c 知一警西盯 k 。) d e n c 融e p “( 2 - - 9 ) 西华大学硕士学位论文 式中g 为剪切弹性模量， g = 2 孑2 1 + h ( 2 g ) 】，3 令e 为单向拉伸时应力应变曲线的斜率，设材料不可压缩，则 日一d e p 矗盯一- 一d e ，妇盯一】e v e ( 2 - 一1 0 ) 于是1 ht3 ( 2 圩) 一( 3 2 w e ，一1 e ) ( 2 1 1 ) 在有限应变条件下，应将加载卸载准则，塑性流动法则和弹塑性本构方程表 达式中的d 替换为岛，d f ；替换为卵 2 1 2 弹塑性变形增量方程的建立”1 对塑性成形过程进行小应变弹塑性有限元分析时，通常将整个载荷分解 成若干个增量步，然后对每载荷增量进行求解。设在t 时刻至t + a f 时刻增量 步中，t 时刻的载荷为：单位体积的体力b l ，在面力边界面s ，上单位表面力为 ；位移为“；，应变为8 应力为。口 在此基础上外载荷增加一个增量， 体力增量为曲；，面力增量为印，在位移边界面s 。上有给定位移增量h ，。 从而产生位移增量缸；，应变增量。则在t + a t 时刻的应力“q ，、位移 “。u i 和应变“。“为： l 。oq ：c r + o 4 “f = u f + a u f ( 2 1 2 ) + 。口- 口+ a e 口 由变形弹塑性理论有 a o u + a b i - 0 # 一1 ( a u i , j + f l ) ( 2 _ 1 3 ) o q c 嚣a e h 及边界条件吒”，- 印j 在s p 上 ( 2 _ 1 4 ) 血；一面在s 。上 ( 2 - 1 5 ) 在下述建立有限元方程中，采用t + a t 时刻的平衡方程和有关方程。在 西华大学硕士学位论文 l4 - a t 时刻的平衡方程为： | o q j i 怕i + a u o 、i + a b i - 0 边删为： ( 咯+ a a q ) t ，一饥+ 蛾 ( 一1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 吒+ 缸，- i + 丽 ( 2 _ 1 8 ) 上述方程是建立弹塑性有限元方程的依据，也是真实解所必须满足的方程。 2 l3 弹塑性有限元方程的建立嘲 通过建立增量形式的虚功方程，可以推导出弹塑性问题的有限元表达式。 在t + a t 时刻，增量形式的虚功方程为： f v ( o 0 + a o ，b ( s 。k y j ( p ；+ 卸；b 矗“；k 。+ ，( 毪+ 6 j b ( 缸。p 矿 ( 2 1 9 ) 将增量形式的本构方程代入上式，得 厂，c 翕e 。6 ( 勺- y - j ，f + 。p ；6 ( “，炳+ 厂，“。b i d ( a u ，p y 一厂，t 。f 。丛k 矿 ( 2 - 2 0 ) 上式应用于弹塑性变形体中的任一单元，同样适用。 下面以矩阵式建立小应变弹塑性有限元方程。设把分析的物体离散化后，对 任一单元e 选取的单元形函数矩阵为i l ，单元内任一点的位移是单元节点位 移的函数 式中，每r 是t 时刻单元的节点位移列阵；缸p 是单元节点位移增量列阵。 对三维问题，记 缸 一l ，：u 3 】r 恤) 一阻，血：血，】r p 一b 。盯。q ：仃。巳，】r - 【，l盯笠a c t ，3a o 。2a c t 2 ，a t r 3 1 】r 西华大学硕士学位论文 仁 一- ，。s 。2 e ，：2 e 。2 e ，】r f 一 a e 。2 a e ，：2 a e 。2 a e ，】r ( 2 - 2 2 ) 式中， s ) 中的分量s 是由几何方程s 口= 恤+ “j 2 计算。 从而可得出如下矩阵式 r ) 一陋舢p ( 2 _ 2 3 ) 进而可写出矩阵式的本构方程： 盯 一【c p 陋】b r ( 2 - 屯4 ) 从而任一单元e 的虚功方程矩阵式如下： f v g “r ) r 陋】r c p 陋舢p d y j 昂g 舰p7 r 】r ”“ p 枷+ f v d 舢p7 r 】r “色扣y f v 0 妇r ) r 陋】r p 扣y ( 2 _ _ 2 5 ) 上式中0 p 为单元的节点位移列阵； 舢p 为单元节点位移增量列阵； 增量形式的小应变弹塑性有限元方程的一般表达式： k 舢 一恤 k 】k 了 7 恤) 恤r ( 2 - 2 6 ) 7 式中，k 】是整体刚度矩阵；舢 是整体节点位移增量列阵：恤 是整 体节点载荷增量列阵。 对于金属材料的大变形弹塑性问题，按有限变形理论求解时，可通过如下 方法对小变形弹塑性本构方程适当修改而得到适用于有限变形的弹塑性本构方 程，即为有限应变弹塑性本构方程或大变形弹塑性本构方程。 采用欧拉描述时，应力状态是在变形态构形中描述的，大变形弹塑性卸载 准则与小变形弹塑性卸载准则形式上相同，只要把其中的应力采用柯西应力即 可：大变形弹塑性速率型本构方程也与小变形弹塑性速率型本构方程形式上相 1 4 西华大学硕士学位论文 同，只要把其中的应力张量变化率、应力分量和应力偏量分别采用柯西应力张 量的久曼导数、柯西应力分量和柯西应力偏量即可，在笛卡尔直角坐标系中， 柯西应力分量就是物理应力分量，应变速率张量的分量就是物理应变速率分量。 采用拉格朗日描述时，把欧拉描述的本构方程变换成拉格朗日描述的本构 方程即可。 ( 1 ) 有限应变弹塑性有限元单元刚度方程嘲： 陆了恤p 一 p p 一 f p ( 2 - 2 7 ) 式中l t 成为切线刚度矩阵； pp 称为节点外力载荷。 陆r k 。 + 【七。了+ 嘛于 p p 一缸p + q p ，r 是节点集中力，伊p 与已知的应力有关，为初应力内力节点力， qr 是外力面力和体力节点载荷。 ( 2 ) 整体增量刚度方程： 按照有限元法由单元刚度方程集合获得整体刚度方程的方法，把所有单元 增量刚度方程进行集合，即获得整体增量刚度方程。整体刚度方程的形式与单 元刚度方程的形式相同，即 【k