模具毕业设计46基于Dynaform的车门冲压成形过程仿真与坯料设计.doc
模具毕业设计46基于Dynaform的车门冲压成形过程仿真与坯料设计
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模具毕业设计46基于Dynaform的车门冲压成形过程仿真与坯料设计,机械毕业设计论文
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1 1 绪论 1.1 研究背景 车身覆盖件成型是一个复杂的变形过程，成型质量受许多的 因 素影响。传统冲压过程主要是依靠技术人员的经验来设计加工工艺和模具，然后通过试模生产来检验覆盖件是否符合产品的设计要求 。这样不仅产品的设计周期长而且消耗大量的人力物力。随着计算机软硬件技术、图形学技术、人工智能技术、板料塑性变形理论和数值计算方法等的发展以及与传统的工艺 /模具设计技术的交叉集成开创了利用CAD CAM/CAPP技术和 CAE数值模拟分析技术进行覆盖件成型工艺设计的新领域。 最近几年，随着计算科学的快速发 展和有限元技术应用的日益成熟， CAE技术模拟分析金属在塑性变形过程中的流动规律在现实生产中得到愈来愈广泛的应用。 CAE技术的成功运用，不仅大大缩短了模具和新产品的开发周期，降低了生产成本，提高企业的市场竞争能力，而且有利于将有限元分析法和传统的实验方法结合起来，从而推动模具现代制造业的快速发展，国内外已经有很多学者在这方面做了研究 1。 传统的汽车覆盖件模具因其体积大、工作型面复杂、设计周期长，已成为开发新车型的瓶颈。目前大多采用钢制模具来生产薄板类以及覆盖件类零件因此带来冲压模具制造周期长、成本高和加 工难度大等一系列问题，尤其是在零件的中小批量生产和新产品试制时，这些不足就更加凸显出来。对于成熟零件，探讨研究基于Dynaform的 CAE技术对汽车覆盖件及其冲压模具的设计过程进行仿真模拟分析 2。 在板料成形生产中，使用传统工艺试制模具耗时较多 不能适应竞争日趋激烈的现代市场，对成本、产品研发周期以及产品质量等方面提出了越来越迫切的要求。在传统的模具设计制造过程中，过多时间浪费在 “设计试制发现问题再设计再试制再发现问题 ”的循环中，因而成本耗费大，面对现代市场对产品更新换代目益加快的需要 ，原始 方法可是远远不能够解决问题的。相比之下，在模具设计过程中使用 CAD CAM CAE技术的优越性更为明显，国内虽有许多企业采用该技术并取得了一些经验和技巧，但能真正利用 UG、 Pro E， Deform及 Dynaform等大型软件进行模具的三维参数化设计与制造，并进行冲压仿真来指导设计的还不多。鉴于传统拉nts 2 深模具型面设计的种种问题，世界各发达国家都在大力发展该技术在模具型面设计中的应用。可以说，能否采用该技术是提高模具制造质量、设计效率 改变落后的模具设计制造方法的关键。 随着非线性理论、有限元方法和计算机软硬件的 迅速发展，车身覆盖件冲压仿真技术逐渐从实验室阶段走向工业实用阶段，成为国外发达汽车厂家缩短车身覆盖件开发周期，降低生产成本的利器 。为了确保产品设计的正确性和可行性，利用DYNAFORM软件在产品设计阶段的同时预测产品在成型过程中可能发生的问题，在设计过程中及时修改，从而有效的提高产品质量节约生产成本。因此，开展对汽车覆盖件成型的理论和实践研究具有重大的现实意义。 随着社会生产的发展和世界经济的一体化，对产品的要求越来越多样化，市场的竞争日趋激烈。制造企业为了生存，就必须提供市场上适销对路的、高质量的产品；与 此同时，为适应日新月异的市场，企业必须不断推陈出新，大大缩短产品的升级换代周期。对于现代制造企业来说，要求企业能够在尽可能短的时间内完成新产品的设计、试制、定型和生产，及时推向市场，在竞争中占据先发优势 4。 有限元系列软件正是迎合了人们的这种要求，利用有限元软件我们可以 帮助工程师和设计人员： 设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本； 提高工模具设计效率，降低生产和材料成本； 缩短新产品的研究开发周期。 DYNAFORM不同于一般的有限元程序，它是专为金属板料成形而设计的。它具有非常友好的图 形用户界面，可帮助用户很方便地进行准备数据和成形分析。这样，工程师们便可把精力主要集中在工艺分析上，而不是去学习烦琐的计算机系统。 DYNAFORM专为大变形问题设计了一个全自动的、优化的网格再划分系统是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理器、模拟器、后处理器三大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、成形条件的输入，建立边界条件，它还包括有限元网格自动生成器；模拟器是集弹性、弹塑性、刚 (粘 )塑性、热传导于一体的有限元求解器；后处理器是将模拟结果可视化，支持 0PGI 图形模 式，并输出用户所需的模拟数据。 DYNAFORM允许用户对其数据库进行操作，对系统设置进行修改，以及定义自己的材料模型等 5。 nts 3 1.2 成形过程仿真研究意义 汽车外门板翻边工序仿真的试验 ,提出了用毛坯反求来确定修边线的方法 ,实际生产应用表明这一方法是切实可行的。它不同于以往确定修边线都是从解析模式入手 ,仅仅从理论的角度来分析。因为影响翻边过程的因素很多 ,包括材料的力学性能、模具与工件之间的摩擦、翻边高度等 ,在理论分析中很难建立一个能全面考虑这些影响的模型 ,因而只能对一些简单的翻边零件进行分析。但是在仿 真分析中则可以很容易地综合各种因素的影响 ,运用毛坯反求的方法来确定翻边零件的修边线 ,整个过程都是在计算机中模拟 ,因此可以节省大量的人力和物力 ,对于更好地指导修边模的设计 ,缩短模具的开发周期具有重要 意义 。 1.3 国内外研究现状与发展趋势 1965年 “有限元 ”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛 应用 ，经历了三十多年的 发展历史 ， 理论 和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行 分析 ，得出满足工程精度的近 似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题 5 。 国际上早在 60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的 CAE软件是诞生于 70年代初期，而近 15年则是 CAE软件商品化的发展阶段， CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。这就使得 目前 市场上知名的 CAE软件，在功能、性能、易用性可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万的工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的 CAE软件主要有 DYNAFORM、 NASTRAN、 ADINA 、 ANSYS、 ABAQUS、MARC、 COSMOS等。 MSC-NASTRAN软件因为和 NASA的特殊关系，在航空航天领域有着很高的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为基础，兼nts 4 并了 PDA公司的 PATRAN，又在以冲击、接触为特长的 DYNA3D的基础上组织开发了DYTRAN。近来又兼并了非线性分析软件 MARC,成为目前世界上规模最大的有限元分析系统。 ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。 ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的 K.J.Bathe8教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。由于其在非线性求解、流固耦合分析等方面的强大功能，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件。 Dynaform软件是其中较为成功的一种它把LSDYNA、 LSNIKE3D强大的分析能力与 eta FEMB的流程化前后处理功能结合起来通过该软件进行数值模拟可以全面了解板料在变形过程中的应力和应变分布预测各种成形缺陷的出现。 纵观当今国际上 CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析 方法 的一些发展趋势：与 CAD软件的无缝集成，更为强大的网格处理能力，由求解线性问题发展到求解非线性问题， 由单一结构场求解 发展 到耦合场 问题 的求解，程序面向用户的开放性。 1.3.1 与 CAD软件的无缝集成 当今有限元分析软件的一 个发展趋势是与通用 CAD软件的集成使用，即在用 CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到 CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的 CAD软件（例如Pro/ENGINEER、 Epigraphic、 Solid Edge、 Solid Works、 IDEAS、 Bentley和 AutoCAD等）的接口。有些 CAE软件为了实 现和 CAD软件的无缝集成而采用了 CAD的建模技术，如 ADINA软件由于采用了基于 Para solid内核的实体建模技术，能和以 Para-solid为核心的 CAD软件（如 Epigraphic、 Solid-Edge、 Solid-Works）实现真正无缝的双向数据交换。 nts 5 1.3.2 更为强大的网格处理能力 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接 影响 到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入， 使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。 1.3.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题 随着科学技术的发展 ，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧， 学习 起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如 ADINA、 ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解nts 6 器、丰富而实用的非线性材料库， ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。 1.3.4 由单一结构场求解 发展 到耦合场 问题 的求解 有限元 分析方法 最早 应用 于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从 理论 上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得到的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生 的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题 ,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即 热力耦合 的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来 影响 到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓 流固耦合 的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为 CAE软件的发展方向。 1.3.5 程序面向用户的开放性 随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性 等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展 规律 等等。 关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是 CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道 8。 1.4 研究内容、 方法、手段 本课题主要研究内容包括以下几个方面： 1.通过有限元软件 DYNAFORM对冲压成形过程的仿真选择适合的材料。 2.利用 DYNAFORM的 BSE模块精确的计算毛坯的外形尺寸。 3.分析车门外板在冲压成型过程中可能会出现的局部减薄破裂、增厚起皱现象。nts 7 通过以预测，可以有效的提高产品的生产效率，减少单件的生产成本。 本课题选用 DYNAFORM软件对车门冲压成形进行数值模拟，因为 DYNAFORM对用户的工程背景及理论知识要求并不高，具有界面友好和方便以及操作流程自动的特点。图 1.1是应用 DYNAFORM进行车 门冲压成形模拟分析的方法过程。 从 PRO/E软件读入几何模型（ IGES） 有限元网格划分并进行模型检查 (M0dd Check) 定义成形工具 生成毛坯 设置成形参数 求解器计算 后置处理，分析计算结果得到排样、应力应变和厚度云图 图 1.1 DYNAFORM软件车门外板成形分析流程图 nts 8 2 板料成形有限元模拟的基本理论及方法 2.1 绪论 有限元法 (Finite Element Method)是随着计算机技术的发展而出现的一种有效的离散数值计算方法 10。目前在很 多领域得到了广泛应用，从力学领域发展到电磁学、热传导、流体力学和材料科学等领域。板料塑性成形是利用金属板料在固体状态下的塑性，通过模具以及外力作用而制成零件的一种加工方法，与切削加工等方法相比，板料塑性成形不仅具有更高的生产效率，而且能获得更高的材料利用率。随着计算机技术的发展，数值模拟方法越来越显示出巨大的优越性。为分析板材成形过程的成形缺限问题提供了一种崭新有效的方法。 2.2 板料成型有限元模拟的基本方法 数值模拟方法是建立在塑性成形过程力学分析的基础之上的。目前塑性成形的过程分析方法主要可分为两大 类：一类是近似的解析计算方法，其中包括主应力法，滑移线法，界限法，功平衡法等。这类方法一般用来计算成形过程所需的力和能。其优点是简便易行并能得到问题的解析解，但只适宜于简单的成形问题。另一类数值成形方法，其中包括有限差分法，有限元法和边界元法。这类方法能用于获得金属塑性成形过程中应力、应变、温度分布和成形缺陷等的详尽的数值解，能用于十分复杂的成形过程。有限元法是目前进行非线性分析的最强有力的工具，因此也已成为金属塑性成型过程模拟的最流行的方法。 2.2.1 塑性材料基本假设 金属塑性成形过程中，材料 塑性变形的物理过程相当复杂。为此必须做出一些假设，即把变形中某些过程理想化，以便于从数学上进行处理。对刚塑性 /刚粘塑性材料的基本假设如下 ; (1)忽略变形材料的弹性变形 ; (2)材料均质，各向同性 ; (3)材料体积不变 ; (4)不计体力和惯性力 ; nts 9 (5)材料的变形流动服从 Levy-Mises流动法则。 2.2.2 板料成型的理论计算过程 汽车外门板成形工艺主要有翻边冲压，翻边时的负载曲线可从保证板坯边缘危险段的变形速度恒定条件计算。过程可分成两个阶段： 形成边缘的圆柱段前； 形成边缘的圆柱段。这时假设，变形源不扩展到板坯与凸模的接触区内，而在第一阶段传递摩擦力区可保持原始板坯的型面。同样假设，边缘的母线长度在整个过程期间为恒定。所采取的假设和在其基础上形成的翻边计算公式已被实验结果证实。在理论分析的基础上得出了下列关系式，它可确定变形速度 v、应变力 E 变速度 和凸模几何参数的相互关系： 对第一阶段 : 2.1 对第二阶段： .2.2 式中 r 预孔半径 H 凸模行程 r边 孔边的流动半径 h=(v .E )lnr R 翻边后的半径 f1 描述凸模母线函数的反函数 图 1所示为用不同形状端头的凸模翻孔时的负载曲线。对参数 H和 r解方程 2.1和2.2后，当应变速度恒定时变形速度的恒定可通过优化凸模端头的形状来达 到。图 2所示为对不同速度条件描述凸模最佳母线的函数。 nts 10 图 2.1 用不同形状端头的凸模翻边时的负载曲线图 图 2.2 描述凸模最佳母线的函数 nts 11 3 有限元软件 dynaform综述 3.1 基本简介 目前，板料成形分析 CAE软件很多，有美国最大的有限元分析软件公司之一 ANSYS公司开发的 ANSYS，能与多数 CAD软件接口，实现数据共享和交换，有瑞士联邦工学院开发，后来成立了 AUTOFORM ENGINEERIN公司开发的 AUTOFORM，它是一款采用静态隐式算法求解及全拉格朗日理论的弹塑性有限元分析软件，以及由我国吉林大学汽车覆盖件成形技术研究所与吉林金网格模 具工程研究中心开发的 KMAS软件，还有美国 ETA公司和 LSTC公司联合开发的用于板材成形模拟仿真的专用软件， 选用 DYNAFORM软件对车门冲压成形数值模拟， DYNAFORM对用户的工程背景及理论知识要求并不高，具有界面友好和方便以及操作流程自动的特点。 eta DYNAF0RM软件是由 ETA公司研制的基于 LS-DYNA的板金冲压分析软件包，它把 LSDYNA、 LSNIKE3D强大的分析能力与 eta FEMB的流程化前后处理功能结合起来。 eta DYNAFORM分析的求解器是 LSDYNA和 LSNIKE3D，这两个程序是通用的、非线性的、动态的有限元分析程序，利用显式和隐式计算方法来解决结构及流体等问题，已经成功地应用于板金冲压的数值模拟。 DYNAFORM的主要功能包括分析拉伸、成形、弯曲、翻边、切边等板料成形过程中的不同工序，也可以进行多步成形 (或多工序加工 )分析。通过用户已定义好的冲压工艺及模具曲面形状来预测成形状态，其中包括减薄拉裂、起皱、回弹等各种问题；同时可以对成形力、压边力、拉伸筋、模具磨损等各种工艺问题进行分析，以便优化工艺和模具设计。 DYNAFORM的核心技术包括以下几个方面：动力显式积分 算法；板壳有限元理论的研究；本构理论和屈服准则 (材料模型 )；接触判断算法和网格细化自适应技术；多工步成形模拟技术； CAD CAM软件和成形过程模拟 CAE软件之间的数据转换技术； 建立有限元模型的若干技巧； 板材冲压成形模拟的一般过程。其主要特点包括前处理，求解器，后处理。 3.1.1 DYNAFORM前处理 DYNAFORM具有功能丰富的前处理功能。首先，它具有强大的图形文件导入功能，nts 12 能够方便而无数据丢失地读入 IGES格式文件以及 UG， PRO/E， CATIA等主流 CAD软件的图形文件，同时 用户也可以在 DYNAFORM中很方便地创建点，线，面等几何模型。做到从导入几何模型开始到计算结果的获得，无须用户再借助其他工具就可以方便地完成。其次， DYNAFORM具有强大的网格自动剖分功能。它不但可以得到高精度的工具网格，也可以产生出用户所需的四边形网格和三角形网格。用户只需要输入简单的控制参数就可以快速地获得复杂几何曲面网格，并且得到的网格质量非常高，使用户无须花费更多的时间对网格进行再修复，节省了大量的时间。再次， DYNAFORM中的最具需要导入产品曲面， DFE模块可以完成网格剖分，网格边界自动光顺 ，对称的定义，法兰的展开，冲压方向的调整，内部孔洞的自动补充，各种复杂压料面的产生，压料面的裁剪，各种工艺补充面的设计，拉延筋的设计和网格划分，载荷曲线的定义，模具的定位等一系列功能。方便用户在得到分析结果后对产品零件进行反复修改的操作过程。最后， DYNAFORM中的 BSE模块，可以帮用户快速地设计出坯料的形状，并且根据用户的要求提供各种实际应用中常用到的排样结果报告，做到充分利用材料，提高材料的利用率，节约成本。 3.1.2 DYNAFORM求解器 DYNAFORM的求解器采用了业界非常著名的非线性动力显 示有限元分析软件LS-DYNA。 LS-DYNA是采用显隐结合的算法进行板料成形模拟的最具有代表性的软件。它采用动力显示求解器模拟冲压成形过程，计算效率高，稳定性强。同时 LS-DYNA近几年来加强了隐式算法的开发，并且实现了显，隐式无缝集成的功能，在完成冲压分析后，自动切换到隐式求解器进行回弹分析。在回弹分析过程中，可以采用大的时间步长，提高回弹的计算效率。 LS-DYNA包括丰富的材料模型和单元模型，用户可以根据实际冲压的材料选择合适的材料模型和单元类型。此外， LS-DYNA的接触分析功能强大，现在具有 40多 种接触类型可以求解下列接触：变形体对刚体的接触，变形体对变形体的接触，变形体对刚体的接触，刚体对刚体的接触，板壳结构的单面接触，与刚性墙接触、变形体对刚体的接触、刚体对刚体的接触、板壳结构的单面接触等。因此，借助 LS-DYNA强大的求解能力，显式加载隐式卸载等。 LS-DYNA是目前业界公认的板料成形模拟结果准确性最好的软件之一 13。 nts 13 3.1.3 DYNAFORM的后处理 ETA-POST是 ETA公司开发的一款专门争对 DYNAFORM的后处理软件。它可以方便用户直观地得到求解结果。用户可以用云图显示板料变 形后的应力、应变信息，材料的厚度分布信息等。用户可以通过定义任意截面，得到截面上的各种结果信息。在 ETA-POST中新增加的 GRAP模块，使用户可以利用曲线图表功能显示拉深过程中各种参数随时间变化的曲线，如界面力的变化、拉延筋阻力的的变化、拉深力曲线等。 nts 14 4 汽车门外板的坯料展开 仿真过程设计 4.1 车门外板的结构及加工工艺简介 车门外板是一种平坦的浅拉伸件，材料一般为 08AI或合金钢材，料厚不超过 1mm的板材，要求外表面光顺平滑，棱线清晰，周边尺寸精度为 0.7mm，刚性好。产品轮廓图如图 4.1，由于 零件成形时凸模表面与毛坯以大平面接触，由于平面上的拉应力很低。材料得不到充分的塑性变形，这对增强零件的刚性不利。在产品 a处，为车外观造型而设置的装饰线容易使零件表面边缘在成形过程中产生表面不平。在产品 b处，由于内缘翻边较高 (H=20mm)，如果不采取措施而直接翻边成形，该处零件表面易出现不平；在门扣手 C处。由于深度及形状是决定其周围表面质量的主要因素，且此处在成形过程中材料的变形属于胀形，如果外界材料的补 图 4.1 车门外轮廓图 充不充分，则零件表面易在此处破裂。在临近窗口的下部 a处，加反拉伸的凹坑，可以吸收多余的材料，有利于制件表面松驰现象的消除。在零件的下部内缘翻边处 ,若拉伸时材料未充分变形，翻边后会 出现零件表面不平。 综上所述，汽车外车门成形工艺研究主要是翻边，翻边是利用模具把板料上的孔缘或外缘翻成竖边的冲压工艺，翻边工艺可加工形状较为复杂且有良好刚体的立体制件，还能在冲压件上制取与其他零件装配的部位（如螺纹孔和轴承孔等） .翻边可以替代某些复杂零件的拉深工序，改善材料塑性流动以免发生破裂或起皱。用翻边代替 “先拉深后切底 ”的方法制取无底零件，可减少加工次数，并节省材料。孔翻nts 15 边的工艺参数，翻边底孔的粗糙度直接影响工件质量，如孔边有毛刺存在，就会导致翻口的破裂。因此，冲压的方向直接影响翻边的工艺性。 车门 外板在冲压翻边过程中会出现很多的问题，这将直接影响产品的成型性能，对其翻边工艺进行成型工艺仿真主要是模拟产品在生产过程中可能发生的问题，通过仿真试验改进生产工艺和模具从而有效的避免不当设计的发生，试验研究的主要内容是根据成型工件在 DYNAFORM软件中成形极限云图和厚度变化图以及应力分布情况来检测车门的外观造型，材料选择和成形参数是否合理。然后确定坯料尺寸。 4.2 研究的具体方法 4.2.1 建立汽车外门板的几何模型 根据车门的总体尺寸用三维软件 PRO/E绘制汽车车门外板的模型，车门靠近轮胎部位的冲压翻边 深度为 20mm如图 a部位 ,车窗及拉手部位如图 b部位的冲压翻边深度为 5mm,翻边的方向相同 ,模型如图 4.2 所示： 图 4.2车门外板模型 模 型 绘 制 完 毕 后 并 转 换 为 曲 面 IGES 格式保存 , 设 置 文 件 名 为CHEMEN_MODELL.iges nts 16 4.2.2 导入 DYNAFORM软件 在 DYNAFORM软件中打开坯料工程模块导入 CHEMEN_MODELL.iges文件 , 该文件自动识别为当前层 ,打开的界面如图 4.3所示 ， 车门翻边的 a部位自动初步划分网格 ， 保存数据到指定的工 作目录 .选择文件另存为 ,输入 CHEMEN_MODELL.df后 ,保存并退出对话框。 图 4.3 IGES格式文件导入后的当前界面 4.2.3 编辑数据库中的零件层 在 DYNAFORM中 ,所给的零件名称是任意的 ,为了方便识别设置修改当前的零件层名称为 BLANK ，保存编辑后的零件层，具体方法如图 4.4所示： nts 17 图 4.4 编辑修改零件层名称 4.2.4 网格划分 网格划分的好坏对模拟的精确和计算时间有一定的影响 .一般来说 ,在弯曲变形较大的部位划分的密一些 .在变形较小的部位网格划分比较稀疏一些 .由车门的翻边部位弯曲程度为 90度直角，为了较好地反映数据变化情况，设置尺寸参数为 20,曲面边界裂缝为 5，网格划分的具体界面与如图 4.5： 图 4.5 车门网格化参数的设定 对工件进行网格化后查看网格品质检验结果，记下单元和品质信息， 该产品模型的总单元号为 2480个，失败的单元个数为 217个，失败单元比例为 8.7%，产品的失败单元号少于 10%可以进行模拟仿真分析，如图 4.6 nts 18 图 4.6 网格品质结果检验信息 4.2.5 网格检查 为了防止网格中存在一些潜在的，影响模拟的缺陷，需要检验网格的质量，检验项目包括单元翘曲角检查 ,模型边界显示 ,自动一致平面法向 ， 设置单元翘曲角检查标准为 3.0度，模型边界显示功能检查网格上的间隙，空洞，退化的单元，然后以高亮的边界显示完毕后保存数据，具体检验的项 目如图 4.7. nts 19 图 4.7 网格边界检查界面 4.2.6 MSTEP模块参数设置 打开 MSTEP模块，并选择 sheet键进行设置，设置相应的参数加载材料，在没有定义前 a所指的线条为红色，加载后为绿色，如图 4.8所示： 图 4.8MSTEP模块界面 分别选择材料厚度为 0.8mm和 1mm的 36#合金板料，由 36#材料考虑了材料的各向异性，在回弹过程中一般不会出现收敛的问题，导入 US标准的材料类型为 36#型号 为 AA009、厚度为 0.8mm的板料，其性能参数如图 4.9: nts 20 图 4.9 AA009材料性能参数 再导入 US标准材料类型为 36#厚度为 1mm的 DQSK型号材料钢材性能参数： 图 4.10 DQSK材料性能参数 完成材料定义后保存并启动 MSTEP求解器进行求解运算 .获得坯料的展开轮廓图及外形尺寸如图 4.11所示为车门的坯料展开图 ： nts 21 图 4.11 坯料展开轮廓图 在板料成形过程中，影响冲压成形结果的因素很多，包括模具的形状和结构、拉延筋参数、板坯的大小、厚度及材料流动、压边力、摩擦和润滑等情况。其中毛坯初始形状对冲压成形结果有很大的影响，当毛坯初始形状不合适时，冲压件很容易产生破裂和起皱等缺陷，甚至根本不能成形。而在有些情况下，当其他冲压条件比较适合时，通过改善毛坯的初始形状就有可能使原本失败的冲压件获得成功。所以在板料冲压成形中，如何确定合理的毛坯外形就显得非常重压，合理的毛坯外形不仅可以节省材料，防止冲压拉伸在成形时开裂、起皱等缺陷，还可以获得均匀的板厚，并且有助于减少拉深时所需的冲压力，从而减少模具的磨损。通过计算的坯料尺寸，有效的指导生产。 4.2.7 启动后处理 点击 DYNAFORM的后处理键 ， 打开 CHEMEN_MODEL.mstep文件 ， 界面出现如图 4.12产品模型 ， 检查模型后 ， 设置相应的颜色和大小并保存文件。 nts 22 图 4. 12产品模型 4.2.8 成型极限图（ FLD）分析 打开 FLD功能键对所得的图标进行分析，从图 中可以看到车门模型上颜色的变化情况，根据颜色的变化，模拟检验坯料生成成品时可能出现的起皱和破裂情况，从图 4.14中可以看到材料为 AA009厚度为 0.8mm的板材在成形后节点几乎全部集中在安全区，只有少量在起皱趋势区 (a部分 )，并且不影响产品的外观造型，没有节点处于破裂区和破裂危险区。所以这种情况能够比较好适用于批量生产。而选择材料为 DQSK厚度为 1.0mm的板材后 ,成形极限图如图 4.13所示 ,在 a部分有明显的起皱现象 ,影响了产品的外观造型，不宜于产品的批量生产。 图 4.13 DQSK材 料厚度为 1.mm的 FLD图 nts 23 图 4.14 AA009材料厚度为 0.8mm的 FLD图 FLD图中颜色变化自上而下的颜色变化为红、黄、绿、蓝、粉红，其显示色系的意义如下： 1)红色区 破裂 2)黄色区 有破裂危险的区域。 3)绿色区一一正常变形过程属安全变形。 4)蓝色区 拉压变形区 安全变形。 5)粉红色区 起皱区。 图 4.15 AA009材料厚度为 0.8mmFLD放大图 对成形极限图的分析，相邻两色之间的区域在图 中表示临界区对应的曲线则表示临界曲线。成形极限图可以有效的预见工艺规程的危险性：如果板料单元实际变形落于临界区则说明很危险废品率较高， 如果实际应变值落在临界曲线上说明有nts 24 相当的危险应对各条件须严格控制；而如果落在远离临界曲线的地方，则说明过分安全，还有变形潜力。由图 4.15最终变形的 FLD图可知，板料单元进行冲压成形时，其大多数变形区落在安全区内，向上仍有继续进行拉深变形的潜力，少部分单元有发生起皱的趋势。结合产品模型，起皱趋势区的部位不影响产品的成形质量。 4.2.9 厚度变化图 材料为 AA009的成 形工件的厚度变化如图 4.17， 基本可以看出产品的成形结果。板料在拉伸过程中有局部增厚和减薄现象，图中拉伸最薄点，图示是 a区最终厚度为0 74611mm，拉伸最厚点，图示的 b区，最终厚度为 0.811796mm。图中拉伸过程厚度曲线图，基本符合汽车覆盖件的冲压要求。在实际生产中，把棱角部分改得圆滑一点即可得到合格的拉冲压件。一般认为在成形部分增厚不超过 10%,减薄不超过 30%，都可以接受，在厚度变化图中，无论是增厚率还是变薄率都没有超过要求。材料为DQSK的成形工件的厚度变化如图 4.16,在 a所示的部位有明显的 起皱现象啊 ,而且在 b部位有拉破的危险 ,最终厚度为 0.932637mm,减薄超过 30%，不适合投入设计生产 . 图 4.16 DQSK材料车门外板的厚度分布 nts 25 图 4.17 AA009材料车门外板的厚度分布 图 4.18 AA009材料车门的第一主应变图 nts 26 图 4.19 AA009材料车门的应力分布情况 从图 18中的 b部分所示为第一应变最大的区域，但都在材料容许的范围内 ，不影响成形结果。图中 a所示的区域应变力最大，在厚薄图中这几处也是变化最剧烈的地方，所以从厚度图中分析的结果看，还是比较符合的。 4.2.10 产品排样 关闭后处理界面，选择 BSE模块的 BSE Development对话框，输入设置生产量为100件，材料价格为 0.8美元 /KG，板材的厚度为 0.8mm材料类型为 AA009,排样如图 20。 图 4.20 排样输出 nts 27 AA009 和 DQSK 材料输出报告表 ： 排样结果报告 （表一 0.8mm） 日 期 : Jun 13 2007 文件名 : CHEMEN_model.htm 文件单位 : MM, KG, SEC, N 附加注释 : 材料类型 AA6009 材料厚度 0.8 mm 件间距 4.0 mm 搭边 1.6 mm 过渡面 0.0 mm 产量 100 条料长度和重量 0.0 mm & 0.0 kg 材料基础价格 0.8 $/kg 材料额外价格 0.2 $/kg 废料价格 0.6 $/kg 可消费价格 0.5 $/blank 排样结果图 : 步距 1386.523 mm 总产量成本 373.392 $ 条料宽度 1230.891 mm 总废料价值 45.246 $ 材料利用率 79.544 % 废料率 20.456 % 旋转角 90.0 deg 净重 /件 2.932 kg 毛重 /件 3.686 kg 废料重 /件 0.754 kg 坯料周长 4599.58 mm 最小冲裁力 36.797 ton 条料数 0(0.0) 总材料价格 /件 3.734 $ / blank Report generated by ETA/DYNAFORM-BSE, nts 28 排样结果报告 （表二 1.0mmDQSK 材料） 日期 : Jun 13 2007 文件名 : CHEMEN_model.htm 文件单位 : MM, KG, SEC, N 附加注释 : 材料类型 DKSK 材料厚度 1.0 mm 件间距 2.5 mm 搭边 1.0 mm 过渡面 0.0 mm 产量 100 条料长度和重量 0.0 mm & 0.0 kg 材料基础价格 0.6 $/kg 材料额外价格 0.2 $/kg 废料价格 0.5 $/kg 可消费价格 0.41 $/blank 排样结果图 : 步距 1385.021 mm 总产量成本 444.861 $ 条料宽度 1229.691 mm 总废料价值 55.989 $ 材料利用率 79.708 % 废料率 20.292 % 旋转角 90.0 deg 净重 /件 3.665 kg 毛重 /件 4.599 kg 废料重 /件 0.933 kg 坯料周长 4599.58 mm 最小冲裁力 45.996 ton 条料数 0(0.0) 总材料价格 /件 4.449 $ / blank Report generated by ETA/DYNAFORM-BSE, 从产品的排样报告中可以得生产 100件成品如果选择厚度为 0.8mm的 AA009的nts 29 型号材料，其生产成本明显低于选择厚度为 1mm的 DQSK材料，可以使单件的价格低到 3.737美元 /件，生产过程中所使用的最小冲裁力为 36.797ton,能够降低冲压设备的吨位，有效的降低模具和设备的磨损，并且经过对模型的 FLD图、厚度变化图、应力变化图分析， 0.8mm厚的 AA009材料在冲压翻边成形过程中不会出现破裂和明显的起皱现象，材料的利用也比较率较高，适合于批量投入生产生产。 4.2.11 车门的动画仿真过程 （见视频文件） 图 4.21 冲压示意图 nts 30 6 总结 针对车门外板的造型特点和材料的性质。并通过 DYNAFORM软件对坯料进行模拟分析得出以下结论： 1.利用 DYNAFORM的坯料工程模块能够较准确的计算出产品的毛坯 ,并且选择的AA009型号材料塑性比 DQSK型号材料好 ,适合于车门外板的冲压成形 . 2. 选择 0.8mm厚度 AA009型号材料的板材在冲压过程中不会出现破裂和起皱等缺陷 ,比 1.0mm厚度的 DQSK型号材料具有更低的生产成本 (成本低到 3.737美元 /件 ),更小的冲裁力 (最小冲裁力为 36.797ton)等优点 . 3、 采用 DYNAFORM软件进行车门的成形仿真，可以准确得产品的毛坯数据，预测产品在成形过程中可能出现的缺陷 ,估算产品的造价等 ,
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