第九讲_汽车覆盖件拉延模具设计20121018

1、汽车覆盖件模具设计,电 话e-mail: 答 疑：周三下午4:00 力行楼 S304,今日安排 温故知新 变形特点与变形程度 翻边模的扩张结构与缩小结构 今日新授 翻边凹模镶块的交接 翻边模结构示例 第六章 汽车覆盖件模具数字化设计,第五章 翻边模设计,5.1 翻边的基本概念 5.2 翻边模分类 5.3 翻边模的扩张结构与缩小结构 5.4 翻边凹模镶块的交接 5.5 翻边模结构设计示例,5.1 翻边的基本概念,翻边工艺：将半成品工件的一部分材料相对于另一部分材料发生翻转的冲压工艺。 根据翻边的冲压方向不同，翻边模可分为： 垂直翻边； 水平翻边。,一、翻边件的形状特点

2、1.平腹板直线翻边 2.平腹板凸曲线翻边 3.平腹板凹曲线翻边 4.凸腹板翻边 5.凹腹板翻边 6.封闭状窗口翻边,变形特点和变形极限,1.弯曲变形性质： 变形区集中在弯曲圆角处，板后方向中性层以内受压，中性层以外受拉，变形程度主要取决于弯曲半径的大小。 变形极限用最小弯曲半径表示。 2.纯翻边变形性质： 圆孔翻边的变形区主要在翻边展开孔d0和翻边轮廓孔型之间的环形毛料上，翻边时d0逐渐变大，边缘拉伸量最大，主要成形危险是发生裂口。,3.凹曲线翻边变形程度,4.凸曲线翻边 变形程度,5.2 翻边模分类,一、垂直翻边模 二、斜楔翻边模 三、斜楔双面开花翻边模 四、斜楔圆周开花翻边模 五、斜楔双面

3、向外翻边模 六、内外全开花翻边模,5.3 翻边模的扩张结构和缩小结构,一、翻边凸模扩张结构和翻边凹模缩小结构 双斜楔窗口插入式翻边凸模扩张结构 单斜楔双滑块式翻边凸模扩张结构 双斜楔双滑块式翻边凸模扩张结构,5.4 翻边凹模镶块的交接,1.在翻边上预制缺口,翻边凹模运动方向和翻边轮廓表面法线方向一致，以减小侧压力和防止翻边位置窜动。,2.不同翻边方向的凹模镶块交接,5.5 翻边模结构设计示例,一、垂直翻边模结构 二、斜楔双面开花翻边模结构 三、气缸装在滑块内的翻边模 四、吊楔翻边模 五、双重斜楔滑块翻边模 六、简易翻边整形模,垂直翻边模,斜锲两面开花翻边模,复位气缸装在滑块内的翻边模,吊 楔

4、翻 边 模,双重斜楔滑块翻边模,简易翻边整形模,翻边模设计要点,第六章 汽车覆盖件模具数字化设计,第一节 汽车覆盖件模具数字化设计概述,第二节 覆盖件模具的逆向设计,第三节 覆盖件冲压仿真分析,第一节 汽车覆盖件模具数字化设计概述,汽车覆盖件三维CAD系统架构,准备工作,测量,点云处理,覆盖件曲面重构,覆盖件建模,模具设计,模具详细设计,冲压工艺仿真,结果可行,否,是,图6-3 基于逆向工程的汽车覆盖件模具设计流程,三 维表面测量方法,三维表面数字化测量方法分类,三维测头测量示意图,高 精 度 摄 影 测 量 系 统,1. 一组镜头，可调成两种扫描范围：400X300mm和200X150mm，

5、适合大部分工业零部件包括轿车白车身的三维扫描和逆向设计。2.全自动参考点拼接；3.投影灯泡寿命可达到3000小时；4.碳纤维材质，优异的热稳定性,可长时间连续工作,适合车间环境；5.能扫描黑色物体；6.能与摄影测量系统配套；7.能直接输出STL文件。,板料有限元仿真流程图,覆盖件几何建模,前置处理,仿真求解,后置处理,设计评估,输出结果,不满意,满意,一般评估流程,显式算法与隐式算法的比较,S形梁成形过程分析,S梁是NUMISHEET国际会议的一个标准考题。 本列主要介绍： QuickSetup（快速设置）； 分析参数设置； 后处理分析； 标准的拉延模拟的概念 有限元建模步骤 掌握板料成型有限

6、元模拟和分析的完整步骤,动画文件保存路径： F/dy_ex_df1.avi,厚薄图,变薄率图,第一主应变图,圆形网格图,矢量图,总变形图,最大VONMISE应力图,最大剪切应力图,分析报告,1.根据模拟说明板料的可成形性；（一般认为变薄率在30%以内）； 2.报告应当包含客户所有需要的信息； 3.给出模拟分析的最终结论和或建议。 报告的内容： 报告首页；FLD、材料流动、厚度分析、应变、应力、受力状态、毛坯在不同位置的形状等。,6.1 三维应力状态,第六章 空间问题的有限单元法,6.2 空间结构的离散化,6.3 简单四面体单元,6.4 20结点等参元,6.5 ANSYS空间问题计算示例,6.1

7、 三维应力状态,工程结构一般都是立体的弹性体。受力作用后，其内部各点将沿x、y、z坐标轴方向产生位移，是三维空 间问题，其应力状态如图6-1所示。,图6-1 空间结构应力状态,各点沿x、y、z方向的位移以u、v、w表示，这些位移为各点坐标的函数，即：,u=u( x、y、z) v=v( x、y、z) w=w( x、y、z),第六章 空间问题的有限单元法,由弹性力学知，应变与位移间的几何关系是,(6-1),三维弹性体的应变分量，用矩阵表示为,(6-2),第六章 空间问题的有限单元法,弹性体受力作用，内部任意一点的应力状态也是三维的，用列向量表示为,在线弹性范围内，应力与应变间的物理关系矩阵表达式为

8、,对于各向同性弹性体，在三维应力状态下，弹性矩阵 的形式为,(6-3),(6-4),第六章 空间问题的有限单元法,6.2 空间结构的离散化,空间问题所选用的单元形状如图6-2所示。,四结点四面体单元 (b) 八结点平行六面体单元 (c) 八结点任意六 面体单元,(d) 二十结点任意六面体单元 (e) 八结点板壳单元 (f) 四面体组合体,图6-2 空间结构单元类型,第六章 空间问题的有限单元法,其中，最简单的空间单元是四面体单元。采用四面体单元和线性位移函数处理空间问题，可以看作是平面三角形单元的推广。 如图6-2(f)所示，一个平行六面体可由5个四面体组成，其基本单元仍是四面体。它们分别由如

9、下结点组成： 2347，1245，2475，2675， 4758。,6.3 简单四面体单元,6.3.1 形状函数,图6-2(a)表示任一简单四面体单元，其中四个结点编号设为 i、j、m、n (或1、2、3、4)。单元变形时，各结点沿x、y、z方向上的位移，以列向量表示为,第六章 空间问题的有限单元法,单元变形时，单元内各点也有沿x、y、z方向的位移u、v、w，一般应为坐标x、y、z的函数。对于这种简单的四面体单元，其内部位移可假设为坐标的线性函数， 为满足变形协调条件，取为,(6-5),式(6-5)含有12个待定系数a，可由单元的12项结点 位移决定.将4个结点的坐标值代入式(6-5)的u式中

10、。 i、j、m、n共4个结点，分别有,(6-6),第六章 空间问题的有限单元法,由式(6-6)求出 、 、 和 ，再代回式(6-5) 中，整理后得,其中,式中，V为四面体的体积，且有,(6-7),第六章 空间问题的有限单元法,为使四面体的体积V不为负值，在右手坐标系中，使右手旋转按着由i- j- m的转向转动时，是向法向n方向前进。 用求位移u的同样方法，可求得,将位移的3个线性方程形成的线性方程组用矩阵 表示为,(6-8),式中,(6-9),第六章 空间问题的有限单元法,6.3.2 单元刚度矩阵,将式(6-8)代入几何方程式(6-2)，经过微分运算，可 得单元内应变为,(6-10),式中,(

11、6-11),简单四面体单元内，各点的应变都是一样的，这是一种常应变单元。这一点与平面问题的简单三角形单元相似，由于单元内位移都假定为线性变化的，因而由位移一阶导数组成的应变也为常量。,第六章 空间问题的有限单元法,同样，用虚功原理建立结点力和结点位移间的关系式，从而得出简单四面体单元的刚度矩阵。,(6-12),(6-13),按结点分块表示，此单元刚度矩阵可表示为,(6-14),其中任一子矩阵为,第六章 空间问题的有限单元法,(r=i、j、m、n， S=i、j、m、n ) (6-15),其中,弹性体三维（空间）问题的原始平衡方程组，即,其中,6.3.3 整体结构载荷列向量,整体结构的结点载荷列向

12、量,(6-16),式中,单元上集中力等效结点载荷列向量； 单元上表面力等效结点载荷列向量； 单元上体积力等效结点载荷列向量； 单元结点载荷列向量。,第六章 空间问题的有限单元法,等效结点力公式为,式中,6.4 20结点等参元,6.4.1 形状函数,为适应三维结构的曲面边界，可以采用曲面六面体单元。正方体基本单元内任一点与实际曲面单元内的点一一对应，结点也一一对应。这里，实际单元边界线中间的结点9、10、20，都“映射”成为正方体的棱 边中点。,第六章 空间问题的有限单元法,(a)直角坐标系与实际单元 (b) 自然坐标系与基本单元,图6-3 20结点三维等参单元,位移函数和几何坐标的变换式应取为

13、相同的参数，其坐标变换关系可表示为,(6-17),则单元的位移函数可写成,第六章 空间问题的有限单元法,(6-18),在自然坐标系中，各结点的形状函数可写成如下形式 对于8个顶角结点（ i1，2，8）,式中 xi、yi、zi结点i的坐标； ui、vi、wi结点i沿x、y、z方向的位移； Ni对应于i结点的形状函数。,对于 的边上点（i9，11，13，15）,对于 的边上点（i10，12，14，16）,第六章 空间问题的有限单元法,对于 的边上点（i17，18，19，20）,(6-19),6.4.2 单元刚度矩阵,三维变形状态下，一点的应变与位移的几何关系为,(6-20),第六章 空间问题的有限

14、单元法,式中 为单元结点位移列向量，而单元应变转换矩阵 B可按结点分块表示为,其中每个子矩阵又可分为上下两块，有,（i1，2，20）,(6-21),单元的刚度矩阵为,第六章 空间问题的有限单元法,(6-22),为便于以下计算，弹性矩阵D可分块写为,(6-23),令 ,则 ，,为6060的方阵，可按结点写为子块形式,第六章 空间问题的有限单元法,式中第i行j列的子矩阵为,(6-24),将(6-20)、(6-22)分块式代入(6-23)，其被积函数可写为,(6-25),式中,与式(5-9)相似，按坐标变换式(6-17)，应有,第六章 空间问题的有限单元法,同样可有,(6-26),三维六面体的雅可比

15、矩阵为,(6-27),同理可采用三维高斯求积公式计算单元刚度矩阵。即,第六章 空间问题的有限单元法,式中，L，M，N为沿 、 、 方向的积分点数目，而积分点坐标 及权重 可由高斯积分表查得。,6.5 ANSYS桁架结构计算示例,6.5.1 问题描述,如图6-4所示，一个圆柱实体。柱高0.2m，圆柱横截面直径为0.1m。约束方式：底面全约束。承受载荷：,第六章 空间问题的有限单元法,A点承受Z方向集中载荷Fz=5000N和Y方向集中载荷 Fy=-5000N；B点承受X方向集中载荷Fx=5000N；C点承受Z方向集中载荷Fz=-5000N；D点承受X方向集中载荷 Fx=-5000N。弹性模量为EX

16、=210GP，泊松比=0.3。,图6-4 圆柱实体示意图,6.5.2 ANSYS求解操作过程,打开Ansys软件，在Ansys环境下做如下操作:,第六章 空间问题的有限单元法,（1）选择单元类型 运行PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，弹出Element Types对话框，如图6-5所示。然后单击 Add，弹出Library of Element Types窗口，如图6-6所 示，选择SOLID45单元，单击OK。,图6-5 单元类型对话框,图6-6 单元类型库对话框,第六章 空间问题的有限单元法,（2）设置材料属性 运行PreprocessorMa

17、terial PropsMaterial Models，弹出如图6-7所示对话框。双击Isotropic，弹出Linear Isotropic Properties for Material Number1对话框，如图6-8所示，在EX选项栏中设置数值2.1e11，在PRXY选项 栏中设置数值0.3。设置完毕单击OK按钮。,图6-7 选择材料属性对话框,图6-8 设置材料属性对话框,第六章 空间问题的有限单元法,（3）建立模型 运行PreprocessorModelingCreateAreasRectangle By 2 Corners，弹出如图6-9所示对话框，在WP X选项栏中填写0，在W

18、P Y选项栏中填写0，在Width选项栏中填写0.05，在Height选项栏中填写0.2，点击OK。生成如图 6-10所示图形。,图6-9 两点建立矩形对话框,图6-10 生成的长方形面,第六章 空间问题的有限单元法,将长方形旋转成柱体，运行 PreprocessorModeling Operate ExtrudeAreasAbout Axis，弹出如图6-11所示拾取框。选择图7中长方形后弹出单击OK，再选择长方形左上角和左下角结点后，单击OK.。弹出如图6-12所示对话框。在ARC选项栏中填入旋转角度360度，设置完毕单击OK按钮，生成如图6-13所示 圆柱体。,图6-11 拾取对称轴对话

19、框,图6-12 设置绕轴旋转参数对话框,图6-13 圆柱模型,第六章 空间问题的有限单元法,运行MeshingSize CntrlsManualSizeGlobalSize弹出如图6-14所示对话框，设置SIZE选项栏中的数据为0.01。运行MeshingMeshVolumesFree自由划分网格后得到如图6-15所示图形。,图6-14 设置网格尺寸对话框,图6-15 圆柱有限元模型,（5）施加约束 运行SolutionDefine LoadsApplyDisplacement On Areas，拾取圆柱的底面，施加全约束。,第六章 空间问题的有限单元法,（6）施加载荷 显示图形的关键点，运行PlotCtrlsNumbering弹出如图6-16所示对话框，激活KP Numbers后面的选框，使它变成on形式。选择菜单Soluti