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汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化,汽车,保险杠,成型,组件,有限元分析,工艺,优化
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北华航天工业学院毕业论文汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化摘 要近年来，随着环境污染、能源枯竭等问题的日趋严重以及国家政策的支持和鼓励，汽车轻量化已越来越被人们所重视，且已逐渐成为当前和未来汽车技术发展的主要方向。基于此，在汽车车身及其零配的件的材料选择上，人们越来越关注材料本身的重量。其中，铝合金板材作为一种低密度、高强度、可塑性强的金属材料，受到了越来越多汽车厂商的青睐。然而，在板料成形技术中，起皱、断裂、变形不足和回弹等质量问题也越来越突出， 这不仅造成了大量的材料浪费，还严重制约了铝合金板材在汽车制造中的使用。因此，探索出一种适合铝合金板材冲压成型的优秀工艺，成了当前众多汽车厂商研究的重点。本文将利用有限元分析软件ANSYS Workbench对汽车保险杠中铝成型组件的冲压成型进行分析研究，找出导致其出现质量问题的主要因素，并结合分析结果尝试对现有的冲压工艺进行合理优化，达到提高成品率的目的。关键字 有限元分析 铝成型 工艺优化Finite Element Analysis and Process Optimization of Aluminum Brackets for Automobile BumperAbstractIn recent years, with the environmental pollution, energy depletion and other issues become increasingly serious and national policy support and encouragement, automotive lightweight has been more and more attention, and has gradually become the current and future development of the main direction of automotive technology The Among them, the aluminum alloy sheet as a low-density, high strength, plasticity of the metal material, by more and more car manufacturers of all ages. However, in the sheet metal forming technology, wrinkling, rupture, deformation and rebound and other quality problems are more and more prominent, which not only caused a lot of material waste, but also seriously restricted the use of aluminum alloy sheet in the automotive industry The Therefore, to explore a suitable for aluminum alloy sheet stamping of the excellent process, has become the focus of many car manufacturers.In this paper, the finite element analysis software ANSYS Workbench is used to analyze the stamping of aluminum forming components in automobile bumper, and the main factors leading to its quality problems are found out. Combining with the analysis results, the existing stamping process is optimized reasonably, To achieve the purpose of improving the yield.Key words Finite element analysis aluminum forming process optimization目录第1章 绪论11.1 引言11.2 汽车保险杠铝成型组件工艺优化的科学意义11.3 汽车保险杠铝成型组件质量问题的国内外研究状况11.3.1 国外研究情况21.3.2 国内研究情况21.4汽车保险杠铝成型组件的发展趋势21.5汽车保险杠铝成型组件缺陷分析31.5.1起皱31.5.2破裂41.5.3回弹51.6本文研究的主要内容51.7本章小结6第2章 板材冲压有限元分析理论72.1 ANSYS Workbench软件介绍72.2 材料的特性72.3 材料的屈服准则82.3.1 Tresca 屈服准则82.3.2 Von Mises 屈服准则92.4材料的硬化准则92.4.1各向同性硬化准则92.4.2随动硬化准则102.5 冲压过程应力加载和卸载法则112.6 冲压过程接触算法112.6.1 拉格朗日算法122.6.2 罚函数接触算法122.6.3 非线性罚函数接触算法12第3章 保险杠组件冲压成型工艺153.1 保险杠组件冲压成型的的工艺特点153.2 保险杠组件冲压工艺的详细说明163.3 本章小结20第4章 有限元分析过程及结果214.1概述214.2 分析流程及结果214.2.1分析流程214.2.2 分析结果254.3 本章小结26第5章 工艺优化内容及结果275.1 工艺优化的注意事项275.2 工艺优化的内容275.3 优化效果305.4 本章小结30致 谢31参考文献32第1章 绪论1.1 引言近年来，由于人们人们生活水平的不断提高，对衣食住行的要求也越累越重视。汽车最为一种最常见的交通工具，为人们的出行提供了极大的方便，因此汽车的保有量近年来出现了持续增长的趋势。据统计，2016年新注册登记的汽车达2752万辆，保有量净增2212万辆，汽车总保有量已达1.94亿辆，均达到历史新高。另一方面，由于环境污染、空气恶化等社会问题日趋严重，节能环保的问题也开始得到人们的重视。在汽车制造领域，越来越多汽车厂商开始重视汽车的减排问题，都致力与研发同时兼顾节能、环保和安全三个优点为一体的新时代汽车。研究发现，通过减轻汽车自重来减少能源消耗效果可谓说是立竿见影，据统计：汽车每减重10%，油耗可降低 6%8%，车身质量占汽车总质量的 40%60%，因此，可以说，减轻车身重量对于节约能源减少排放有着十分重要的作用。当然，减轻车身质量并不是盲目为之，而是必须在保证不影响汽车安全和性能的前提下，最大可能地减轻车身的质量。传统的高强度钢材料尽管有许多优良性能，但对于减轻车身重量而言，显然不尽人意。随着材料技术的发展， 很多轻质材料诸如铝合金等材料运用越来越广泛，运用铝合金等轻质制造车身及汽车配件不仅为车身轻量化提供了巨大的发展空间，而且与传统的高强度钢相比相比具有密度小、耐锈蚀易成型等优点，因此，铝合金材料在车身上的使用量越来越多，已经逐渐成为减轻车身质量化技术中取代钢材的主要材料之一，在汽车轻量化中，铝合金等轻质材料做出了不可磨灭的贡献。然而，在实际的生产制造过程中，由于铝合金板与传统钢板的冲压成形特性并不完全相同，尤其是汽车车身覆盖件冲压成型工艺中常见的起皱、破裂、回弹等问题，根本无法完全借鉴钢板成形方面的经验来解决， 导致实际生产过程中由于零件产生因质量问题而无法满足外观使用、装配性等要求，所以，对铝合金车身覆盖件的质量研究正成为汽车车身成形技术的前沿和热点。1.2 汽车保险杠铝成型组件工艺优化的科学意义汽车保险杠是汽车上一个重要的结构部件，承受着汽车碰撞时的巨大冲击力，对汽车的安全性起着至关重要的作用。其中，保险杠结构中的部分组件采用铝合金板材冲压成型，而在成型过程中极易出现起皱、破裂、变形不足和回弹等质量问题，若能通过合理的工艺优化，解决此类质量问题，那么不仅能使车身轻量化的研究更进一步，对于众多汽车厂商来说，还能大大节约成本，提高运营利润。1.3 汽车保险杠铝成型组件质量问题的国内外研究状况汽车保险杠铝成型组件属于板材冲压成型件，而对于此类由板料冲压成形的零件容易出现的常见缺陷问题，自上世纪50年代以来，国内外大量学者针对这些问题进行了深入的理论分析、模拟和实验研究。1.3.1 国外研究情况从上世纪50年代起，R.Hill、F.J.Gardiner 、F.Proska 等人通过多年探索研究，在板料成形及回弹分析方面取得了初步进展，为后续的研究奠定了理论基础。随后，F.Fenoglietto 等人尝试通过对弹性模量的研究，找出其对板料回弹的影响。A.M.Prior建议将板料成形模拟的静态隐式算法和动态显示算法结合起，以此来求解回弹问题是一种十分的方法。随着人们不断的追求车身轻量化并将铝和强度钢等材料大量用于车身上。板材冲压成型所出现的质量问题也越来越得到人们的重视，由此对其进行了大量的分析和研究。You Ming Huang分析了工艺参数（如凹模圆角半径 rd、摩擦系数 、凸凹模间隙 C 等）对 U 形件成形后质量的影响，其分析结果表明：增加凹模圆角半径和凹凸模空隙并减小摩擦系数会加重零件的回弹现象。此外，M.Kawka 等人也用汽车轮毂和顶盖作为研究对象，对其进行了研究分析。还有人通过有限元模拟方法，针对不同形状配件的模具进行回弹迭代补偿，使最后成形后的零件刚好与零件本身的设计要求相符。S.G.Xu研究了板料回弹的影响因数，他认为材料参数的波动变对回弹缺陷的影响化非常敏感，此外，对于高强度板的大回弹问题，他提出了工艺参数优化控制和考虑板料变形历史的模面迭代补偿控制方法。1.3.2 国内研究情况我国对于此类的板料成形质量题研究时间比较短，但也取得了一定成果。首先由付宝连等人创立了金属成形过程的回弹最最小余能原理和小势能原理，并将该原理运用于曲梁回弹变形和悬臂梁回弹变形计算。蔡中义教授等提出采用静力隐式算法对板材回弹进行数值分析。刁法玺，张凯锋基于连续介质力学及有限元变形理论，给出了 V 形弯曲回弹的动力显式算法，并开发了有限元分析程序 DEFORM-3D。杨光等针对板材成形后的切边回弹问题，发明了基于大变形弹塑性有限元理论的切边处理技术-AIA 方法。章婷等人采用 FEM 技术，通过建立正交优化试验对 U 形件进行冲压回弹仿真研究，得出影响铝合金板料成形和回弹精度的数值模拟参数。在回弹控制方面，张立力等人针对板材成形中的回弹补偿问题，通过采用通用机械软件 UG 和 CAE 软件 Pam-Stamp 所开发的回弹补偿的模具设计系统，提出了一个根据工件的几何形状和回弹误差来进行模具补偿的方法。1.4汽车保险杠铝成型组件的发展趋势无论汽车技术怎样发展，人们在研究汽车轻量化的同时，汽车的安全性仍会被人们放在首位。如果一辆汽车车身重量很轻，节能减排的效果十分出色，但也丧失了其基本的安全保障能力，那么，这样的汽车也必将不会被人们接受，因此，在降低车身质量的问题上，选择合适的材料十分重要。由于铝合金具有诸多优点，使用铝合金材料代替传统钢材在汽车车身上使用，不仅能最大限度的降低车身质量，而且在提高汽车的机动性能和高乘客的舒适性及安全性的方面，也具有这显著效果。正是由于这些原因，现如今全球各大汽车公司为了在保证汽车安全性的同时降低车身质量，都在不遗余力的研发铝合金车身零部件乃至全铝车身。而保险杠作为汽车上的一个重要零部件，当汽车受到外界撞击时，它能有效的减缓外界冲击，保护车内乘客安全，在一定程度上还能保护车身不被严重破坏。所以无论是传统车型还是近几年兴起的新能源车型，都无法舍弃这一装置，而且因其工作时将承受巨大冲击载荷，制作材料要求具有高强度、高硬度等特点。铝合金材料不仅能满足这一要求，而且还能大大降低其自身重量，当然会首先进入人们的视线。因此，用铝合金材料制作保险杠及其相关组件，将会有很好的发展趋势。1.5汽车保险杠铝成型组件缺陷分析由于汽车保险杠铝成型组件的形状较为复杂，其几何尺寸较大，而且在实际生产中，模具总是在不断的打开和关闭，致使板料与模具不断接触，另一方面，由于冲压过程中板料所受载荷路径极为复杂，因此很难保证在冲压过程中材料不会出现失稳变形的情况。而为了保证零件表面质量和装配精度，这些诸如起皱、破裂、回弹等质量问题是绝对不允许出现在零件上的，这就增加了零件成型模具开发设计工作的难度，以下将针对上述的主要缺陷进行分析。1.5.1起皱起皱是保险杠铝成型组件冲压成型过程中比较普遍的质量缺陷之一。它是由于材料在塑性变形过程中局部压应力过大而出现的不均匀变形。由于是板材冲压成型，受压材料一般较薄，因此在成型的过程中厚度方向上的变形很不稳定。材料内部的压应力一旦超过材料在厚度方向上的失稳极限后，便会产生失稳起皱。如图1-1所示。当然，除此之外，成型过程中往往还跟随着一些不均匀拉应力、剪应力或板内弯曲应力等，这些因素也可能使板材出现起皱缺陷。起皱缺陷会对此类尺寸精度和表面质量要求较高的车身覆盖件会产生极大影响，若起皱过于严重，则零件将直接报废，造成资源浪费。图1-1保险杠组件起皱缺陷解决此类零件起皱问题时，一般在保证产品使用功能不丧失的前提下通过调整零件的形状、采用合理的冲压工艺、改善冲压条件和材料性能及优化模具设计制造等，最终达到改善和消除起皱缺陷的目的。1.5.2破裂 破裂也是汽车保险杠铝成型组件冲压成型过程中常见的缺陷之一，它是材料在成型的过程中拉伸过度导致失稳的一种主要表现形式。板料变形过程中在其内部会存在拉应力相对集中区域，随着变形的不断加大，当某处材料所受到的拉应力过大，接近或超过材料本身的最大抗拉强度时，材料就将出现拉裂或拉断现象，也就产生了破裂的缺陷。保险杆铝成型组件拉延过程主要在以下两种区域容易出现破裂：一种是出现在材料的传力区，主要原因是由于材料强度不够，这种破裂缺一般延伸至零件边缘，如图1-2所示。另一种破裂容易出现在零件大的塑性变形区，主要是材料的塑性无法满足拉延变形要求而引起的，如图1-3所示。无论是上述哪种破裂形式，此种缺陷在实际生产中会直接影响着产品的成形质量，导致产品报废，因此在实际生产中绝不允许出现此种缺陷。图1-2保险杠组传力区件破裂缺陷图1-3保险杠组件塑性变形区破裂缺陷在板材冲压成型过程中，存在很多容易导致板材破裂的因素。为防止此种缺陷的产生，一般采取以下措施：可根据最终产品的具体情况选择合适的毛坯形状和尺寸；采用机械性能较好的材料作为零件材料；此外，可在条件允许的情况下，增大拉裂区域的凸凹模圆角半径；修正模具的参数，并提供良好的润滑条件等。1.5.3回弹起皱缺陷和破裂缺陷，究其原因都是由于板料在冲压成型过程中内部应力变化造成的，然而，除了上述两种常见缺陷外，在保险杠组件实际生产过程中，还有一种常见缺陷，它主要由材料本身的性能决定，且往往发生在冲压成型之后，那就是回弹缺陷，众所周知，金属板材在冲压成型时发生的变形形式主要包括两种：弹性变形和塑性变形。当冲压成型结束后，由于模具和零件分离，而金属板材本身具有弹性，因此在无外部压力的情况下，冲压之后的板材部分区域会出现弹性回复的现象，这种现象往往导致成形后零件的实际尺寸值与标准值存在偏差，当然，对于零件的实际形状也会产生很大影响，这种现象就称之为回弹现象。汽车保险杠组件主要以弯曲变形为主，因此产生回弹现象是不可避免的。回弹现象对零件的成品质量影响很大，当回弹的量过大且超过零件允许误差后，零件就将直接报废，因此，回弹也是影响零件质量的重要缺陷。实际生产过程中很多因素都可能导致最终零件产生回弹现象。除了材料本身的性能外，还有模具的间隙和零件本身的形状，以及压边力、摩擦接触等因素都对回弹有较大影响。解决回弹问题，要根据零件件的具体形状、尺寸及成型过程的变形特点等进行具体分析。1.6本文研究的主要内容本文将以汽车保险杠铝成型组件为例，并结合ANSYS Workbench有限元分析软件，模拟保险杠组件冲压成型过程，分析现有工艺状况及实际生产条件，找出其中容易导致产品成形后出现起皱、破裂、回弹等缺陷的因素，并依据分析结果，结合企业实际生产条件，对冲压成型工艺做出合理优化，力求达到提高最终成品率的目的。具体工作内容如下：（1） 研究背景及研究意义简要介绍；（2） 板材冲压有限元分析基本理论说明，包括相关软件介绍，材料特性，材料屈服、硬化准则，接触算法，加载卸载法则以及三维模型建立等内容；（3） 研究对象的工艺特点及工艺分析；（4） 对模型进行有限元分析，研究其变形状况，为工艺优化做准备；（5） 结合有限元分析内容，提出几点符合企业实际情况工艺优化措施，并对现有工艺适度改进优化；（6） 通过现场实验，对优化后的工艺进行验证，并与优化前的结果作对比，记录相关实验数据。（7） 对研究结果做出总结。1.7本章小结本章主要对研究内容做了一个简要说明，分析了课题研究意义、国内外发展状况以及相关技术的发展趋势，并从针对本课题的具体对象，简要介绍其实际生产中常见的缺陷类型。第2章 板材冲压有限元分析理论2.1 ANSYS Workbench软件介绍ANSYS软件由美国ANSYS公司开发，是一款功能十分强大的大型通用有限元分析（FEA）软件，同时也是目前全球范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件。它能与大部分的计算机辅助设计软件（CAD，computer Aided design）接口，实现数据的共享以及交换。是融合了流体、电场、声场、磁场、结构分析等于一身的大型通用有限元分析软件。而自ANSYS 7.0开始，ANSYS公司便推出了ANSYS Mechanical APDL（经典版）和ANSYS Workbench版两个不同版本，并且目前均已开发至17.2版本。其中，Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，目的是解决企业在产品研发过程中常见的CAE软件异构问题。它不但继承了ANSYS Mechanical APDL界面在有限元仿真分析上的大部分强大功能，还提供了CAD双向参数链接互动、项目参数自动更新机制、全新的参数和无缝集成优化设计工具等，使得ANSYS在“仿真驱动产品设计”方面达到了前所未有的高度。可以说，ANSYS Workbench真正实现了集产品设计、仿真、优化功能于一身，可以帮助设计人员完成在同一平台上完成产品研发过程的所有工作，从而大大缩短了产品研发周期，加快了上市步伐。本课题研究所用的为ANSYS Workbench 15.0 版本。它是一个集成框架，整合了现有的各种应用并将仿真过程集成在同一界面下，其主要有三个模块组成，分别是： Design ModelerCAD几何模型建立模块，为后续分析做准备。 Design Simulation用ANSYS的分析模块实现网格划分，用来求解以及后处理，包括常见的Mechanical、Fluent等。 Design Exploration用于研究变量（几何、载荷等）对响应（应力、频率等）的影响，可实现优化。除了以上三个主要模块，ANSYS Workbench 15.0还很多其他模块，其中比较典型的有：进行全隐性耦合算法的CFX，由于专业涡轮叶片设计的Blade Modeler，用于爆炸等场合的高度非线性显示动力学分析的AUTODYN。这些模块将ANSYS Workbench 15.0打造成了应用极广的有限元分析软件。2.2 材料的特性本文研究的例子是保险杆组件，属于汽车覆盖件的一种。而汽车覆盖件的原材料一般为金属材料，本例也不例外。该组件使用的原材料是铝合金，牌号为EN-AW1050A。其泊松比0.320.36，弹性模量E72GPa,具体规范如表2-1和所示。项目名称数值单位尺寸（长*宽）980380mm厚度0.810%mm密度216010%g/m2滚花高度2.50.5mm断裂伸长率=38%/50mm抗拉强度7080Mpa成分铝（Al）=99.50%g硅（Si）00.25%g铜（Cu）00.05%g镁（Mg）00.05%g锌（Zn）00.05%g锰（Mn）00.05%g钛（Ti）00.03%g钒（V）00.05%g铁（Fe）00.40%g其他00.03%g表2-1原材料基本信息1050A铝合金主要成分是工业纯铝，其含量高达（质量分数）99.50%以上，所以，1050A铝合金的熔点比较低，不可运用热处理的方法来加强它本身的硬度。但是它的塑性特别好，在冲压成型方面有很大优势，易被加工成各种形状。不仅如此，1050A铝合金的导电性和导热性也十分出色。因此，在制造领域1050A铝合金被广泛使用，并应用于各种各样的产品。2.3 材料的屈服准则金属材料在受到外力作用的过程中，其自身性能以及它受到的应力状态会使它由弹性变形逐渐向塑性变形过度。在同等条件下，金属材料的屈服极限仅由应力状态决定，当金属材料受力时，材料内部的质点由弹性状态逐渐过度到塑性状态的准则，称之为为屈服准则。对于金属材料而言，常用的屈服准则主要有以下几种：2.3.1 Tresca 屈服准则材料的塑性变形与其受到的最大切应力之间存在某种关系，当最大切应力的值达到某一特定值（即材料单向拉伸或者压缩时屈服强度值（s）的一半）时，材料就会发生屈服。Tresca屈服准则可表示为：max=12(1-3)=s2 （2-1）式中 max材料的最大切应力（N/mm2）； s 材料的屈服强度（N/mm2）。从上式可以看出，当材料的最大切应力达到屈服强度的一半时，材料就将进入并保持塑性变形状态，而和另外的两个差值没有关系。Tresca屈服准则计算虽然简单，但只能看出是否发生屈服与最大主应力和最小主应力的关系，无法反应第二主应力的影响。2.3.2 Von Mises 屈服准则Mises屈服准则是在1913 年由德国力学家 Von Mises 针对 Tresca 屈服准则作了进一步的弥补和改进之后提出的，该准则指出，在一定的变形条件下，不管物体处于什么状态，一旦其所受应力的三个主应力组合符合某种特定条件，则材料的屈服准则可表示为Mises 屈服准则于。与Tresca 屈服准则相比，凡是通过Mises 屈服准则来描述的材料，都是各向同性的，即当材料内部任意一点的等效应力达到屈服极限时，那么该点就会进入塑性变形状态。Mises屈服准则采用三个主应力的函数表达式如下：F0ij=161-22+2-32+3-12-13s2=0 （2-2）式中 F0材料内部的等效应力（N/mm2）。2.4材料的硬化准则在金属塑性变形过程中，随着应变的增加，应力会急剧增大，此时就会发生加工硬化现象，而硬化准则 就是用数学表达式来描述材料变形过程中所受应力与自身应变之间的关系。金属板料塑性变形中的硬化准则主要描述了材料发生塑性变形后初始屈服准则随着塑性应变增加的变化规律。硬化关系式可用如下一个基本方程表达：Fij,ijp,k=0 （2-3）式中 ij材料所受应力； ijp材料应变。通常，我们根据材料在发生硬化过程中加载曲面变化的不同，一般将材料的硬化准则简化为三种形式，分别为：各向同性硬化准则、随动硬化准则、混合硬化准则。2.4.1各向同性硬化准则 有的材料在变形过程中，材料内部各个方向上应变量会始终保持某一固定比值逐渐增加或者减少，这种特性就是各向同性。当计算各向同性材料的变形时，需要采用的硬化准则即为各向同性硬化准则。当材料所受应力使其达到屈服极限后，材料的屈服面向各方向扩展时，会基于同一中心匀地向个方向扩展，如图 2-1所示。假如材料在变形过程中一直保持各向同性，且忽略各向异性对变形的影响，那么后继屈服函数的表达形式将与初始屈服函数的表达形式保持一致。可用如下表达式表示材料各向同性硬化准则：Fij,k=fij-k=0 （2-4）k=13s2p （2-5）p=23dijpdijp （2-6）fij=23 （2-7）式中 k 硬化参数； p等效塑性应变。图2-1各向同性强化模型2.4.2随动硬化准则 并不是所有材料在成型过程中都保证按各向同性的规律进行变形，因此各向同性硬化准则对于此类材料并不适用。这些材料在变形时，屈服面的大小、形状、方位都不发生变化，而是在屈服方向上作一个刚体移动，如图2-2所示，这种特性我们可以称之为随动性。计算这类材料的变形情况时，我们所用的硬化准则称为随动硬化准则。随动硬化准则的表达式可用如下关系式表示：F(ij-ij)=0 （2-8）式中 ij屈服面中心的位置变化（mm）。图2-2随动硬化准则模型2.4.3混合硬化准则 除了上述的两种变形情况外，某些材料在变形过程中，不仅屈服面的大小在应力作用下发生变化，而且其位置也会发生变化，遇到这样的变形情况，无论是各向同性硬化准则还是随动硬化准则都不适用，这种情况下的之为混合硬化准则。顾名思义，混合硬化准则包含了各向同性变化和随动变化过程中的屈服行为，变形过程中屈服面的形状、大小和中心位置都在应力空间中发生变化，因此对板料成形过程中的应力与应变之间的关系描述得更加准确。混合硬化准则将塑性应变增量分解为两部分，适用于各向异性材料，表达式如下：dij=dijm+ijk （2-9）式中 dijm屈服曲面扩张时的塑性应变增量（mm）； dijk屈服曲面移动的塑性应变增量（mm）。因此，混合硬化准则的函数表示为：Fij,ij,k=f-k=0 （2-10）f=12(Sij-ij)2 （2-11）k=13s2(p,M) （2-11）式中 M 材料在发生塑性行为时的混合硬化参数，一般在-11 之间取值。2.5 冲压过程应力加载和卸载法则当板料受压达到屈服极限并进入塑性变形状态以后，由于受到变形过程中载荷的加载路径以及加载历程的影响，板料内部的应力和应变都不再是线性关系。材料进入屈服状态后，其塑性应变增量的方向可以依靠冲压过程中应力加载和卸载法则进行精确预测和判定，由此便可确定板料处在不同状态下的本构关系。对于硬化材料来说，判断板料是否会继续发生塑性变形的准则如下：（1） 如果f(ij)0 , 则板料将处于继续塑性加载状态 ；（3） 如果f(ij)0，且fijdijStatic Structural”选项，即可在项目管理区创建分析项目A，如图4-1所示。（2）定义材料数据。在Static Structural项目列表中双击Engineering Data，进入设计数据管理界面。在设计数据管理界面的“Outline of Schematic A2:Engineeing Data”窗口中单击“Click here to add a new material”单元格，然后输入材料名“Aluminum Alloy”称并按Enter键确认，此时的窗口如图4-2所示。图4-1Static Structural项目列表 图4-2材料库（3）定义材料密度。在“Toolbox”工具箱中双击“physical properties”区域中的“Density”选项，将其添加到新建材料的属性窗口。在属性窗口中单击“Density”项目后的单元格，然后输入数值2 700，保持默认的单位不变，此时的窗口如图4-3所示。图4-3材料属性（1）（4）定义弹性参数。在“Toolbox”工具箱中双击“Linear Elastic”区域中的“Isotropic Elasticity”选项，将其添加到新材料窗口中，然后设置如图4-4所示的参数。图4-4材料属性（2）（5）材料库添加完毕，退出“Engineering Data”返回Workbench主界面。（6）添加几何模型。在“Static Structural”项目列表中右击“Geometry”项目，在弹出的快捷菜单中选择“Import GeometryBrowse”命令，弹出打开对话框，选择产品零件的几何模型并打开。然后双击“Geometry”，此时会进入DM界面。单击DM界面中的“Generate”按钮开始生成模型，待生成完毕后，电机“关闭”按钮，退出DM界面，返回Workbench主界面。（7）进入分析。在“Static Structural”项目列表中双击“Model”项目，进入分析环境界面。（8）设置材料属性，在图4-5所示的“Outline”窗口中，单击“Geometry”下的几何体，此时将会弹出如图4-6所示的细节窗口，在对话框中单击“Structural Steel”后的的箭头按钮，在弹出的下拉菜单中选择“Aluminum Alloy”选项。 图4-5选择几何体 图4-6设置材料属性（10）初步划分网格。在“Outline”窗口中单击“Mesh”按钮，弹出如图4-7所示的细节窗口对话框，在对话框的“Relevance”文本框中输入数值100，在“Sizing”区域的“Relevance Center”下拉列表中选择“Fine”选项，单击“Update”按钮，网格划分结果如图4-8所示。 图4-7 Details of Mesh对话框 图4-8网格划分（11）添加固定约束。在“Outline”窗口中右击“Static Structural（A5）”选项，在弹出的快捷菜单中选择“InsertFixed Support”命令，弹出如图4-9所示的对话框，选取零件左右两边为约束对象，在“Geometry”后的文本框中单击“Apply”按钮，完成固定约束的添加。结果如图4-10所示。图4-9固定约束对话框 图4-10添加固定约束结果（11）添加载荷力。在“Outline”窗口中单击“Static Structural（A5）”选项，在“Environment”工具栏中选择“LoadsForce”命令，弹出如图4-11的细节对话框，选取零件上的载荷施加面，在“Definition”区域的“Define By”下拉列表中选择“Components”选项，在“Z Component文本框中输入数值1 350 000，完成Z方向载荷力的添加，重复上述步骤，分别完成X方向和Y方向的载荷添加，注意两方向的载荷为960 000N结果如图4-12所示。 4-11载荷细节对话框 4-12添加载荷结果（12）插入应力结果图解。在“Outline”窗口中右击“Solution(A6)”选项，在弹出的快捷菜单中选择“InsertStressEquivalent (von-Mises)”命令。（13）插入位移变形结果图，在“Outline”窗口中右击“Solution(A6)”选项，在弹出的快捷菜单中选择“InsertDeformationTotal”命令。（14）插入应变结果图解。在“Outline”窗口中右击“Solution(A6)”选项，在弹出的快捷菜单中选择“InsertStrain Equivalent (von-Mises)”命令。(15)求解并查看分析结果。求解分析，在顶部工具单击“Solve”按钮查看分析结果。在“Outline”窗口中，分别选择“Equivalent Stress”、“Total Deformation”、“Equivalent Elastic Strain”选项，即可查看应力、位移、应变的分析结果。如图4-13至图4-15所示。图4-13应力效果图图4-14位移效果图图4-15应变效果图4.2.2 分析结果通过上述的分析，可以从分析结果中得到以下结论：（1）成型过程中，材料内部的最大应力为92 973MPa，最小应力为可忽略不计。其中，最大应力的区域集中在零件的边缘部分，这些地方由于外形轮廓急剧变化，或者有定位孔的存在，因此零件的边缘及定位孔附近极易产生疲劳现象，出现裂纹，产生质量缺陷。而零件的中央区域应力一般较小，而且波动不大，因此这些区域一般不易出现质量缺陷。此外，从应变效果图中也可看出，应变与应力几乎一一对应，应力集中的区域材料内部的应变也比较剧烈，此时若变形不及时，就会出现失稳变形，产生起皱等质量缺陷。（2）从位移效果图中，可清晰的看到变形时发生的位移变化情况。其中，最大的位移量为104.28mm，主要是在变形时有弯曲变形的区域产生较大位移。由于材料本身具有塑性和弹性，因此当冲压过程结束，模具与材料分离后，在产生较大位移变形的区域会有部分回弹现象。此外，较大的位移变化对材料的性能也有较高要求，如果材料的性能不能满足变形要求，在冲压过程中，这些区域也极容易出现破裂的现象。因此位移效果图对与原材料的选择具有十分重要的指导作用。4.3 本章小结本章主要对有限元分析部分做了介绍说明，包括以下几点内容：（1） 分析概述及注意事项；（2） 主要分析过程讲解；（3） 分析结果简要说明。第5章 工艺优化内容及结果 5.1 工艺优化的注意事项与设计新工艺相比，对现有的工艺进行优化犹如双刃剑，若优化合理，就能大大降低工艺成本，节约人力物力，为企业带来巨大利润；反之，不仅达不到预期效果，而且还会对正常生产计划产生干扰，影响产能输出，使企业蒙受损失。因此，在对现有工艺进行优化时，需要考虑以下问题：（1）优化结果对产品的影响一般而言，工艺优化的内容不应该对产品的功能产生影响，且必须符合设计图纸要求。若优化内容涉及模具结构的改动，致使产品的形状结构发生变化，则首先要保证最终产品的使用功能，且需得到客户的认可，否则该优化内容就没有意义。（2）优化结果对产能的影响本研究课题的出发点是希望通过工艺优化最终达到提高成品率的目的。若是通过工艺优化提高了成品率，但是使工艺步骤变得过于繁琐，致使生产周期大大延长，严重影响产能输出，则工艺优化的内容也不可取。（3）优化成本的投入工艺优化的最终目的都是希望能节约成本，提高利润。假如优化过程需要投入大量的成本或者优化后生产成本大幅增加，导致最终的收益远远小于支出费用，那么这样的优化也将不被采取。5.2 工艺优化的内容根据实际的生产情况，冲压过程中，工艺参数的改变会对最终产品的质量产生一定影响，因此，结合材料特性以及实际经验，首先我们对原有工艺参数做出以下修改，如表5-1所示：参数设定值公差单位一次加压压力1155T保压时间0sec模具通气时间2-2sec慢速回程50%40%快速回程70%30%慢速下行40%20%加压70%20%表5-1 修改后的工艺参数调整工艺参数之后，再次利用ANSYS Workbench进行仿真分析，得到的结果如图5-1至图5-3所示。图5-1 应力效果图图5-2 位移效果图图5-3 应变效果图由二次分析结果可看出，当改变冲压时压力的大小以及冲压速度时，能适当的减缓应力集中现象，最大应力也从92 973MPa降低为90 602MPa，此外，发生弯曲变形较大的区域位移量也有所改善，这可以减少破裂缺陷出现的机率。除改善工艺参数的方法外，结合有限元分析结果以及企业的实际生产情况，现对汽车保险杆铝成型组件冲压成型工艺提出以下优化建议。（1）改变润滑方式由有限元分析结果以及保险杠组件常见缺陷分析已知，在零件弯曲变形较大以及应力比较集中的区域容易出现破裂缺陷。而在冲压成型过程中，除了不可避免的因素外，模具与材料的不断接触产生的巨大摩擦力也会对材料内部应力产生较大影响。改善冲压时的润滑条件能有效的减小模具与材料之间的摩擦，从而减小外部摩擦力对内部应力的影响。在工艺步骤描述中，已经提到往原材料上喷冲压油能减小模具与材料之间的摩擦，但是由于模具形状及其复杂，模具型腔内高低起伏，仅在原材料表面喷冲压油并不能润滑所有区域，特别是模腔内凹陷的区域润滑条件更是极差，而且现场生产人员由于操作技能的熟练程度不同，导致所喷散的冲压油很难达到规定要求。针对这一情况，改善措施如下：制作如图5-4所示的润滑样件，即用一件正常的零件做基础，在零件表面对应模具润滑困难的区域粘贴上海绵等易吸水的材料，然后直接在所粘贴的材料上喷洒冲压油，但注意喷油不易过多。当需要润滑时，直接将润滑样件放入模具内，然后进行一次合模操作，这样就能保证模具上原来不易润滑的区域接触到冲压油，使之顺利润滑。(a) (b)5-4润滑样件与原来直接喷油的润滑方式相比，此方法的针对性更强，操作更简单，而且对于现场生产人员没有太高的技术要求，改善效果十分明显。（2）改善材料机械性能从有限元分析结果的位移效果图中可看出，发生弯曲变形的区域位移量比较大，要使材料在变形过程中不发生断裂，保证成型质量，可选用塑性比现使用铝合金更好的新铝合金材料，但同时要保证材料的其他特性满足产品的功能需求。（3）改变成型过程中的压边方式在目前的冲压工艺中，板料成型时时处在一个封闭的型腔内，即在板料拉伸变形时，上模与下模的四周压边区同时接触，这就导致了零件压边区以内的变形完全依靠材料本身的塑性来实现，这样很容易出现拉裂的现象。现提出在先后压边的设想。在材料刚开始拉伸变形阶段，上下模的压边区仅三边接触，留下一边处于放松状态。这样能使材料在变形使充分的移动到变形较大的区域，待变形结束后，放松状态的压边再压合，这样既能解决材料被拉裂的风险，还能使材料得到更充分的利用。（4）增加预成型工序步骤在有限元分析结果中，无论是应力、应变还是位移，都出现了局部集中的现象，这表明在成型过程中某一道工序的变形量过大。从工艺步骤描述中可知，在目前的工艺中变形量最大是预成型工序。若能增加预成型的工序步骤，就能避免一次大变形的情况，从而避免应力应变过于集中的现象。5.3 优化效果在实施了上述优化建议的部分措施后，对具体的实际优化效果做了现场实验验证，实验数据记录如表5-2和表5-3所示：记录项值单位实验总数量90片破裂数量12片起皱数量4片回弹数量1片合格率81%表5-2优化前实验记录记录项值单位实验总数量90片破裂数量9片起皱数量2片回弹数量0片合格率87%表5-3优化后实验记录以上实验数据是基于润滑方式以及工艺参数改变前后的对比，从实验数据可以看出，
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