基于CAE某型汽车发动机前罩壳冲压模设计_图文

1、第16卷第6期2009年12月工程设计学报Journal of E ngineering Design收稿日期:2009205231.基金项目:湖南省教育厅重点项目资助(07A081;中南林业科技大学人才基金资助项目;湖南省教育厅2009年科研资助项目(09C1017.作者简介:李立君(1964基于CA E 某型汽车发动机前罩壳冲压模设计李立君1,周健1,王智文2,梁志松2(1.中南林业科技大学机电工程学院,湖南长沙410004;2.广西工学院计算机系,广西柳州545006摘要:基于机械优化设计的思想,通过对冲压件前罩壳的分析,建立了符合要求的模型.运用Dynaform 软件进行CA E 分析

2、.由于引入了CA E ,冲压成形已从原来的对应力应变进行分析而逐步发展到采用有限元等进行工艺过程的模拟与分析,实现了冲压过程的优化设计.关键词:冲压;前罩壳;CA E 技术;模具设计中图分类号:T H 164文献标志码:A 文章编号:10062754X (20090620421206Design of front 2covering 2shell stamping mould on an auto engine based on CAEL I Li 2jun 1,ZHOU Jian 1,WAN G Zhi 2wen 2,L IAN G Zhi 2song 2(1.College of Mach

3、inery and Electrical Engineering ,Centre South University of Forestry and Technology ,Changsha 410004,China ;2.Department of Computer Engineering ,Guangxi University ofTechnology ,Liuzhou 545006,China Abstract :Based on t he idea of mechanical optimizatio n design ,t hrough t he analysis on t he f r

4、ont 2covering 2shell stamping mould ,models meeting t he requirement s were built.The Dynaform soft 2ware was used for CA E analysis.Because CA E was int roduced ,p ress deformation was developed from t he original analysis on st rain and stress to simulation and analysis of p rocess by finite ele 2

5、ment met hod and so on.Finally ,p ress process optimization design was implemented.K ey w ords :stamping ;f ront 2covering 2shell ;CA E technology ;mould design冲压成形是一种非常复杂的力学过程.汽车覆盖件较之一般的冲压件,又具有材料薄、形状复杂、结构尺寸较大、表面质量要求高、曲面多为空间曲面、配合协调性高等特点,工艺很复杂,其模具的制造周期直接影响汽车的制造成本以及新产品的开发周期.本文试图通过CAD/CA E 技术对某型汽车发动机前罩

6、壳冲压模进行设计及可行性分析模拟,以达到成形合格工件、缩短模具制造周期的目的.1采用的技术路线模具CAD/CAM/CA E 技术是模具技术发展的一个重要里程碑.实践证明,模具CAD/CAM/CA E技术是模具设计制造的发展方向.本次模具采用CAD/CA E/CAM 一体化技术,使设计、制造过程形成一个有机的整体,通过信息的集成,在经济、技术上给企业带来综合效益.技术路线如图1所示122.2冲压工艺过程设计2.1零件特点某汽车发动机前罩壳材料为08Al 钢,料厚t =110mm ,大批量生产.该件的凸缘与底部的曲面、侧面形状以及成形高度、孔径和孔位必须达到产品设计要求,成形后表面平整光滑,无翘曲

7、、褶皱、裂纹等缺陷.图2为前罩壳零件图. 图1技术路线图Fig.1Technology roadmap图2前罩壳零件图Fig.2Anterior encioser part drawing2.2确定冲压件的工艺方案经过全面分析、综合考虑,从零件质量、生产效分析零件数模可知,冲压方向平行于Z 方向最佳,如图4所示,此时凸模两侧的拉入角基本一致 ,图3汽车前罩壳成形工序图Fig.3Automobile anterior encioser forming process chart这使得两侧进料阻力保持均衡.拉伸开始时凸模与坯料表面接触为面接触,接触面积大,且分布均匀,如果后续设计合理的话就不会出现

8、因应力集中造成局部破裂现象 .图4冲压方向Fig.4Press direction224工程设计学报第16卷2.312构造零件的拉延初形本零件没有尖角部位存在,各表面圆角半径较大,因此零件拉延初形各部分圆角半径可以与零件数学模型图一致324.2.313建立压料面压料面是工艺补充的另一部分.如果零件有凸缘部分,可利用零件的凸缘面当作压料面,除此之外,为了补充零件拉延侧壁的进料,还需将其向外延伸到零件的展开尺寸.按照工艺补充部分的设计要求,在零件模型的修边线处,利用U G 的曲线延伸功能,并用U GII 软件中的扫描曲面(Swept 、网格曲面(Through Curves Mesh 、曲面倒圆(

9、Blend 和桥接曲面(Bridge Surface 等功能按曲面原有的趋向线方向进行处理,以生成所需的工艺补充面526.初步确定的工艺补充数学模型如图 5所示.图5工艺补充数学模型图Fig.5Process supplement mathematical model graph3冲压成形过程有限元模拟及工艺补充数模改进本设计采用Dynaform 软件作为前后处理环境,采用动力显式格式L S 2D YNA3D 软件作为运算模块,对前罩壳的拉伸成形工序进行成形模拟.在板材冲压成形性分析方面,Dynaform 系统与市场上通用的CAD 软件相互集成,实现了模具设计、曲面造型、成形性分析的一体化.建

10、立有限元分析模型中最重要的一步是划分有限元网格.成形模拟结果的精确性和有限元网格的质量有很大关系,为了成功地进行模拟,由曲面或者曲线数据划分网格这一步骤十分重要.有限元单元越小(网络越细,则离散域的近似程度越好,计算结果也越精确,但计算量及误差都将增大.Dynaform 中创建网格主要有Lank Generator (坯料网格生成和Surface Mesh (曲面网格划分两种方法.图6Dynaform 环境中的工艺补充数模Fig.6Process supplement mathematical model inDynaform environment用“曲面网格化”工具自动划分工具网格(图7,

11、网格最大尺寸设置为10mm ,其他选项选默认值.用“坯料网格生成”工具自动生成板料网格(图8,单元大小为 6mm (默认值.图7 曲面网格化Fig.7Surface gridding图8生成的工具网格Fig.8G enerated tool grid3.2建立凸模、压边圈等工具网格新建零件层,用“分离零件层”的方法分离出凸模有限元模型和压料有限元模型,分别如图9、图10所示.由于凹模与凸模、压边圈有相似的几何特征,Dynaform 提供了一个自动“装配”凹模的方法,凹模有限元模型不需要专门建立,这使得前处理过程节省了许多时间,而且由于凸模、压边圈上的单元节点和凹模上的单元节点对应,计算精度得到

12、提高7.324第6期李立君,等:基于CA E 某型汽车发动机前罩壳冲压模设计 图9凸模有限元模型Fig.9Punch finited element model图10压边圈有限元模型Fig.10Finited element model blank holder3.3检查法向一致性为了使系统能正确进行分析,必须使有限元模在“快速设置/拉延”对话框的Bland ,Binder ,Lower Tool 各选项中分别指定板料、压边圈、凸模有限元模型如图11,并定义材料、冲压参数如图12,定义好参数后提交求解器求解8 .图11有限元模型Fig.11Finited element model图12定义材

13、料参数Fig.12Definition of materials parameters3.5应用ETA/POST 进行后处理ETA/POST 能够读取和处理d3plot 文件中所有可用的数据.除了包含没有变形的模型数据,d3plot 文件还包含所有由L S 2D YNA 生成的结果文件(应力应变、变形过程等.ETA/POST 还能够绘制变形过程(deformation 、厚度变化过程(t hick 2ness 、FLD 变化过程以及坯料上的应变/应力等物理量的分布云图.ETA/POST 还允许用户通过对动画窗口的捕捉自动地创建AV I 电影文件,用户可以把模拟过程以动画的形式保存下来.启动后处

14、理模块ETA/POST ,打开处理结果d3plot 文件.为方便观察,隐藏模具零件层,只显示板料零件层,显示模式切换到光照显示状态,并选择来显示光滑的光照效果,即可观察处理结果生成的云图9 .计算得到的拉伸件成形极限见图13,成形厚度分布图见图14.图13 成形极限图Fig.13Forming limit diagram图14厚度分布图Fig.14Thickness distribution graph改变冲压工艺参数进行有限元的模拟,由于在100t 的压边力下有可能产生破裂,采用减小压边力的办法来进行模拟.模拟的结果如图15和图16所示.424工程设计学报第16卷 图15修正成形极限图Fig

15、.15Correcting forming limit diagram图16修正厚度分布图Fig.16Correcting thickness distribution graph3.6成形预见性分析在本次进行的成形结果中,在成形极限(FLD 图中,大部分的节点集中在安全区和起皱趋势区,也有一部分落在起皱区,在最后一次模拟中没有出现在红色的破裂区,没有发生破裂的情况.由于生产的零件要求的精度不高,对表面的光洁度要求不高,因此在成形极限图中符合要求10.在厚薄图中,对板料成形而言,一般认为变薄率在30%以内都是可行的,通过后处理分析可知,本次设计的前罩壳的厚度为1mm ,最大增厚处为111166

16、mm ,最大变薄处为017771mm ,均在30%在完成以上各项设计以后在Pro/E 软件中进行三维装配图的绘制,绘制的三维装配图见图17.4总结1运用传统冲压模具设计与有限元技术相结合的方法,解决了复杂冲压模试冲起皱的问题,并且在有限元分析过程中可以得到大量的工艺参考参数,如板料应力应变分布、厚度分布、成形力和压边力变化曲线等, 对冲压模具设计和工艺制定有很大的图17三维图Fig.17Three dimension graph帮助.2应用有限元技术在冲压模具、工艺设计过程中,能够简化设计过程,节约设计成本和时间,有效解决实际难题,对提高冲压模具设计水平有很大的现实意义.由于在生产中应用CA

17、E 分析技术精确模拟了板料成形全过程,准确预测了板料在成形过程中可能出现的缺陷,从而在模具制造前可以及时修改冲压工艺方案,并通过仿真计算进行验证,提高了冲压工艺和模具设计质量.只需要经过少量的修模就可获得高品质的模具,不仅降低了模具开发成本,也大大缩短了模具开发周期.3本设计特点是:将冲压工艺CA E 与模具CAD 进行集成化,即一方面采用CAD 系统为有限元模拟建立几何模型,另一方面采用CA E 分析结果对CAD 设计结果进行评价,提供改进信息,优化工艺参数和模具结构,提高了模具设计质量.参考文献:1L AM Y C ,BRIT TON G A ,DEN G Y M.A computer 2

18、aided system for an optimal moulding conditions design using a simulation 2based approach J .InternationalJournal of Advanced Manufacturing Technology ,2003,22:5742586.2梁志松,周健.汽车零部件冲压模设计D .柳州:广西工学院机械系,2006:5252.L IAN G Zhi 2song ,ZHOU Jian.Design of automobile parts press molds D .Liuzhou :Guangxi University of Technology ,Departme