汽车级进冲压件成型过程模拟及工艺优化

1、目录引言 . 11绪论 . 21.1冲压件概述 . 21.1.1冲压件的介绍 . 21.1.2冲压件的结构 . 21.1.3 冲压件制造过程中可能出现的缺陷 . 32 冲压件材料的选择 . 52.1金属材料的冲压性能参数 . 52.2 常用金属材料的冲压性能 . 72.2.1 钢板 . 72.2.2 铝及其合金板 . 92.2.3 铜及其合金板 . 92.2.4 钛及其合金板 . 93 冲压件成型性仿真有限元基础 . 103.1冲压件成型的本构关系 . 103.2 屈服准则 . 113.3 BT壳单元模型 . 124基于Dynaform的冲压件成型过程分析 . 164.1数值模拟软件DYNAF

2、ORM简介 . 164.2前上横梁外板零件的工艺分析 . 164.3数据库操作 . 174.4网格划分 . 184.5模面工程 . 194.5.1冲压方向的调整 . 194.5.2添加工艺补充 . 204.5.3拉延类型设置 . 234.5.4毛坯形状和尺寸的确定 . 244.5.5从PART等距偏移出DIE . 254.5.6创建BINDER零件层 . 254.5.7分离BINDER和PART零件层 . 254.6确定成型工艺参数 . 264.7设置分析参数及求解计算 . 264.8后处理 . 275全文总结与展望 . 305.1总结 . 305.2展望 . 31致谢 . 31参考文献 .

3、32汽车级进冲压件成型过程模拟及工艺优化摘要：随着计算机技术的发展，采用数值模拟技术对板料进行冲压成型仿真模拟，预测可能产生的成形缺陷，寻求适用于汽车冲压件成型过程的优化方法，为模具工艺分析和设计提供指导，具有重要的工程意义和研究价值。产品的稳健性优化设计作为提高产品设计质量的有效方法，在工程设计领域特别是汽车工程领域越来越得到人们的重视。本文以车身冲压件为研究对象，研究车身冲压件的设计和成型性分析的方法。关键词：冲压件 设计 DYNAFORM 成型性分析引言近年来,汽车冲压件领域,随着新车型的引进、旧车型的换代以及国内外整车及零部件生产规模的不断扩大,需求也不断增加。汽车制造中有60%70%

4、的金属零部件需冲压加工成型,冲压加工是最本、最传统、最重要的金属加工方法之一。如车身上的各种覆盖件、车内支撑件、结构加强件,还有大量的汽车零部件,如发动机的排气弯管及消声器、空心凸轮轴、油底壳、发动机支架、框架结构件、横纵梁等,因此冲压工件的制造工艺水平及质量,在较大程度上对汽车制造质量和成本有直接的影响1。随着汽车轻量化、降能耗、高可靠性、高质量的呼声不断增高,对汽车冲压技术也提出了越来越高的要求。激光拼焊板、高强度钢板、烘烤硬化板、铝合金材料等相继应用于汽车的生产。目前汽车冲压件行业面临的挑战如下:(1) 模具设计制造技术,世界汽车模具制造技术正在向以计算机前的操作逐步代替现场操作,以高精

5、度加工代替人的手工劳动,模具的设计、制造高度标准化,单件生产方式向流水线式生产方式发展等。国外先进的大型外覆盖件模具企业在模具制作的很多地方与国内企业有很大的不同,值得我们很好的借鉴2。(2)仿真技术的发展和应用是冲压发展必须借助的手段。(3)自动化和灵活性要求是冲压发展必须考虑的因素。(4)新工艺的极大应用,包括高强度钢板的应用、多种厚度激光拼焊板坯的冲压技术、板材热成型技术、内高压胀管技术、轻合金成型技术、数字化成型技术、特种冲压成型技术等。 因此，我国汽车业要想在新的国际变革中站稳脚跟，就必须对此认真加以研究。本课题是以车身冲压件为研究对象，通过在计算机上用Dynaform冲压分析软件对

6、车身冲压件进行成型过程模拟，分析模拟结果的图像或动画，发现缺陷并提出优化方案。11绪论1.1冲压件概述1.1.1冲压件的介绍对板料、带材、管材和型材等通过冲床和模具等机械施加外力，使之产生塑性变形或者分立，从而得到所需形状和尺寸的工件，就是我们通常所说的冲压件，而上述成型加工方法，就是冲压3。全世界的钢材中，有60%70%都是板材，大量用在汽车制造上，如大数汽车的车身、底盘、邮箱、散热器片等部件，都是由板材冲压加工的。冲压件与铸件、锻件相比，具有薄、匀、轻、强的优点，可以冲压出其他方法很难加工的筋、肋、翻边，且精度高，量产时规格一致，需要人力成本较小，生产效率高。冲压件具有以下特点：（1）冲压

7、件消耗材料较少，零件重量轻，刚度好，板材经过塑性变形其部结构组织得到改善，强度有所提高；（2）冲压件具有较高的尺寸精度，同模件尺寸精度一致，具有良好的互换性。（3）冲压件不需要进一步的机械加工即可满足一般的装配和使用需求。（4）冲压件在冲压过程中，表面保持较好，不受破坏，故有较好的表面质量，外观光滑，为以后的喷漆、磷化和其他表面处理提供了有力条件。1.1.2冲压件的结构冲压件一般是通过在材料（如钢板）上冲出所需的孔和型面得到的，要求孔和型面位置形状大小与图纸一致，误差在通用的或者企业自定的公差之内，表面良好无毛刺、尖角、划痕、擦伤等明显缺陷。孔和型面是冲压件的要素，下面通过此两者介绍冲压件的基

8、本结构。（1）孔根据车身及冲压件的需求，冲压件上的孔可以分为三类：安装孔、定位孔、工艺孔。 安装孔是指在车身上安装底盘、内饰和附件所需的孔，与安装的标准件配套，大小形状根据用途由标准件决定，一般有方孔、圆孔和长孔三种类型，方孔与方形的标准件相配合，如塑料卡扣等，圆孔和长孔与螺栓等标准件配合，内径应该比标准件如螺栓的外径大0.5mm，表面形状成一标准圆形的孔就是圆孔，这种孔的位置要求非常准确，在安装配件时没有调节余量，所以用的比较多的是长孔，由于车身和冲压工艺的需要，长孔的外形被设计成由一个正方形和两个半圆组成，这样会保证安装配件时有一定的调节余量，从而能够使配件准确而方便的安装在车身上。定位孔

9、是在车身焊装时用来定位冲压件的孔，由于车身焊接装时要求位置非常准确，所以定位孔大多情况下是圆孔，也有极少定位孔因为特殊需要被设计成方形。这种孔冲压时要求大小和位置都要非常准确。工艺孔包括为了方便安装配件时故意留下的缺口、为了在电泳时流出泳液的孔、为了造型和减轻冲压件重量而设计的缺口、为了成型性不得不设计出的缺口等，工艺孔形状各异，大小不一，位置没有非常高的要求，工艺孔一般由目的、造型和冲压工艺决定。 2需要说明的是，在冲压件设计中，上述三种孔并不是彼此独立的，如定位孔也可以起到工艺孔的作用，工艺孔也可以作为定位孔来用，设计者应该根据实际情况灵活掌握这三种孔的区别。安装孔在特殊情况下可以作为工艺

10、孔来用，但是一般不能作为定位孔，因为定位孔在大部分情况下设计成长孔，以此来定位时会造成比较大的误差，其次安装孔在焊接前会焊上一个配件的标准件如凸焊螺母或者凸焊螺柱，如果强行作为定位孔来用的话，在夹具上会需要一个形状特殊难以加工的销，且造成定位不准确。图1-1为某车行李舱的内板的模型，可以看到在该内板上有上述的三种孔。图1-1行李舱内板（2）型面我们这里所说的型面包括冲压件上的曲面、弯角、凸台、加强筋等结构。型面是冲压件设计和制造上一个比较复杂的过程，尤其是比较复杂的型面，比如轿车的大型覆盖件的设计和制造就是一个非常耗时的过程。型面由造型、目的和冲压工艺能达到的程度决定。车身上的冲压件要求配合良

11、好，不互相干涉，冲压件之间要有足够的位置打焊，这些都是通过型面来保证的。需要焊接的两个或者更多冲压件之间打焊的型面要求贴合较好，以保证焊接质量，防止产生脱焊、虚焊等情况发生，从而保证车身质量。1.1.3 冲压件制造过程中可能出现的缺陷在冲压件制造过程中，会因为板料质量、压力机精度、模具结构和冲压工艺过程等原因使冲压件生产出来时有多种缺陷，如毛刺、叠边等，这些缺陷首先会影响冲压件的表面质量，在冲压件表面形成难看的瑕疵；其次这些缺陷会影响冲压件的强度和刚度，如有些冲压件生产出来会出现料厚不一的问题，在厚度较小的地方强度不足，会对车身的使用安全造成隐患；有些严重的缺陷会造成冲压件无法使用，极大的浪费

12、了冲压件生产过程中的人力和物力，而有些位置不准确的冲压件，会对白车身的生产造成影响，特别是白车身生产过程中应用频繁的定位孔和定位面，如果这些关键部位不准，白车身的焊装尺寸链就无法保证，白车身的尺寸精度也就无从谈起。下面我们通过几个冲压件生产过程中比较常见的问题来阐述上述冲压件缺陷。（1）毛刺毛刺一般出现在落料件和冲孔件上，由于模具设计不合理或者使用不当，在冲压件剪切 3面上形成，影响了剪切面的质量，毛刺的形式多种多样，如因为凹凸模之间间隙过小形成的高而薄的毛刺、因为凹凸模间隙过大形成的高而厚的毛刺等。一般情况下较少的毛刺不会对冲压件的使用造成影响，但是对于一些剪切面质量要求较高的冲压件，毛刺的

13、出现会对它们的使用造成影响，严重情况下甚至会使这些冲压件成为残次品4。（2）开裂开裂多发生在弯曲件上，如果对弯曲件的弯曲半径和角度要求过于严格，就会出现弯曲开裂，弯曲宽度较小的产品，开裂发生在宽度的两端；弯曲宽度较大时，开裂沿着弯曲线，在宽度的中间发生，如图1-2所示。开裂会对冲压件的质量、强度等造成极大影响，严重情况下会导致冲压件成为废品，出现开裂现象的冲压件用在车身上以后，随着车辆的不断行驶，开裂出会逐渐扩大，从而会对车辆的安全性造成隐患，所以开裂是冲压件制造过程中必须克服和避免的现象。弯度宽度小的开裂位置 弯度宽度大的开裂位置图1-2 开裂（3）起皱起皱是指冲压件变形不均匀，截面呈波浪形

14、的现射，如图1-3所示。引起起皱现象的原因多种多样，如模具设计不当或者使用不当等，但在根本上是由应力集中造成的，所以消除应力集中是解决起皱的根本方法。起皱会对冲压件的表面质量、强度和使用造成严重影响，会引起冲压件料厚的变化，严重的起皱会引起叠边甚至导致冲压件破裂，起皱也是冲压件制造上一个需要解决的问题。图1-3 起皱（4）回弹回弹多发生在弯曲件上，是指冲压件成型后，其弯曲角度和弯曲半径产生复原的现象， 4是材料的内应力分布不均导致变形不均匀引起的。回弹现象跟模具和材料都有关系，一般通过补偿模具回弹量来解决。回弹会对冲压件的精度造成影响，特别是车身上一些大型的冲压件，回弹会导致该件上关键点和关键

15、型面的连锁反应，从而因为精度达不到要求而成为废品。（5）精度差冲压件的精度差包括型面精度差和孔精度差等精度问题，指型面和孔的精度超出公差范围之外，如由左右拉伸不一引起的冲压件左右形状不一，弯曲结束时发生变形的孔等，一般情况下冲压件精度差可以通过调节模具来纠正。精度是冲压件的基本要求之一，特别是对于一些重要的孔和型面，要求冲压件在这些地方的精度必须保持在公差范围之内。 2 冲压件材料的选择冲压件所用材料一般为金属材料，主要有车身轻量化、强度和刚度、不断提高的安全性、防腐、乘坐舒适性和外观质量的品质等要求5。虽然，近年来轻质材料的研究和应用日益广泛，但钢板材料以其自身的性能优势保持着车身材料首选的

16、位置，约占整车钢铁材料的70，钢板材料的主要优点为成本低，特别是相对于塑料和轻合金，其次钢板材料具有加工难度小、强度高、成型工艺较为成熟容易回收且对环境污染较小。2.1金属材料的冲压性能参数大多数金属材料具有的弹性、塑性、冷加工硬化和热影响等性能，对冲压件成型性有极大的影响，在冲压件设计时应该分析，选择合适的金属材料，以满足车身结构性能、制造工艺和表面外观质量等要求，下面仅对一些重要的金属材料性能参数做一下简单的陈述，这些参数主要由实验方法得出。(1) 屈服点当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材仍然继续发生明显的塑性变形，此现象称为屈服，产生屈服现象的最小应力即为屈服点。屈服点由以下公

17、式求出：s=Fs/A0 （2-1）其中，s屈服点，MPa；Fs材料产生屈服现象时的载荷，N；A0材料的横断面积，mm2。通常以试件产生标准距离长度的0.2%残余变形时的应力作为其屈服强度，用0.02表示。屈服点是金属材料将要发生显著塑性变形的标志，一般与拉伸类成型性能成反比关系，且s越低其成型性能的稳定性越高。(2) 抗拉强度金属材料在拉伸载荷作用下，材料破裂与未破裂的临界点处载荷是材料抵抗破坏的最大 5抗拉力，所对应的应力为材料的抗拉强度，其计算公式如下：b=Fb/Ao （2-2） 其中，b 抗拉强度，MPa；Fb 拉断试件时的最大载荷，N；Ao 材料的横截面积，mm。抗拉强度是金属材料重要

18、的强度指标，在拉伸过程中，当载荷达到最大值即上式中Fb时，材料的变形由均匀变形阶段进入局部变形阶段，这种状态成为塑性拉伸失稳。抗拉强度越高，材料成型性能较高，但所需要的成型力也越大6。(3) 屈强比 屈强比是指屈服点与抗拉强度的比值，即sb。一般情况下，当材料的屈服比小时，材料的屈服点低，进行冲压变形的范围较大，而且在曲面零件冲压成型时，容易获得较大的拉应力，减小回弹和消除松弛，在一定的屈强比范围内，屈强比小者适宜拉伸，大者适宜胀形。(4) 均匀伸长率均匀伸长率是指金属材料受外力作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比。计算公式如下：u=Lu/Lo （2-3） 其中: u 均匀伸长率；Lu

19、 试棒伸长的长度，mm；Lo 试棒原来的长度，mm。均匀伸长率也是评价板料成型的一个重要参数，较大的板料均匀伸长率对拉伸类成型很有利，在一定条件下可能呈现正比关系7。当均匀伸长率较大时，板料具有较大的塑性变形稳定性，不易产生局部的较大变形而导致冲压件破裂。(5) 硬化指数大多数金属材料的硬化规律可以用下式表示:=Kn (2-4) 其中: 应力值；K 系数； 应变值；n 硬化指数。6 2硬化指数n可以用多种方法求出，比较常用的有两点法，即通过测量某两点的真实应力值和应变值，利用公式（2-4）求出K和n，两点法的取值点对结果有直接影响，因此，取值点必须在均匀变形范围内。n值大的板材，在加工时冲压成

20、型加工硬化剧烈，变形抗力增加较快，变形程度较为均匀，致使总体变形程度增大，对拉伸类成型有利8。(6) 板厚方向性系数板厚方向性系数为板材宽度应变与板材厚度应变之比，即：r=b/t （2-5）其中: r 板厚方向性系数；b 板料宽度应变；t 板料厚度应变。由于板材的r值具有方向性，即在板平面不同方向上的r常不一样，这时可以按平均值计算: r=1/4(r0+2r45+r90) （2-6） 其中: r r的平均值；r0 与板材轧制方向成0方向上的r值； or 与板材轧制方向成45方向上的r值； o45r 与板材轧制方向成90方向上的r值。 o90r较大时，表明材料在宽度方向上变形比较容易，在厚度方向

21、上变形比较困难，当材料伸长类成型时，板料的变薄量小，r大有利于这种冲压成型，但实验和理论都证明，当板料的r较大时，抗折皱性能好，拉深性能也好，板料的极限拉深性能更小，所以r是压缩类成型的一个重要评定参数。2.2 常用金属材料的冲压性能金属材料是现代车身上使用最多的材料，具有深拉延时不易产生裂纹、易于加工的优点。总体说来，车身用钢板应该具有良好的拉延性能、低屈服点、大的延伸率、可焊接性和涂装性较好、表面平整较好等要求。2.2.1 钢板钢板是车身冲压件用量最大的材料，钢板的种类很多，在汽车设计时应该根据车身要求选择使用不同性能的钢板，如防腐要求高的部位应该使用镀锌板，承受应力较大的地方应该使用高强

22、度钢板等9。(1)冷轧钢板按现行国家标准规定钢板分为薄板和厚板两种，凡厚度小于4mm的钢板叫做薄板，其余 7成为厚板。轧制薄板分为冷轧刚板和热轧刚板两种，其中冷轧钢板具有尺寸精度高、表面平整、屈服点低、成型性较好的优点。冷轧钢板的抗拉强度大约为300MPa，有一般用途的SPCC，拉延用的SPCD和深拉延用的SPCE三种。表2-1为车身上三种冷轧钢板比较常用的部件。表2-1车身上三种冷轧钢板比较常用的部件(2)热轧钢热轧钢板的成分与冷轧钢板基本相同，但其机械性能、表面状况和尺寸精度不如冷轧钢板，一般用于板厚较大且非外观件的板件。(3)不锈钢板不锈钢板的特点是其强度和硬度比普通钢板大，所以其冲压加

23、工力也比较大；其次其表面光洁，对于一些对表面要求高的冲压件有利，但是在冲压成型中容易划伤，加之不锈钢板冲压零件在成型后不再涂饰，因此表面划伤是不锈钢零件冲压加工中一个比较突出的问题，现在工程上针对这个问题比较常用的解决方法是在不锈钢板上铺上聚氯乙烯薄膜，保护不锈钢板的表面，防止划伤，而且还能减少摩擦，提高其拉深性能。需要注意的是，经复杂变形的不锈钢板冲压件，残余应力较大，可能在存放期间会导致时效开裂，因此一般要求对成型后的不锈钢板零件及时进行热处理，以消除其残余应力。(4)高强度钢板高强度钢板是对普通钢板加以强化处理而得到的新型钢板，具有屈服点高和抗拉强度高的特点，但其比重只有普通钢板的75，

24、所以，高强度钢板对减小车身重量和提高车身强度有极大的意义，并且可以降低耗能、提高汽车碰撞时的安全性，现代轿车车身多使用高强度钢板。高强度钢板的强化机制一般会在一定程度上牺牲其他的冲压性能，如伸长率降低、回弹大、成型力增大，高强度钢板通常会减小冲压件的厚度，这样就导致冲压件厚度减小后抗凹陷能力下降，但是随着近年来新型高强度钢板的研制和开发，高强度钢板的成型性已有很大提高，被广泛的用来替代普通钢板来制造车身的冲压件。(5)表面处理钢板对钢板表面进行处理是提高车身钢板的防腐性最有效的手段之一，近年来表面处理钢板已占车身钢板用量的6080，有些轿车甚至全部使用表面处理钢板。表面处理钢板是通过在普通钢板

25、或高强度钢板上涂刷锌、锌合金、铝、铅锡合金等防腐材料得到的，有单面和双面之分，在钢板一面上涂刷防腐材料即为单面处理钢板，在钢板上下两面都涂上防腐材料即为双面处理钢板。表面处理钢板最大的优点是耐腐蚀性、涂装性和装饰性都较好，缺点是随着镀层的厚度 8增加，可能会对钢板的成型性和焊接性造成不良影响，一般来说，当镀层超过40g/mm时，就不能保证钢板的成型性和焊接性，对焊接性的影响主要是因为在焊接时，焊钳的电极头可能会被镀层污染，导致无法打焊，特别是当镀锌钢板和普通钢板焊接时更是如此，所以在选择表面处理钢板的镀层厚度时，要考虑到对成型性和焊接性的影响。2.2.2 铝及其合金板铝材是车身冲压件上用的最为

26、普遍的一种非铁材料，其特点是塑性高、密度小、热稳定性能好和回收利用率高。铝材有纯铝和合金铝两种，铝的纯度在98%以上的叫做纯铝，低于98%的叫做铝合金，纯铝的强度很低，不能满足车身冲压件的强度要求，铝合金强度较好，是通过对纯铝进行合金化和热处理得到的，其加工硬化指数比纯铝大，从而加工冲压力也比纯铝大，但在形状稳定性方面，铝合金又比纯铝差。在车身冲压件上使用铝合金，可以极大降低车身的重量，达到车身的轻量化要求，如车身外板采用1.4倍厚的铝合金板代替普通钢板，因为铝合金板密度仅为钢板的1/3，因此，重量可以达到普通钢板的48%，而车身内板采用铝合金板时，因为空间尺寸其板厚可以和普通钢板保持一致，这

27、样重量会达到普通钢板的35%。铝合金在车身上应用的主要限制是成型性、焊接性、涂装、表面处理和成本等方面相对普通钢板要差一些，需要进一步研究解决。在应用硬化指数n和板厚方向性系数r对铝及其合金板的冲压性能进行评价时，铝材有时候会出现于钢板不用的规律。2.2.3 铜及其合金板铜及其合金板也是车身应用较多的非铁材料，铜的纯度在99%以上者称为纯铜，其余的为合金铜，常见的合金铜有黄铜和青铜。纯铜的抗压缩失稳能力和拉深性能都较差，在冲压中有时会出现比较严重的起皱现象；青铜的冲压性能很差，加工硬化也比较剧烈，往往需要中间退火才能继续成型，所以，青铜在车身上的应用比较少；铜及其合金板在车身应用最多的是黄铜，

28、黄铜的冲压性能与晶粒尺寸有很大关系，通常不同晶粒度的黄铜适合于不同形式冲压件的制造，如50m的黄铜适合于一般的拉深件，100m的黄铜适合于复杂的拉深件，通常，黄铜的晶粒度在15m-100m之间变化，黄铜晶粒大小与冲压件冲压类型的对比关系如表2-2所示。2.2.4 钛及其合金板钛及其合金板应用最为广泛的领域是航天航空，在汽车制造中偶然会用到，钛的抗腐蚀 9 2性高，可以耐大气、海水和许多化学物质的侵蚀10。钛板的r较高，具有较好的拉深性能，但是弯曲性能差，成型时需要极大的成型力，钛板冲压件的冻结性差，有较严重的回弹现象，表面出现划伤时会比其他金属严重的多，并且在制造钛板冲压件时容易损坏模具。钛板

29、同铝板和铜板一样，具有纯钛和合金钛之分，含钛99%以上的成为纯钛，含钛99%以下的称为合金钛，相对于纯钛来说，冲压件冲压加工主要应用合金钛。钛合金板冲压加工的主要特点是：（1）钛合金的屈服点s、抗拉强度b较高，弹性模量E小，因此，冲压所需的成型力较大，冲压件的回弹现象比较严重；（2）钛合金的屈服强比sb比较大，伸长率u和硬化指数n较小，拉伸类成型性能不佳；（3）强度和硬度都比较高，加工硬化较大，所以需要在冲压过程中需要中间退火，为了消除零件的残余应力，还需要最终退火；（4）板厚方向性系数r非常高，有较好的拉深性能；（5）增加冲压件料厚对钛合金板的冲压件成型性能改善很小，甚至有时候会起到反作用。

30、在进行冲压件的设计时，应该根据冲压件使用条件、功能、强度要求等，参考不同材料的属性和优点，根据金属材料的冲压性能参数合理选用冲压件材料，关于冲压件的条件、功能、强度等设计要求在下章会详细阐述。3 冲压件成型性仿真有限元基础车身冲压件成型过程是一个集几何非线性、物理非线性、边界条件非线性的非常复杂的变形过程，需要建立材料本构关系对应力应变进行描述，从而正确分析和模拟不同条件下的冲压件成型过程。建立材料本构关系通常基于两种基本理论：塑性力学变形理论和塑性流理论11。非线性问题的求解通常采用增量法、迭代法和混合法。在冲压件的成型分析中，大多采用增量法。增量法的实质是用一系列的线性问题去近似求解非线性

31、问题，增量法解决非线性问题可以保证计算精度和求解稳定性，并且能够反映结构加载过程，所以，在冲压件成型分析中，多数采用增量法。3.1冲压件成型的本构关系在任意时间T，连续体的体积为V，表面积为S，占有物理空间为R，参照适当的坐标系，用连续体在时间T所占有的物理空间表明连续体时，空间R就成为构形。连续体的未变形构形和变形之后的构形在形状上的变化叫做变形12。研究构形的变化，工程上主要有两种方法：拉格朗日描述和欧拉描述。在小变形问题上，拉格朗日描述和欧拉描述是一致的，在大变形问题如有限元变形上，因为连续体前后构形发生了较大变化，所以应该用客观的应力率和应 10变率描述，常用的应力应变关系模型有以下六

32、种：理想弹塑性模型、线性硬化弹塑性模型、幂硬化模型、带初值的幂硬化模型、两直线段带过渡曲线的应力应变曲线模型和分段折现实验数据模型。建立本构关系应该遵循如下原则：1、连续体中的某点应力由该连续体该质点附件处小区域范围内的变形历史和T时刻的状态决定；2、本构关系的函数不由观察者的角度决定，即不由时空参考坐标系的不同而变化；3、每一种材料的本构关系都是建立在一种屈服准则的基础之上。 3.2 屈服准则连续体中某质点的应力状态可以分解为六个独立的应力分量，在判断质点是否进入塑性状态时，应该同时考虑这六个方向上的应力状态，不能以一个应力分量作为判断标准13。在应力空间中，将屈服应力点连接起来，就形成一个

33、区分弹性和塑性的分界面，成为屈服面，由屈服面可以判断材料变形处于弹性阶段还是塑性阶段。工程上常用Mises屈服准则、Hill屈服准则和Barlat屈服准则来描述屈服面的数学表达式。(1) Mises屈服准则Mises屈服准则的数学表达式为：=s（3-1）Mises屈服准则可以这样描述：在一定的条件下，当物体内一点的应力偏张量的第二不变量达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态14。Mises屈服准则把板料处理为各向同性材料，在早期的冲压成型仿真中采用的比较多。(2) Hill屈服准则Hill屈服准则的数学表达式为：F(22-33)22222+G(33-11)+H(11-22)+2L23+2M+2

34、N31-1=0（3-2）其中，F、G、H、L、M、N 决定于材料在三个方向上的拉伸屈服应力和剪切屈服应力的常数。设y1、y2、y3表示拉伸屈服应力，y12、y23、y31表示剪切屈服应力，则由上式可以得出：2F=12+y2+y3+y112y3y112y12L=2G=2F=1212122L=y22L=121212y2y32y231 （3-3）2y3112y12111理论和实验研究表明，板料的塑性特征是各项异性的，Hill首先提出了一个二次屈服函数来描述各项异性材料的塑性行为，并且在冲压成型有限元仿真中得到了广泛的应用。(3) Barlat屈服准则Hill屈服准则在分析晶体塑性材料时遇到了困难，为

35、了解决Hill屈服准则的不足，Barlat提出了Barlat屈服准则。Barlat屈服准则的数学表达式为：F=aK1+K2m+aK1-K2m+(2-a)2K2m=2m （3-4）K2= （3-5）其中，a、h、p塑性各项异性的材料系数；沿轧制方向的等效应力；mBarlat指数，面心立方晶体材料取8，体心立方晶格材料取6。3.3 BT壳单元模型目前，可用于有限元数值模拟分析的单元有三类:基于薄膜理论单元、基于板壳理论的壳单元和基于连续介质理论的实体单元15。薄膜单元具有结构简单，对电脑要求低的特点，但是薄膜单元忽略了弯曲效应，考虑的应力仅是沿薄膜厚度均匀分布的平行于中面的应力，并且认为应变沿厚度

36、也是均匀分布的，因此，薄膜单元理论只适用于弯曲效果不明显的冲压仿真过程，对有明显弯曲效应的冲压仿真，薄膜单元并不适用。实体单元具有结构简单、精度高、分析准确的特点，因为实体单元考虑了板料变形中的弯曲和剪切效应，并且连续介质理论是三位理论，从而实体单元可以解决三维成型仿真问题，适用多种复杂的冲压仿真，但是实体单元对电脑要求太高，且非常耗时间，特别是处理一些复杂成型问题如覆盖件的成型时耗费时间更长，因此，实体单元在实际中运用的较少16。壳单元的效果介于薄膜单元和实体单元之间，精度比薄膜单元高，比实体单元低；耗时比薄膜单元长，但是比实体单元短，并且由于板壳理论本身就是研究三维变形的理论工具，因此，大

37、多数的冲压成型仿真都采用壳单元。壳单元种类繁多，但较常用的HughusLiu(HL)薄壳单元和BelytschkoTsay薄壳(BT)单元。HL薄壳单元由八节点实体单元退化而成，具有较高的计算精度，即使在进行较复杂的冲压成型时仍然可以保持较高的精度，该单元的缺点是公式复杂，计算时间长，在求解大型覆盖件时更是如此。12BT薄壳单元的优点是采用单点积分，计算过程简单，耗时较少，有较高的计算效率，所以目前使用较广，但是BT单元在计算过程中可能有零能量出现，成为沙漏，需要在计算过程中加以控制。目前的沙漏控制方法主要有两种，一种是Belytschko沙漏控制方法，通过引入沙漏形矢量获得沙漏模式下的应变速

38、度和应力变化率，把它加入到局部应力中；另一种是Englemann和Whirley的沙漏控制方法，把平面应变场分解为单点接分应变场和稳定应变场，最终确定沙漏力，加入到局部应力中。下面对BT薄壳单元进行一下详细的介绍。在每一个单元上，设定一个随动的坐标系。如图3-1所示。单元基底由下式确定： e3=r313142r42（3-6）Se11=r21-(r21e3)e3 （3-7）=S11，e2=ee31（3-8）e3总是垂直于参考面，当单元的四个点共面时，e3的方向与厚度方向重合，当壳体变形时，实际的厚度方向与e3之间存在一个角度，假定该角度很小，则有：其中，10-2。e3l-1<（3-9）图3

39、-1 随动坐标系BT薄壳单元内任意点的位移可分为中面位移和与单元转动有关的位移，根据薄壳理论的Mindlin假设，单元内部任意点的速度矢量可以根据该点在参考面上对应点速度V和角速度e3矢量来求得，即 V=V-zmm（3-10）13为该点到参考面的距离。 其中，z在单元坐标系内，应变速率的旋转分量为：jiV1V=+ij2 xxji （3-11）I，在求解运动方程后可以得到单元节点的位移速度矢量VI、角速度矢量和坐标矢量x（I=1,2,3,4）。根据四节点四边形单元的双线性节点插值，可以求得单元参考面任意点的速度矢量Vm、角速度矢量和坐标矢量x：mmm V=NI(,V)Im =NI(, )I （3

40、-12）xm=NI(,x)I其中，NI(,)，（I=1,2,3,4）为双线性型函数，其列式为：N1(,)=14141414(1-)(1-) (1+)(1-) (+1)+(1 )N2(,)=N3(,)=N4(,)=（3-13）(1-)(1+)薄壳单元采用分层单点积分，即积分在单元形心沿壁厚积分点进行，该处=0,=0。 将（3-12）、（3-13）、代入（3-11），令=0,=0，可求得单元形心处的速度应变：B =Bv+z1I1IxxIB =Bv+z1I2IyyI（3-14）yI（3-15）xIxy=+B2IvxIBv1IyI(B2I+z2yI-Bv1IxI)(3-16)xz(B=1IvxI+2N

41、IyI) （3-17）14yz=Bv2IyI-NIxI（3-18）BB1I=xy1(3-19)2I=1(3-20)： 按照单元材料的本构方程，可求得单元局部坐标系中积分点处的应力矢量 T=,xxyyxy,zxyzR（3-21）=0。 沿壳体板厚方向的应力沿壳单元壁厚积分可以求得在局部坐标下合力f和mijRij：fR=ijijdz(3-22） (3-23)mRij=-ijdz z根据虚功率原理可以计算出单元中心的合力和合力矩与单元局部坐标系下的节点力与节点力矩的关系：fff=A B1Ix1=A B1Iy1=A B1Iz1fffR+xxfB2IR （3-24）xxRRyy+Bf2I （3-25）x

42、yR+xzfB2IR （3-26）yzRmmxIR=A B2Imyy+xy-B1ImBm2IR1414kffR yz(3-27)yIR=A B1Imxx+R-xyk zz(3-28)mzI=0 （3-29）其中，A为单元面积，k为剪切修正系数。154基于Dynaform的冲压件成型过程分析在冲压件设计完成之后，需要对冲压件进行成型性仿真分析，解决冲压件成型过程中可能出现的各种缺陷，以防止产生不必要的损失。本文以汽车的前上横梁外板为例，分析软件为Dynaform。4.1数值模拟软件DYNAFORM简介DYNAFORM是由美国工程技术联合公司（ENGINEERING TECHNOLOGY ASSO

43、CIATES，INC）开发的一个基于LS-DYNA的板料成型模拟软件包。作为一款专业的CAE软件，DYNAFORM综合了LS-DYNA971强大的板料成型分析功能以及自身强大的流线型前后处理功能。它主要应用于板料成型工业中模具的设计和开发，可以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间和试模周期。DYNAFORM不但具有良好的易用性，而且包括了大量的智能化工具，可方便地求解各类板料成型问题。同时，DYNAFORM也最大限度地发挥了传统CAE技术的作用，减少了产品开发的成本和周期。DYNAFORM采用LIVERMORE软件技术公司（LSTC）开发提供的LS-DYNA 作为核心求解器。LS-DYNA

44、作为世界上最著名的通用显示动力分析程序，能够模拟出真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种非线性的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题17。在板料成型过程中，一般来说模具开发周期的瓶颈往往是对模具设计的周期很难把握。然而，DYNAFORM恰恰解决了这个问题，它能够对整个模具开发过程进行模拟，因此也就大大减少了模具的调试时间，降低了生产高质量覆盖件和其它冲压件的成本，并且能够有效地模拟模具成型过程中四个主要工艺过程，包括：压边、拉延、回弹和多工步成型。这些模拟让工程师能够在设计周期的早期阶段对产品设计的可行性进行分析。DYNAFORM具有良好的工具表面数据特征，因此可以较好地预测覆盖件冲

45、压成型过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成型性能，从而为板料成型工艺及模具设计提供帮助。DYNAFORM包括三个基本部分：前处理器（用来做网格划分以及分析和计算的前期准备），求解器（用来做模拟计算）和后处理器（用来做模拟结果的分析）。相应的有限元分析一般分为前处理、求解和后处理三个部分。4.2前上横梁外板零件的工艺分析本文以前上横梁外板为例，对运用DYNAFORM软件进行拉延成型过程的有限元分析方法展开介绍，其零件图如图4-1所示。所示的长度为1110mm，最大宽度为205mm，最大高度为99mm的狭长形零件，厚度为1.2mm，表面有36个大小不同的孔，而且在零件的两端和中间

46、部位存在明显的高度差。它可以由拉延、切边冲孔、翻边、冲孔整形四道工序完成。该零件在成型时应选择合理的冲压方向，以保证凸模全部直接进入凹模时，拉延深度差降为最小，目的是最大限度地减小材料流动和变形分布的不均匀性；同时凸模与毛坯具有良好的初始接触，可以减少毛坯与凸模的相对滑动，有利于毛坯的变形、并提高零件的表面质量18。 16图4-1前上梁外板零件图该零件要经过添加工艺补充部分之后才能进行拉延成型。工艺补充部分有如下两大类。一类是零件内部的工艺补充，即内工艺补充，也就是填补内部孔洞，创造适合于拉延成型的良好条件，这部分工艺补充不增加材料消耗，而且在冲内孔后，这部分材料仍可被适当利用。另一类工艺补充

47、是在零件沿轮廓边缘展开（包括翻边展开部分）的基础上添加上去的，它包括拉延部分的补充和压料面两部分。对于某些深度较浅、曲率较小的部位，必须使毛坯在成型过程中有足够的塑性变形量，才能保证其能有较好的形状精度和刚度。拉延件要设计一部分直壁，这样可以使凸模内部的毛坯在成型的最后阶段受较大的拉力，减少起皱的可能性。同时拉力的增加使凹模内部的毛坯增加了塑性变形量，拉延件的刚度也增加。压料面形状应尽量简单化，以水平面最好。在保证良好的拉延条件前提下，为减少材料消耗，也可以设计成斜面、平滑曲面或平面曲面组合等形状，尽量不要设计成平面大角度交叉、高度变化剧烈的形状。压料面应使成型深度小且各部分深度接近一致，使材

48、料流动和塑性趋于均匀，以减小成型难度。同时，用压边圈压住毛坯后，毛坯不会产生皱折、扭曲等现象。压料面应使毛坯在拉延成型和修边工序中都有可靠的定位，不在某一方向上产生很大的侧向力，并且充分考虑送料和取件的方便。4.3数据库操作(1)创建DYNAFORM数据库启动DYNAFORM软件后，程序自动创建默认的空数据库文件Untitled.df。选择FileSave as菜单项，修改文件名，将所建立的数据库保存在自己指定的目录下。(2)导入模型17选择FileImport菜单项，将上面所建立的“*.igs”模型文件导入到数据库中，如图4-2所示。选择PartsEdit菜单项，弹出Edit Part对话框

49、，编辑修改零件层的名称、编号和颜色，将前上梁外板零件层命名为PART。图4-2导入前上横梁外板零件模型文件(3)参数设定选择ToolsAnalysis Setup菜单项，弹出Analysis Setup对话框。默认的单位系统是长度单位为mm（毫米），质量单位为TON（吨），时间单位为SEC（秒），力单位为N（牛顿）。成型类型选单动（Single action）,凸模在毛坯的下面。默认的毛坯和所有工具的接触界面类型为单面接触（Form One Way S.to S.）。默认的冲压方向为Z向。默认的接触间隙1.0mm，接触间隙是指自动定位后工具和毛坯之间在冲压件方向上的最小距离，在定义毛坯厚度后此项设置的值将被自动覆盖。4.4网格划分(1)工具网格划分设定当前零