數(shù)值模擬在汽車覆蓋件壓延筋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用_圖文

1、 第28卷第12期2005年12月合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版JOU RNAL O F H EFE I UN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GYV o l . 28N o. 12D ec . 2005數(shù)值模擬在汽車覆蓋件壓延筋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用陳文琳1, 苗量1, 晏民2, 左志高2(1. 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 安徽合肥230009; 2. 合肥眾邦科技有限公司, 安徽合肥230088摘要:將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到汽車覆蓋件的壓延筋設(shè)計(jì)中, 可以提高壓延筋設(shè)計(jì)的合理性。用真實(shí)壓延筋進(jìn)行模擬真實(shí)度高, 但模擬速度慢, 用等效壓延筋進(jìn)行模擬方便、快速, 但真實(shí)度略差。本

2、文綜合考慮兩者優(yōu)點(diǎn), 用等效壓延筋模型和真實(shí)壓延筋模型相結(jié)合的方法, , 對(duì)其快速合理的壓延筋設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:汽車覆蓋件; 真實(shí)壓延筋; 等效壓延筋; 數(shù)值模擬中圖分類號(hào):T G 386. 49文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A (204Appl ica tion of nu m er ob ile panel drawbead design1122, M I AO L iang , YAN M in , Z UO Zh i 2gao(1. Schoo l of M aterial Engineering , H efei U niversity of T echno logy , H efei 2300

3、09, Ch ina ; 2. H efei ZhongBang T echno logy Company , L td , H efei 230088, Ch ina Abstract :In view of the difficu lty in design ing a reasonab le draw bead fo r the au tom ob ile panel , num er 2ical si m u lati on is app lied to draw bead design so as to m ake the design m o re reasonab le . T

4、he si m u la 2ti on resu lt app ears m uch true w ith the true draw bead bu t the si m u lati on speed is slow w h ile it is qu ick and conven ien t to si m u late w ith the equ ivalen t draw bead bu t the si m u lati on resu lt app ears less true . In th is pap er , the true draw bead m odel and th

5、e equ ivalen t draw bead m odel are com b ined to si m u late the fo r m ing p rogress of the ven t 2p i pe jo ist of the car ex 2floo r row . T he si m u lati on resu lts p rovide a basis fo r the qu ick and reasonab le design of the car s draw bead .Key words :au tom ob ile panel ; true draw bead

6、; equ ivalen t draw bead ; num erical si m u lati on在板料成形中通常通過(guò)壓邊圈來(lái)控制金屬流動(dòng), 但覆蓋件多為復(fù)雜的自由曲面, 周邊變形不均勻, 僅靠壓邊圈來(lái)改變壓邊力大小是不夠的, 而且較大的壓邊力會(huì)引起加工過(guò)程零件表面的劃傷, 這就需要設(shè)置壓延筋。通過(guò)對(duì)壓延筋的靈活布置來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)料阻力。對(duì)覆蓋件沖壓模具中的壓延筋設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)人員往往是憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì), 主要依靠模具調(diào)試時(shí)調(diào)整壓延筋, 這不僅增加了調(diào)模時(shí)間和調(diào)模難度, 而且浪費(fèi)了人力物力。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展, 通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)整個(gè)板料成形過(guò)程中收稿日期:2004212220; 修改日期:2005

7、204204作者簡(jiǎn)介:陳文琳(1963- , 女, 安徽安慶人, 合肥工業(yè)大學(xué)副教授.可能出現(xiàn)的缺陷, 給設(shè)計(jì)壓延筋提供依據(jù), 使得壓延筋的設(shè)計(jì)更加快速準(zhǔn)確, 減少物理試模時(shí)調(diào)試、1修筋的工作量。本文通過(guò)用等效壓延筋模型和真實(shí)壓延筋模型相結(jié)合的方法, 模擬轎車前地板排氣管托梁的拉延成形過(guò)程, 為壓延筋的快速準(zhǔn)確設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。1壓延筋模型1. 1壓延筋的作用機(jī)理在汽車覆蓋件沖壓成形中, 壓延筋被用來(lái)增 第12期陳文琳, 等:數(shù)值模擬在汽車覆蓋件壓延筋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1553大材料的流動(dòng)阻力、使變形均勻和提高零件的剛度。壓延筋通常由兩部分組成:壓邊圈上的筋和壓2, 3料面上與之相配的槽。沖壓過(guò)程中當(dāng)

8、板材流過(guò)壓延筋時(shí), 將在限流槽的凸肩及壓延筋上產(chǎn)生彎4曲與反彎曲的變形過(guò)程, 于是產(chǎn)生了流動(dòng)阻力。設(shè)F 阻為壓延筋單位長(zhǎng)度上的流動(dòng)阻力, F 彎是單位長(zhǎng)度上材料彎曲引起的拉伸阻力, F 摩是單位長(zhǎng)度上壓延筋與材料之間的摩擦阻力, 則F 阻=F 彎+F 摩, 基于此W eidem ann5(2 用等效壓延筋進(jìn)行模擬。即將壓延筋復(fù)雜的幾何形狀抽象為一個(gè)能承受一定約束力的附在模具表面的一條壓延筋線, 從而把壓延筋簡(jiǎn)化為作用在結(jié)點(diǎn)上的力, 不參與網(wǎng)格劃分 , 這樣便節(jié)省了計(jì)算時(shí)間, 模擬時(shí)更改也非常方便。但等效壓延筋沒(méi)有考慮板料流過(guò)壓延筋后的應(yīng)變問(wèn)題, 實(shí)際上板料在經(jīng)過(guò)壓延筋后, 無(wú)論是上表面還是下表

9、面都有10%左右的拉伸應(yīng)變, 也沒(méi)有考慮壓延筋端部尺寸的影響, 實(shí)際上壓延筋端部的變形狀態(tài)與中間部分完全不同, 因此與真實(shí)壓延筋相比, 7, 8建立了壓延筋阻力模型, 如圖1所示。F =t te4+3(4(R x +4(R x +。2 24(R x +4(R b +e 2+24(R b + e +22, 綜合考慮模擬的精度和速度, 通過(guò)真實(shí)壓延筋和等效壓延筋相結(jié)合, 對(duì)轎車前地板排氣管托梁的不同壓延筋設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬。2. 1前地板排氣管托梁成形工藝分析前地板排氣管托梁幾何形狀如圖2所示。板料在成形過(guò)程中經(jīng)歷了預(yù)彎和拉深變形, 薄板沿縱向彎曲變形, 在側(cè)向產(chǎn)生了拉深變形。經(jīng)分析, 該件在A 、B

10、 兩處有產(chǎn)生起皺的危險(xiǎn), 即A 處為淺拉深向深拉深過(guò)渡區(qū), 板料流動(dòng)比較集中。一方面, 預(yù)彎時(shí)板料從兩邊向中間堆積過(guò)多; 另一方面, 拉深時(shí)板料從兩側(cè)流入, 容易產(chǎn)生起皺和堆料, 因此在拉深設(shè)計(jì)時(shí), 在該處設(shè)置工藝凹包以緩解起皺。B 處為托梁兩端直邊部分, 處于彎曲邊緣, 拉深深度淺, 板料流入阻力較小, 也有起皺的危險(xiǎn)。2x +其中, t ; 為壓延筋的長(zhǎng)度; 為摩擦系數(shù); s 為板料的屈服極限; 為坯料彎曲角; R x 為槽的肩部半徑; R b 為筋的半徑; P 為單位長(zhǎng)度上的等效壓邊力。6圖1壓延筋阻力模型示意圖1. 2有限元模擬中的壓延筋模型在有限元模擬時(shí), 處理帶壓延筋的有限元模型一

11、般有兩種方法。(1 用真實(shí)壓延筋進(jìn)行模擬。即將壓延筋作為整個(gè)有限元模型的一部分, 對(duì)其進(jìn)行幾何造型、網(wǎng)格劃分, 一起參與計(jì)算和網(wǎng)格的再劃分, 因此其模擬的真實(shí)度比較高。但由于壓延筋的尺寸與整個(gè)成形毛坯相比, 所占的部分非常小, 而在壓延筋位置的成形過(guò)程又非常復(fù)雜, 要有效的反映這一過(guò)程, 就需要將網(wǎng)格劃分的非常細(xì)密。這樣在網(wǎng)格重劃時(shí)耗費(fèi)的時(shí)間比較多, 而且容易引起數(shù)值求解困難, 另外真實(shí)壓延筋的造型復(fù)雜, 不宜更改。圖2前地板排氣管托梁拉延工藝制作2. 2前地板排氣管托梁壓延筋設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)仿真前地板排氣管托梁件拉延成形模具模型的幾何造型如圖3所示。 1554合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 第28卷

12、1僅在直邊布置壓延筋; 方案2在直邊和圓角都布置壓延筋; 方案3僅在圓角布置壓延筋。2. 3模擬結(jié)果分析3種方案的模擬結(jié)果表明:方案1在直邊處布置壓延筋, 基本沒(méi)有改善圓角處的起皺現(xiàn)象, 而且在起皺區(qū)附近出現(xiàn)了開(kāi)裂。說(shuō)明在直筋兩端和圓角過(guò)渡位置, 材料流動(dòng)非常不均勻。由FLD 圖可知, 材料有一部分變形處于壓縮狀態(tài), 板料產(chǎn)生起皺失穩(wěn); 另一部分處于拉伸狀態(tài), 部分區(qū)域的變形力超過(guò)了材料的成形極限, 材料被拉破。2, 明顯, 但在直邊部分凸模圓, 有破裂趨, 加大了圓角部分的進(jìn)料阻力, 使得圓角部分壓縮變形大大減少, 剪切和拉伸變形增多, 起皺明顯改善。但在拉伸區(qū)部分材料的拉伸力接近或達(dá)到材料

13、的抗拉強(qiáng)度, 出現(xiàn)變薄現(xiàn)象。方案3僅在圓角處布置壓延筋, 基本上消除了圓角處的起皺現(xiàn)象, 且改善了凸凹模圓角處的變薄現(xiàn)象。與方案2相比較, 壓縮變形進(jìn)一步減少, 而剪切變形增多, 起皺進(jìn)一步得到改善, 但拉伸有所減少。分析結(jié)果表明方案1產(chǎn)生破裂不可取; 方案2和方案3都很好地解決了起皺問(wèn)題, 但方案21. 凹模2. 真實(shí)壓延筋3. 板料4. 凸模5. 壓邊圈圖3前地板排氣管托梁拉延成形模型的幾何造型對(duì)于托梁兩端直邊B 處, 板料流入阻力比較小, 進(jìn)料較多, 需要在該處設(shè)置壓延筋增加進(jìn)料阻力。沖壓過(guò)程中板料的變形狀態(tài), 筋的方案比較確定, , 同時(shí), 圖2所示的A 區(qū)拉深后的兩個(gè)圓角處側(cè)向進(jìn)料阻

14、力較大, 但直邊部分進(jìn)料容易, 而直邊部分進(jìn)料后又會(huì)向圓角處流動(dòng), 很難準(zhǔn)確掌握該處的材料流動(dòng)狀態(tài), 即難以定出該處的壓延筋布置方案, 因此在該處用等效壓延筋對(duì)其進(jìn)行模擬。真實(shí)壓延筋和等效壓延筋均采用半圓形筋, 圓角半徑5mm , 筋高8mm , 肩槽彎曲半徑1. 5mm , 板料用材料SPCC , 料厚1. 5mm , 楊氏模量207000, 泊松比0. 28, 模擬所用壓邊力為400kN , 摩擦系數(shù)為0. 11, 采用B T 殼單元, 模具和壓邊圈近似定義為剛體。本文對(duì)等效壓延筋的布置和長(zhǎng)度, 采用3種方案模擬并進(jìn)行了結(jié)果比較。3種設(shè)計(jì)方案及模擬結(jié)果如圖4所示。方案產(chǎn)生了變薄現(xiàn)象, 有破

15、裂危險(xiǎn); 綜合考慮前地板排氣管托梁是受力件, 材料變薄影響到該件的使用安全和使用壽命, 因此方案3更加合理。由于覆蓋件模具的設(shè)計(jì)與制造周期較長(zhǎng), 物理模擬結(jié)果將在后續(xù)的文章中加以分析研究 。 第12期陳文琳, 等:數(shù)值模擬在汽車覆蓋件壓延筋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1555圖4等效壓延筋在壓邊圈上網(wǎng)格圖及模擬結(jié)果FLD 圖J . 塑性工程學(xué)報(bào), 2003, (12 :913.2王孝培. 沖壓手冊(cè)M . 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1990.267-283.3高錦張, 陳文琳, 賈俐俐. 塑性成形工藝與模具設(shè)計(jì)M .3結(jié)論把數(shù)值模擬引入壓延筋設(shè)計(jì), 提高了設(shè)計(jì)的合理性。在壓延筋的數(shù)值模擬中, 有真實(shí)壓延筋模擬和等

16、效壓延筋模擬, 前者更加真實(shí), 后者更加快速方便。因此在對(duì)板料流動(dòng)狀況清楚、壓延筋布置確定時(shí), 布置真實(shí)壓延筋進(jìn)行模擬; 而當(dāng)板料成形過(guò)程中流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜, 流動(dòng)規(guī)律不明確時(shí), 可以通過(guò)等效壓延筋的靈活布置進(jìn)行模擬。本文采用該方法對(duì)汽車前地板排氣管托梁進(jìn)行了模擬, 在保證精度的基礎(chǔ)上節(jié)省了模擬時(shí)間, 并提供了合理地壓延筋設(shè)計(jì)。因此, 用真實(shí)壓延筋和等效壓延筋有機(jī)地相結(jié)合的方法對(duì)壓延筋進(jìn)行模擬, 能快速有效的確定覆蓋件成形時(shí)的壓延筋的設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1鄭金橋, 黃勇. 汽車覆蓋件沖壓工藝設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2001. 194-199.4陳關(guān)龍, 包友霞. 行李箱蓋板大變形區(qū)域的壓延筋結(jié)構(gòu)研究J . 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1998, 32(11 :144-147.5W eidem ann C . T he B lank Ho lder A cti on of D raw beads A .P roceeding of 10th B iennial I DDRC