汽車覆蓋件板成形的數值模擬技術及其在車身模具開發(fā)中的應用

1、汽車覆蓋件板成形的數值模擬技術及其在車身模具開發(fā)中的應用        實踐表明，汽車覆蓋件模具的設計制造離不開有效的板成形模擬軟件。世界上大的汽車集團，其車身開發(fā)與模具制造都要借助于一種或幾種植成形模擬軟件來提高其成功率和確保模具制造周期。東風汽車模具廠從2001 年5 月開始探討AutoForm 在解決汽車覆蓋件模具創(chuàng)造中的應用，經過各個階段的重點攻關，實現了:對汽車沖壓零件產品的可沖壓成形性進行分析，判定成形的難點和關鍵域;對汽車沖壓零件產品實現毛坯展開計算;對模具和工藝方案的確認進行有選擇性和針對性的模擬分析，給模具調試提供量

2、化的分析判斷數據，對可進行的模具調試方案進行判別，并對可行的調試方案提供具體技術參數;對模具和工藝方案進行反復優(yōu)化的多次模擬，用先于現場模具調試的模具CAE 技術，對拉伸模設計的可行性和可靠性進行量化的分析和判斷，對有欠缺的設計提出優(yōu)化改進方案。        1  AutoForm 與板料成形技術        AutoForm 的目標是解決"零件可制造性、模具設計、可視化調試"，約90% 的全球汽車制造商和100 多家全球汽車模具制造商和沖壓

3、件供應商都使用它來進行產品開發(fā)、工藝規(guī)劃和模具研發(fā)。    AutoForm 的特點:它提供從產品的概念設計直至最后模具設計的一個完整解決方案，其主要模塊有User-Interface (用戶界面)、Automesher (自動網格劃分)， Onestep (一步成形)、DieDesigner (凸模設計)、Incremental (增量求解)、Trim (切邊)、Hydro (被壓成形).支持Windows 和Unix 操作系統(tǒng);特別適合于復雜的深拉伸成形模的設計，沖壓工藝和凸模設計的驗證，成形參數的優(yōu)化，材料與潤滑劑消耗的最小化，新板料(如拼焊板、復合板)的評

4、估和優(yōu)化。    AutoForm 的前處理:從數據輸入到后處理結果的輸出， AutoForm 融合了一個有效開發(fā)環(huán)境所需的所有模塊。其圖形用戶界面(CUI) 經過特殊裁剪更適合于板成形過程，自前處理到后處理的全過程與CAD 數據的自動集成，網格的自動自適應劃分;所有的技術工藝參數都已設置且易變更，設置的過程易于理解且符合工程實際。    AutoForm 的求解器: AutoForm-Incremental 采用基于拉伸件的增量算法，目標是對模具和工藝方案進行反復優(yōu)化的多次模擬或為了確認模具和工藝方案而進行的有選擇性的模擬，全面討論

5、模具和工藝設計。它使用許多現代模擬技術，如應用新的隱式有限元算法保證求解的迭代收斂;采用自適應網格、時階控制、復雜工具描述的強有力接觸算法、數值控制參數的自動決定和使用精確的全量拉格朗日理論等保證求解快而且準確。它同時融于了許多工程應用技術，如考慮了加工硬化和應變率效應(strain-rate effect) 的各向異性材料模型;等效拉延筋阻力模型。    它可以模擬整個沖壓過程:板料的重力鼓應，壓料圈成形，拉伸成形。    AutoForm 對模擬結果融合了許多有效和宜人的解釋:可以實時地觀測計算結果。可觀測應力、應變和厚度分布、材

6、料流動狀況，可計算工具應力、沖壓力，可實現材料標記、法向位移的標識，可生成對破裂、起皺和回彈失效進行判定的成形質量圖以及成形極限圖。還可進行動畫顯示和截面分析等。        2 問題的提出        東風汽車模具廠在2002 年承接了東風汽車有限公司車身廠的EQ4160 車身覆蓋件模具的設計與制造工作，為保證模具的制造質量和周期，我們對其主要零件進行了成形模擬分析，取得了良好的應用效果。     2.1 產品介紹  &

7、#160;    前頂蓋料厚: 0.9-GB708-88 ，材料:08AI II HFGB710-88;坯料尺寸:0.9x 1520x2650mm。制件最大深度為368.3mm。法蘭邊都最小園角為R3mm。如圖1所示。其沖壓工藝是:剪片料、拉伸、修邊、斜模修邊整形、斜棋翻邊吊模.    2.2 拉伸形模凸模設計情況   凸模/拉伸件設計:車身大型覆蓋件的沖壓拉伸塑性成形性涉及到產品設計、沖壓工藝、沖壓設備、模具結構、沖壓材料等諸多因素。凸摸設計是根據沖壓工藝和模具設計知識，完成如壓料面的形狀及拉伸筋的布置等，他們按

8、掌握的經驗和知識，以獲得最佳的材料流動補充，達到拉伸出合格的拉伸件的目的。計算機模擬分析就是對凸模設計的可靠性和可行性進行分析驗證和更改，其凸模如圖2 所示。法蘭平面圓角R80mm ， 拉伸深度383mm 。        我廠曾做過EQ153 頂蓋， EQ153 頂蓋沒有分成2塊，一是因其平面尺寸較小，有相應的壓力機和板料實現沖壓;二是伸壓深度要由100mm 左右E 三是角部球形R 較大。        CAE 模擬分析被解決的問題:凸摸面設計的模擬與優(yōu)化，評估其成形可行性

9、并探索可能的模面修改方案。具體講:沒有破裂和皺紋等外現成形缺陷，拉伸件要有一定的剛性。        3 頂蓋的變形特點分析        頂蓋屬方盒形件的拉伸成形，其變形特點是:直邊相當于彎曲變形;圓角相當于圓筒拉伸;拉伸時圓角的金屬向直邊流動，使直邊產生橫向壓縮。其拉伸成形深度與法蘭角部的平面圓角r 和材料有關，如圖3 所示。    變形區(qū)(法蘭部分):從應力分析看，徑向受拉(徑向應力x>0)和切向受壓(切向拉應力y<O) ，正向

10、受壓(正向拉應力 z<0) ，若z很小可近似認為正向壓力z為0 ，即呈平面應力狀態(tài);從應變分析看，可認為沒有正向變形(正向壓應變實際上也是遠小于切向壓應變),可看作平面應變狀態(tài)，根據塑性變形的體積不變條件z+y+x=0 ;由z 0,z -y即徑向的拉伸變形幾乎全部轉變?yōu)椴牧系淖兒?，所以在變形區(qū)既要"開流"也要"限流"。    傳力區(qū)(側壁部分):在拉伸過程中，徑向和切向均受到拉應力的作用(zy0)，產生徑向和切向拉應變。從應力分析看，危險斷面主要受徑向應力z和切向拉應力y，可認為正向壓力z近似為0 ，即平面應力狀態(tài);從

11、應變分析看，切向變形不大(在接近拉伸下死點時可認為切向應變y近似為0) ，可看作平面應變狀態(tài)，根據塑性變形的體積不變條件z+y+x=0; 由yO知z -x，即徑向的拉伸變形幾乎全部轉變?yōu)椴牧系淖儽?，所以傳力區(qū)徑向容易失穩(wěn)破裂，切向容易失穩(wěn)皺折.成形時易出現的主要問題是:法蘭角部在切向壓應力下的起皺，它與凸模圓角、凹模圓角以及法蘭角的平面圓角有關;凸模圓角rp處和凹模圓角rd處的裂破壞以及側壁轉角處的壁裂，直壁松弛(有的還會現大波紋起伏狀的成形缺陷)和直壁破裂。解決措施: 為解決角部開裂，可以降低壓料力、使用p，較小和i較大的材料、增加料厚以減少材料的變薄量;原則是"在圓角開流，直邊限

12、流"，若為開流可以增大圓角處的凹模圓角半徑rd、加大間隙和潤滑減少摩擦;若為限流則反之，增大摩擦的最直接措施就是增加拉伸筋。        4 成形模擬分析        通過標準的ICES 數據轉換接口，將工具和坯料幾何模型讀人有限元分析系統(tǒng)中進行網格劃分，對覆蓋件成形模擬分析可用BT 殼單元對幾何模型進行離散，建立零件的有限元網格模型，如圖4 所示。并進而建立-個模具的有限元網格模型的裝配，如圖5 所示o    

13、     4.1 材料性能參數    材料力學性能試驗采用標距為80mm*20mm 的試樣，在電子拉伸試驗機和成形試驗機上進行試驗，測得的材料性能參數如下。屈服強度1: 147. 9OMPa; 抗拉強度吼b:295.44MPa; 均勻延伸率% :26.37; 總延伸率%:45.06; 強度系數k :540 .5 5MPa; 硬化指數n:O.256；O°、45°90°方向上的厚向異性指數r分別是:1.863、1.179 、2.531.    4.2 前頂蓋拉

14、仰凸模的成形模擬和拉伸模的虛擬調試        (1)第1 階段的模擬分析(在原始模面設計和造型的基礎上，以調毛坯和成形參數為主)。通過調節(jié)壓料力和摩擦系數等沖壓成形工藝條件和參數，經過多次模擬分析直至得到此條件下的最佳拉伸成形效果的板料毛坯和成形參數，結果如圖6 所示?？梢钥闯?A 區(qū)破裂， B 區(qū)接近破裂， C 區(qū)變形剛性不足。    (2)第2 階段的模擬分析(目標是減少第一輪模擬分析的缺陷)。    為消除A 處、B 處破裂:優(yōu)化毛坯即減小毛坯，局部修模以

15、利于材料流動。由于拉伸筋在增加進料阻力、防止起皺方面有著至關重要的作用，而且調整拉伸筋可以迅速調整進料阻力和進料量，所以為消除C處變形剛性不足，采取增加拉伸筋"限流"并采取其它綜合措施以減少或消除法蘭皺紋。圖7所示為在模具下側中部增加2/3 總長和2/5總長的另2條拉伸筋，增加2條等效拉伸筋，減少摩擦、并對壓料力和毛坯尺寸進行調整后模擬分析結果。        5 現場調試與結束語        根據上述拉伸成形模擬分析的結果，按照CAE 意見對前頂蓋凸模進行了修改，修改后的實際模擬分析結果如圖8 所示，并根據修改后的拉伸模的凸模數學模型對實物模具進行數控加工，模具實際制造裝配后按CAE 提供的沖