汽車覆蓋件數(shù)值模擬

1、實用標準文案汽車覆蓋件數(shù)值模擬作者：陳蔚指導教師：徐虹精彩文檔實用標準文案汽車覆蓋件數(shù)值模擬摘要 基于改進的有限元逆算法和動力顯示算法開發(fā)的面向覆 蓋件設計和模具工藝設計的快速輔助工藝分析軟件 FASTAMP。該軟 件計算精度高，計算速度快，適合于分析覆蓋件設計過程中可能出現(xiàn) 的各種潛在缺陷，優(yōu)化沖壓工藝和模具設計，改變了傳統(tǒng)的工藝和設 計過程中，主要依靠簡單的解析理論，依靠經(jīng)驗和類比的設計方法， 可大幅提高覆蓋件與模具設計制造的速率， 降低生產(chǎn)成本，縮短開發(fā) 周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。1 ,前言金屬板料成形具有效率高、性能好、加工成本低、材料利用率高的 特點，廣泛運用于汽車、航天、造船和家電等工業(yè)

2、生產(chǎn)領域，特別是 在汽車工業(yè)中。汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)， 汽車覆蓋件是汽車 產(chǎn)品最重要的組成部分之一，它包括車身和底盤所有用板料沖壓而成 的沖壓件，在制造費用上，汽車覆蓋件則占整個汽車制造費用的 70% 以上。大型汽車覆蓋件的沖壓技術是汽車（尤其是轎車）制造業(yè)的核 心技術之一，一直是制約我國汽車制造業(yè)發(fā)展的瓶頸環(huán)節(jié)， 雖然改革 開放以來，我國已能生產(chǎn)奧迪、捷達、大眾、富康等轎車，但這些轎精彩文檔實用標準文案車的覆蓋件生產(chǎn)模具和沖壓生產(chǎn)關鍵技術幾乎全部都是依靠外國進 口。即使是我國自主開發(fā)的車型，特別是輕型車，大部分覆蓋件模具 和沖壓生產(chǎn)技術也是進口的。因此研究汽車覆蓋件成形問題是非常有

3、必要的，具有廣泛的應用價值和市場潛力。汽車覆蓋件沖壓產(chǎn)品的最終成形，往往需要經(jīng)過多道工序，由此必 然導致零件的材料性能、厚度分布、殘余應力等信息帶有了許多不可 預知性，這樣就對當前工序的成型控制和模具優(yōu)化設計帶來很大困 難。不但延長了產(chǎn)品研制周期，增加了生產(chǎn)成本，而且常常造成模具 的報廢，浪費大量人力和資金。同時由于汽車工業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)量的提 高，迫使各生產(chǎn)廠商大量采用多工序成形技術， 以滿足流水線生產(chǎn)作 業(yè)的技術需要。這樣，多工序生產(chǎn)所帶來的技術問題日益突出，因此 研發(fā)覆蓋件全工序成形模擬系統(tǒng)顯得日趨重要。經(jīng)過多年理論研究與軟件開發(fā)，華中科技大學模具技術實驗室在板 料成形模擬的動力顯示算法和有

4、限元逆算法方面取得成果，開發(fā)出了板料成形快速仿真軟件FASTAMP。其改進的逆算法模塊綜合考慮了 摩擦、壓邊力、拉伸筋等工藝參數(shù)對沖壓成形的影響；可以快速、精 確的模擬零件或沖壓件的毛皮尺寸以及工藝沖孔、工藝切口的尺寸和位置，是面向產(chǎn)品設計和模具工藝設計的輔助分析工具； 其動力顯示 算法可以模擬覆蓋件成形過程中的起皺，破裂以及成形后的回彈現(xiàn) 象，通過成形極限圖（FLD）和起皺極限圖（WLD）進行工藝性分析， 是面向模具工藝設計的校核工具。精彩文檔實用標準文案2.1 汽車覆蓋件成型模擬的發(fā)展概況板料成形數(shù)值模擬始于60年代。這些早期研究采用的不是有限元 法，而是有限差分法，所分析的問題都是像園板

5、液壓脹形、半球形沖 頭或平地沖頭下的脹形和拉延成形這樣較簡單的問題。從數(shù)值模擬的角度來看，這三個問題分別代表了模擬的不同難度。 液壓脹形不包含 模具問題，只是通常的大變形塑性力學問題； 對于沖頭脹形必須考慮 沖頭與板材之間的接觸摩擦，并且接觸是隨沖頭的行程變化；對于拉 延成形還得考慮板材在凹模與壓邊圈之間的滑動。采用有限元法的板料成形數(shù)值模擬始于 70年代。采用彈塑性增量 理論研究了園板液壓脹形問題，也采用該模型研究了半球形沖頭和平 底沖頭下的脹形和拉延問題，但對于其接觸和摩擦的考慮過于粗糙， 在其研究中，假設接觸是粘著性的，即只要板材與模具接觸之后即粘 著與模具之上。美國三大汽車公司從20世

6、紀80年代就開始普遍應用CAE技術來 進行車身的開發(fā)和制造。福特公司針對車身覆蓋件的特點，經(jīng)過長期 研究于1981年完成汽車覆蓋件的行李箱蓋沖壓成形 CAE仿真，接 著又完成轎車前翼子板沖壓成形 CAE仿真，在薄板成形數(shù)值仿真研 究基礎上，開創(chuàng)了汽車覆蓋件沖壓成形仿真分析應用領域研究。隨著計算機科技的飛速發(fā)展和有限元方法的成熟，在汽車工業(yè)應用需求的推動下，板材成形過程的計算機仿真迎來了蓬勃的發(fā)展時期。汽車覆蓋件沖壓成形仿真已經(jīng)成為相當成熟的工業(yè)應用技術，人們不但能夠利用CAE技術仿真復雜的三維汽車覆蓋件的成形，而且能夠精彩文檔實用標準文案利用仿真結果指導實際生產(chǎn)。我國在板料成形數(shù)值模擬方面起步

7、較晚，但正在迎頭趕上，從20世紀80年代開始有學者在板料成形數(shù)值模擬方面做了一些工作。經(jīng) 過多年的發(fā)展，我國在板料成形數(shù)值模擬方面取得了很大進展， 但主 要集中在部分高校里。北京航空航天大學的熊火輪采用 ADINA程序, 模擬了寬板拉延、液壓脹形及汽車暖風罩的成形過程。 華中理工大學 的董湘懷采用薄膜三角形單元，建立了用于板材成形分析的有限元模 型，用“彈性邊界層”的方法處理接觸邊界，并用獨立開發(fā)的彈塑性 有限源程序?qū)行瘟慵蜋C油收集器的成形過程進行了分析。哈爾濱工業(yè)大學的張凱峰采用剛粘塑性本構關系， 開發(fā)了粘塑性板殼成形有 限元分析程序，并已經(jīng)得到工業(yè)應用。湖南大學的李光耀在國家自然 科學

8、基金的資助下，開展了沖壓成形過程的動力顯示有限元分析程序 的開發(fā)和研究。吉林大學胡平課題組在前人工作的基礎上， 建立了能 描述由正交法則向非正交法則光滑過度的彈塑性有限變形的模擬流 動理論，用這個理論模擬了園板的脹形，圓筒件、盒形件、錐形件和 紅旗488轎車油底殼的拉延過程，模擬了盒形件拉延過程中法蘭部 分的起皺，錐形件拉延過程中側(cè)壁的起皺，并用空單元技術形象的模 擬了破裂過程。華中科技大學的柳玉起采用有限元逆算法和動力顯示 算法開發(fā)了 FASTAMP軟件，該軟件計算精度高，計算速度快，適合 于分析覆蓋件設計過程中可能出現(xiàn)的各種潛在缺陷，優(yōu)化沖壓工藝和 模具設計，改變了傳統(tǒng)的工藝和設計過程中，

9、 主要依靠簡單的解析理 論，依靠經(jīng)驗和類比的設計方法，可大幅提高覆蓋件與模具設計制造精彩文檔實用標準文案的速率，降低生產(chǎn)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)在，許多汽車制造企業(yè)都有覆蓋件沖壓成形仿真模擬系統(tǒng)，例如福特公司采用MTL-FRM軟件，上海大眾和東風公司采用Autoform 軟件，豐田采用ITAS-3D軟件，通用GM、本田、福特和克萊斯勒 采用LS-DYNA3D軟件，寶馬和菲亞特采用 PAM-Stamp 軟件，一 汽、長安、南京汽車采用 DYNAFORM 軟件，奧迪采用INDEED軟 件等。這表明沖壓成形仿真技術已廣泛運用于汽車工業(yè)，成為汽車工業(yè)降低成本、提高質(zhì)量和市場競爭力的重要手段

10、。2.2 汽車覆蓋件全工序成形模擬研究狀況經(jīng)過近三十年的數(shù)值模擬仿真研究，人們已經(jīng)能夠成功的對覆蓋件 沖壓成形過程進行仿真，從而指導設計和生產(chǎn)，降低成本，提高企業(yè) 的市場競爭力。但是由于汽車覆蓋件本身的復雜性， 覆蓋件沖壓成形 的影響因素極其復雜，因而覆蓋件沖壓成形問題的研究中依然存在很 多問題。目前，板料成形數(shù)值模擬技術在單工序成形模擬領域已經(jīng)趨步成 熟，多工序成形模擬技術研究也逐步從實驗室走向應用階段。目前對于大多數(shù)汽車廠和模具企業(yè)，仿真僅局限于拉深階段。但是在有些階 段，一些成形缺陷往往出現(xiàn)在拉深之后的工序，因此對汽車覆蓋件完整的成形過程（包括拉深、修邊、翻邊、卷邊、精整等工序）進行仿

11、真就很有意義，它便于對可能出現(xiàn)的缺陷進行預報， 便于研究成形過 程對汽車覆蓋件抗凸性和抗疲勞性的影響。目前，在金屬板料沖壓成形模擬領域最為著名的專業(yè)軟件有瑞士的精彩文檔實用標準文案AUTOFORM ,它采用靜力隱式算法進行求解，采用了全拉格朗日理論，由于對殼單元面內(nèi)和橫向剛度都進行了解耦， 消除了剛度矩陣的病態(tài)，保證了計算的收斂性，求解速度很快。該軟件可自動進行網(wǎng)格 剖分，自動生成和交互修改壓料面，工藝補充部分，拉伸筋，凹模入 口線，板坯材料等，可以自由選擇調(diào)整沖壓方向，產(chǎn)生工藝切口，模擬重力作用、壓邊、成形、修邊、回彈等全工序或工藝過程。如圖 1 為其多工序成形模擬過程。圖11 AUTOFO

12、RM 名工序成，歷模以ETA/DYNAFORM 是由美國ETA公司和LSTC公司共同開發(fā)的用 于板料成形模擬的專用軟件包，求解器是 LS-DYNA3D和MSTEP。 它提供了一套完整可行的板料成形數(shù)字化解決方案，精確預測沖壓成 形過程中的金屬成形問題（開裂、起皺、減薄、劃痕和回彈等） ；快 速設計模具，材料成本估算，快速分析產(chǎn)品的成形性等。DYNAFORM 是一個完整的前后處理和求解軟件包，包括 CAD接口、前處理、求 解器及后處理等分析和設計工具，可以在各主流工作站上運行，將精彩文檔實用標準文案DYNAFORM和目前高端的、低成本的硬件結合起來，大大縮短了模具設計與開發(fā)的周期，降低了開發(fā)成本

13、，提高產(chǎn)品質(zhì)量。具全工序成形模擬過程如圖1.2所示。（1）一次地延由 二狀拉量向 劃邊 艇施塔國1 2 DYNAFORM的名IJT成模擬過一PAM-STAMP軟件是由世界著名仿真模擬和制造解決方案供應商 法國ESI集團推出的集成化沖壓模擬解決方案。 該方案涵蓋了從模具 設計的可行性研究，到設計驗證，直至制造工藝優(yōu)化的整個制造鏈。 PAM-STAMP的主要功能包括模面生成與修改模塊，快速分析法成 形分析模塊，精密成形分析模塊，回彈與剛度分析模塊。所有的模塊 都集成在統(tǒng)一的操作環(huán)境中。其中，緊密成形分析模塊為用戶提供了 實際沖壓工業(yè)條件下，如考慮重力影響、壓邊過程、多步成形、各種 拉延、切邊、翻邊

14、、和回彈等復雜情況下可視化的沖壓過程模擬，全 面實現(xiàn)了汽車覆蓋件成形的全工序全流程仿真。2.3 汽車覆蓋件全工序成形模擬的技術難點從上訴三大軟件分析來看，汽車覆蓋件全工序仿真已成為板料成形 仿真的發(fā)展方向，是現(xiàn)階段的熱點問題?？偟膩碚f，目前國際成熟的 商品化軟件雖然陸續(xù)提供了板料成形全工序模擬的解決方案，但功能不夠全面，具都存在或多或少的缺點，主要有以下幾點：第一，前處精彩文檔實用標準文案理建模時間過長，如DYNAFORM不同工序間還需要用戶的手工設 置和干預，消耗了大量的時間。第二，求解精度還有待提高，如 AUTOFORM采用的隱式算法和簡化的等效彎曲三角形膜單元，計算精度較差。而DYNAF

15、ORM 軟件由于沒有網(wǎng)格減密技術，在用時方 面DYNAFORM 軟件計算開銷時間最長。第三，沒有基于完全的實 際沖壓工藝流程，雖然可以模擬全部的工序，但是實際的工藝流程體 現(xiàn)的不完全。如 DYNAFORM 無法模擬拉延成形過程中的工藝切口 問題。第四，操作過于復雜，如PAMSTAMP設置過程比較繁瑣，易 用性較差，界面不夠美觀。3.FASTAMP 軟件3.1 FASTAMP 軟件的應用FASTAMP軟件經(jīng)過大量的工程應用和實驗結果的比較，證明了模 擬結果是可靠的，可以應用于汽車覆蓋件產(chǎn)品項目管理、設計分析、 可制造性分析與工藝優(yōu)化設計。(1)面向覆蓋件項目管理FASTAMP軟件可以在非常短的時

16、間內(nèi)對覆蓋件進行可成形性分析，項目管理者可以估算模具制造的難 度，估算項目成本和周期，降低項目風險。如果對每個零件都進行可 成形性分析，就可預估其制造工藝的難度，更好的掌握項目的進度。項目管理者可以根據(jù)產(chǎn)品制造的難度選擇合適的模具制造商，協(xié)調(diào)與模具制造商之間的關系把握整體項目開發(fā)周期，控制項目的質(zhì)量。 模具制造商也可預估產(chǎn)品制造難度與毛坯尺寸，比較準確的估算模具精彩文檔實用標準文案制造成本和周期，使其在項目競爭中處于更有利的地位。(2)面向覆蓋件產(chǎn)品設計傳統(tǒng)產(chǎn)品設計主要依靠簡單的解析理論，依靠經(jīng)驗和類比的方法。這種設計方法，即使對經(jīng)驗豐富的設計 人員來說，也只能提供一種定性的估算，很難避免產(chǎn)品

17、設計中潛在的 缺陷。FASTAMP面向產(chǎn)品設計人員，在鉞金零件設計過程中，可以定量 的快速分析局部或整體的工藝性， 發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計中的潛在缺陷，減少 后續(xù)設計工藝和模具制造過程中的困難。 在零件設計過程中考慮其可 制造性，在考慮產(chǎn)品外觀的同時，將產(chǎn)品設計與工藝設計有機的聯(lián)系 起來。圖1a為一汽車支架零件，通過FASTAMP軟件分析可以發(fā)現(xiàn) 其在A、B、C三個區(qū)域存在明顯的起皺現(xiàn)象，其中 A區(qū)通過適當工 藝補充能夠比較容易克服，B區(qū)和C區(qū)的起皺比較難以消除。根據(jù) FASTAMP增量法的成形過程模擬可以發(fā)現(xiàn) (圖1b ) B區(qū)的起皺無法 消除，這與實際結果是一致的。(3)用于產(chǎn)品選材 沖壓工藝和沖壓

18、模具結構設計，不僅沖壓件精彩文檔實用標準文案的結構形狀有關，而且和選用的板材直接相關。合理的產(chǎn)品結構可以 降低工藝設計的難度，正確的選用板材也是重要的因素。FASTAMP可以用在產(chǎn)品設計中確定板材類型，將選材與產(chǎn)品設計 和工藝設計聯(lián)系起來，用戶可以根據(jù)所選板材類型合理的設計產(chǎn)品形 狀，也可以根據(jù)產(chǎn)品形狀結構選擇板材類型。如圖 2a和2b所示， 分別采用ST16和08A1S板材，模擬汽車發(fā)動機罩內(nèi)板的成形性。由 于兩種材料性能差別較大，模擬結果表明采用08A1S板材的破裂趨勢比ST16嚴重得多，說明08A1S板材不能滿足該產(chǎn)品的成形性需求， 這與實驗結果也是一致的。(4)面向工藝設計 FASTAMP軟件面向汽車覆蓋件工藝設計， 建立了精確的工藝參數(shù)和工藝條件數(shù)值化模型，可以精確的計算毛坯尺寸；快速的模擬覆蓋件成形后的起皺、破裂、成形不足等缺陷；可 優(yōu)化壓邊力、拉伸筋、摩擦等工藝參數(shù)；校核壓料面和工藝補充面是 否合理；從而為汽車覆蓋件工藝設計和優(yōu)化提供了全面的解決方案。圖3a所示為汽車地板的產(chǎn)品可成形性分析結果， 從FLD中可以發(fā)精彩文檔實用標準文案現(xiàn)該零件在臺階處厚度減薄很嚴重， 在其他區(qū)域還有起皺趨勢。工藝 設計時，避免這些不嚴重的起皺是比較容易的， 但是克服起皺時由于 增大壓邊力，必然會進一步增大臺階處的