數(shù)值模擬在汽車板成形中的應(yīng)用

1、數(shù)值模擬在汽車板成形中的應(yīng)用吳 華 , 蔣浩民 , 汪承璞(寶鋼股份公司 技術(shù)中心 , 上海 201900 摘要 :在汽車和冶金工業(yè)中 , 板成形數(shù)值模擬廣泛地應(yīng)用于零件的選材和模具的設(shè)計 。 文 章論述了板成形數(shù)值模擬的基本方法及其發(fā)揮的重要作用 , 并采用動力顯式有限元軟件 DY NA3D 對轎車頂板的沖壓成形過程進(jìn)行仿真計算 , 分析了成形安全裕度 。 關(guān)鍵詞 :板成形 ; 數(shù)值模擬 ; 有限元分析 ; 靜力隱式算法 ; 動力顯式算法中圖分類號 :O242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :B 文章編號 :1008-0716(2002 01-0048-03Application of Numerical S

2、imulation in Sheet MetalWU Hua , J IANG Hao 2pu(B aosteel T , metal forming numerical simulation has been and die design. This paper summarizes the basic approaches of sheet numerical simulation and describes its great potentialities of it , meanwhile a calculation of the stam ping process of car ro

3、of panel is carried out by dynamic explicit finite element analysis s oftware DY NA3D ,and the forming safty margin is analyzed.K ey Words :Sheet metal forming ; Numerical simulation ; Finite element analysis ; Static im plicit alg orithm ;Dynamic explicit alg orithm1 引言近年來 , 我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展帶動了汽 車鋼板的大量使

4、用 , 為適應(yīng)現(xiàn)代汽車對高品質(zhì)鋼 板的使用要求 , 針對不同特點的汽車鋼板進(jìn)行使 用技術(shù)研究是汽車和鋼鐵企業(yè)都必須面臨的重要 課題 。 板料沖壓成形作為車身內(nèi)外覆蓋件和其它 沖壓件最為常用的成形方式是一個十分復(fù)雜的力 學(xué)過程 , 零件的起皺 、 破裂 、 回彈等缺陷與原材料 的成形性能 、 坯料的幾何形狀 、 沖壓方向 、 拉延筋 的布置 、 摩擦潤滑及壓邊力的大小等眾多因素有 密切關(guān)系 1。 在汽車整車產(chǎn)品中 , 作為汽車覆蓋 件一部分的車身部分的市場生存周期最短 , 變化 最頻繁 ; 同時傳統(tǒng)的模具設(shè)計和板材使用方法具 有強烈的經(jīng)驗依賴性 , 極大地制約了產(chǎn)品生產(chǎn)和吳 華 碩士 1974年

5、生 1999年畢業(yè)于上海交通大學(xué) 現(xiàn)從 事鋼板成形專業(yè) 電話 56780880-2902 生存周期 2。板成形數(shù)值模擬是金屬塑性加工領(lǐng)域中的前 沿課題之一 。 伴隨計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和有限 元理論的不斷成熟 , 數(shù)值模擬技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng) 用愈來愈廣泛 。由于在實際的模具設(shè)計 、 制造和 產(chǎn)品生產(chǎn)過程中 , 通過計算機進(jìn)行仿真能及時發(fā) 現(xiàn)問題并作出修改 , 提高模具的設(shè)計和制造質(zhì)量 , 縮短開發(fā)周期 , 降低制造成本 , 因而國外各大汽車 廠都把板成形數(shù)值模擬作為新車型開發(fā)的必要分 析工具 。 與此同時 , 一些鋼鐵廠為了提高汽車鋼 板的市場競爭力 , 采用先期介入的模式積極參與 汽車廠新車型

6、的開發(fā)和研制 , 通過計算機模擬了 解零件對鋼板的成形性要求 , 并根據(jù)自身的產(chǎn)品 特點指導(dǎo)汽車廠合理化選材 。筆者在論述板料成形數(shù)值模擬基本方法的基 礎(chǔ)上 , 采用動力顯式有限元軟件 DY NA3D 對轎車 頂蓋沖壓過程進(jìn)行仿真計算 , 分析零件的成形安 84 寶 鋼 技 術(shù) 2002年第 1期全裕度 。2 板料成形數(shù)值模擬基本方法板料成形過程是一個初始的金屬平板到目標(biāo) 形狀的變形過程 。從理論上分析 , 板料成形過程 是一個極其復(fù)雜的力學(xué)過程 , 同時包含幾何非線 性 、 材料非線性和接觸非線性 。 隨著有限元理論 、 塑性成形理論和計算機能力的發(fā)展 , 以及對沖壓 過程愈來愈深刻的理解

7、, 板料成形數(shù)值模擬技術(shù) 正逐步完善 , 國外許多比較成熟的商業(yè)化有限元 軟件 可 用 于 板 成 形 的 數(shù) 值 模 擬 , 如 Autoform 、 Dynaform 、 PamStam p 、 Marc 等 。 就算法而言 , 主要分 為靜力隱式算法和動力顯式算法 。2. 1 板料成形數(shù)值模擬中的基本算法塑性成形一般為準(zhǔn)靜態(tài)過程 , 傳統(tǒng)的模擬計 算方法采用靜力隱式算法 。 靜力隱式算法在理論 上是嚴(yán)格的 ,法 。:首 先 , 塑性成形問題是涉及幾何 、 材料和接觸的強非 線性問題 , 隱式算法在計算中不易收斂 , 往往得不 到問題的解 ; 其次 , 隱式算法要直接求解線性方程 組 ,

8、對于大規(guī)模工程問題 , 隨著尺度的變大 , 計算 量和 CPU 求解時間會成倍地增加 , 對問題的解決 十分不利 。 考慮到靜力隱式算法存在求解困難 、 效率低的缺點 , 近十年來 , 動力顯式算法在板成形 工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用 , 并得到充分發(fā)展 3,4。 就材料模型的本構(gòu)方程 、 單元類型的選擇 , 動 力顯式算法和靜力隱式算法基本相同 。 動力顯式 算法基于動態(tài)平衡方程 , 對空間域進(jìn)行有限元離 散化 , 對時間域的離散采用中心差分法 , 建立顯式 的有限元方程 , 無需迭代求解 。根據(jù)中心差分法 穩(wěn)定性條件 , 時間步長需滿足下式 5:t t =2/m式中 :t 為時間步長 ; t

9、為臨界時間步長 ; m 為 系統(tǒng)的最高圓周頻率 。動力顯式算法的這種特性使其在計算時消除 了收斂性問題 ; 由于不必直接求解線性方程組 , 當(dāng) 問題的尺度變大時 , 計算成本一般不會成倍增長 , 而只隨尺度線性增加 , 不易造成硬件瓶頸 ; 同時對 大變形 、 滑動和接觸的處理相對較容易 。動力顯式算法強大的非線性大規(guī)模工程問題 解決能力 , 使得它在板成形領(lǐng)域內(nèi)獲得較靜力隱 式算法更為成功的應(yīng)用 。 但動力顯式算法由穩(wěn)定 性條件決定的 t 很小 , 當(dāng)運算板材回彈時 , 為完 成整個卸載過程所需的時間 t 和 t 的比值是個 極大的數(shù)值 , 造成完成卸載的運算步數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 加載步數(shù) 。 實際

10、上 , 回彈過程主要是一個線性問 題 , 并可以不考慮接觸 , 為使用無條件穩(wěn)定的隱式 算法提供條件 。目前 , 加載過程采用動力顯式算 法 , 卸載 (回彈 過程采用靜力隱式是國際上板成 形模擬軟件開發(fā)的主要方向 6。2 . 2 接觸和摩擦處理一般情況下 , 板料成形是在沖頭運動的過程 中完成的 。 隨著沖頭的運動 , 。 正確的處理邊界的接 觸和摩擦是得到可信分析結(jié)果的關(guān)鍵因素之 一 2,5。常用的接觸力算法為 :拉格朗日乘子法和罰 函數(shù)法 。 在拉格朗日乘子法中 , 接觸力是作為附 加自由度來考慮的 , 通過將接觸界面的滑動約束 以乘子的形式列入有限元列式 。 拉格朗日乘子法 不允許接觸

11、邊界的互相穿透 , 能準(zhǔn)確描述幾何約 束條件 , 是一種精確的接觸力算法 。但是拉格朗 日乘子法在每個接觸點需引入一個乘子 , 增加了 系統(tǒng)自由度 , 提高了計算費用 , 并且與顯式算法不 相容 。 罰函數(shù)法是一種近似方法 , 在罰函數(shù)法中 允許接觸面之間的互相穿透 , 并通過罰因子將接 觸力大小和接觸邊界的穿透量聯(lián)系起來 , 接觸力 正比于邊界穿透量 。 采用罰函數(shù)法得到的方程不 包括拉格朗日乘子 , 節(jié)點位移為基本未知量 , 系統(tǒng) 自由度沒有增加 , 數(shù)值求解比較方便 。但要強調(diào) 的是罰函數(shù)法的精度對罰因子有著強烈的依賴 性 , 當(dāng)罰因子較大時收斂性較差 。摩擦力的計算需要選定一個適合接觸

12、界面摩 擦特性的摩擦定律 , 目前常用的摩擦定律是基于 經(jīng)典的庫侖摩擦定律 , 但是為了數(shù)值計算的穩(wěn)定 性作了一些修正 。在經(jīng)典的庫侖摩擦定律中 , 當(dāng) 接觸物體間的切向摩擦力 f t 小于臨界摩擦力 f tc 時 , 兩接觸面間的相對滑移為 0; 當(dāng) f t 等于 f tc 時 , 94吳 華等 數(shù)值模擬在汽車板成形中的應(yīng)用相對滑移是不定的 , 需由外界條件和約束決定 。 由于在板成形分析中 , 經(jīng)常會出現(xiàn)局部相對速度 很小或相對速度方向突變 , 因此產(chǎn)生的接觸面切 向突變會導(dǎo)致摩擦力大小和方向的突變 , 造成計 算不穩(wěn)定 。 目前較多采用光順函數(shù)來修正庫侖摩 擦定律 2, 使迭代容易收斂

13、, 但一定程度上降低了 有效摩擦力 。 3 計算實例某轎車的車頂外板原采用進(jìn)口材料 , 為了降 低生產(chǎn)成本 , 現(xiàn)擬用國產(chǎn)汽車鋼板替代 。為了保 證所選材料在該零件成形中具有一定的安全裕度 和剛度 , 寶鋼技術(shù)人員對該零件的成形過程進(jìn)行 了數(shù)值模擬 。通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換接口 , 將數(shù)據(jù)輸入車頂外 板的凹模和板坯的 C AD 模型 。如圖 1為車頂外 板的沖壓關(guān)系 C AD 模型 稱性 , , 束 , 分原則 , 采用 Belytschko 2Tsay 單元將車頂外板凹模 模型離散為有限元計算模型 , 如圖 2。圖 1 車頂沖壓關(guān)系 C AD 模型Fig. 1 C AD m odel for st

14、amping relation of roof panel計算所用材料力學(xué)性能如表 1所示 , 模具和板料之間的摩擦因數(shù) =0. 15, 采用修正庫侖摩 擦定律 , 模具間隙為 0. 9mm 。表 1 車頂外板用鋼板力學(xué)性能T able 1 Mechanical property of roof panel板厚 mm 屈服強度MPa 抗拉強度 MPa 延伸率%n 值r 值0. 8162313490. 231. 69圖 2 車頂外板沖壓成形有限元模型Fig. 2 Finite element m odel of roof panel圖 3為車頂零件拉延成形后的厚度分布 , 圖 4為車頂零件成形極

15、限圖 。圖 3 車頂零件厚度分布圖 Fig. 3 Thickness distribution of roof parts圖 4 車頂零件成形極限圖Fig. 4 F orming limit diagram of roof parts從計算結(jié)果看 , 板料最大變薄量為 11. 70%,變形劇烈部位在零件的周圍 , 零件成形安全裕度 為 17. 54%, 材料能滿足零件的沖壓成形要求 ; 由于頂蓋中央變形較小 , 為了增加零件的剛度 , 可適(下轉(zhuǎn)第 54頁 5 寶 鋼 技 術(shù) 2002年第 1期利用請求記錄功能 , 可以隨時了解設(shè)備在某一段 時間里各指標(biāo)的變化情況 。 4 報警提示系統(tǒng)的應(yīng)用案

16、例系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場之后 , 已有多項成功診斷案例 , 以下僅以 “軋線主馬達(dá)電流值 (RMS 值 超限 運行” 的實例作說明 。 當(dāng)帶鋼進(jìn)入軋機時 , 軋機主 馬達(dá)的電流值 (RMS 值 會迅速增大 , 正常情況下 RMS 值不會超過定額值的 100%, 但目前 RMS 值 在超限的情況下工作時有發(fā)生 , 這容易造成設(shè)備 磨損 , 降低使用壽命 , 對帶鋼的質(zhì)量也有不良影 響 。 因此 , 對主馬達(dá)電流值超限運行應(yīng)及時監(jiān)視 、 提早預(yù)報警 , 進(jìn)而診斷異常原因 , 是件非常重要的 工作 。 過去當(dāng) RMS 值超限時 , 現(xiàn)場操作人員總是 拿著故障報警信息去請教現(xiàn)場技術(shù)人員 , 通過現(xiàn) 場技術(shù)人員

17、分析 、 處理后 , 才能解決問題 。 這樣既 費時 , 又不能及時處理現(xiàn)場問題 , 示系統(tǒng)能及時解決問題 。 現(xiàn)場操作人員只要對準(zhǔn)報警信息雙擊鼠標(biāo) , 在主畫面上就會彈出解決此 問題的方案 , 為使用者提供提示 。 另外 , 通過對主 馬達(dá)異常趨勢分析確定了主馬達(dá)的維護(hù)周期 , 合 理地分配了 RMS 的定額值 , 從而避免了設(shè)備的損 壞 , 保證了帶鋼的質(zhì)量 。 5 結(jié)論自報警提示系統(tǒng)開發(fā)成功投入運行以來 , 陸 續(xù)協(xié)助現(xiàn)場操作人員解決了設(shè)備異常問題 。 有多 項實例可以證明 , 該系統(tǒng)確能迅速有效地反映設(shè) 備的狀況 , 并能掌握其劣化傾向 , 因而可以避免主 馬達(dá)電流值超限運行引起的設(shè)備

18、磨損 。 對確保設(shè) 備的正常運行 , , 提供了相當(dāng) 馬凱利(改稿日期 :2001-11-01 (上接第 50頁 當(dāng)提高材料的強度等級 。 4 結(jié)束語經(jīng)過 20多年的努力 , 板材成形數(shù)值模擬技術(shù) 得到了很大發(fā)展 , 并在實際的沖壓工業(yè)中得到了 廣泛的應(yīng)用 。在汽車鋼板選材分析過程中 , 應(yīng)用 板材成形數(shù)值模擬技術(shù)能方便地觀測到零件的沖 壓成形過程 , 了解其成形缺陷 , 從而在模具的工藝 參數(shù) 、 坯料的尺寸形狀和汽車鋼板性能特點之間 獲得最佳的匹配 。 隨著板材成形數(shù)值模擬技術(shù)的 進(jìn)一步成熟 , 可以說 , 板材成形數(shù)值模擬技術(shù)正推 動汽車和冶金企業(yè)的模具開發(fā)和汽車鋼板的選材 問題由傳統(tǒng)的試錯法向科學(xué)計算的變革 。參 考 文 獻(xiàn)1 康永林 . 現(xiàn)代汽車板的質(zhì)量控制與成形性 . 北京 :冶金工業(yè)出版社 ,1999:2412502 沈啟 . 金屬板料成形的數(shù)值模擬技術(shù)及其在汽車覆蓋件成形工藝設(shè)計中的應(yīng)用研究 . 上海交通大學(xué)博士論文 ,1999:573 董湘懷 , 鄭瑩 . 金屬塑性成形計算機模擬的若干進(jìn)展 . 金屬成形工藝 ,2000;18(1 :1 44 印雄飛 , 阮雪榆 . 板料成形過程的數(shù)值