薄板沖壓數(shù)值模擬技術(shù)在汽車覆蓋件制造中的應(yīng)用

1、薄板沖壓數(shù)值模擬技術(shù)在汽車覆蓋件制造中的應(yīng)用         一、引言     汽車覆蓋件成形加工生產(chǎn)目前主要依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)來制定沖壓工藝、開發(fā)相關(guān)模具，具有相當(dāng)大的隨意性和不確定性。然而板料成形的力學(xué)過程及成形影響因素非常復(fù)雜，是一個集幾何非線性、材料非線性、接觸非線性于一體的強(qiáng)非線性問題，用傳統(tǒng)的解析方法很難求解。塑性成形理論經(jīng)過100多年的發(fā)展，已相當(dāng)成熟。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及，板料塑性成形過程用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬已成為一項(xiàng)有效解決該問題的高新技術(shù)。   &#

2、160; 汽車覆蓋件包括覆蓋汽車發(fā)動機(jī)、底盤、構(gòu)成駕駛室及車身的所有厚度3mm以下的薄鋼板沖壓而成的表面和內(nèi)部零件，其重量占到汽車用鋼材總量的50%以上。汽車覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、多為復(fù)雜的空間曲面、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量高等特點(diǎn)。在沖壓時毛坯的變形情況復(fù)雜，故不能按一般拉伸件那樣用拉伸系數(shù)來判斷和計(jì)算它的拉伸次數(shù)和拉伸可能性，且需要的拉延力和壓料力都較大，各工序的模具依賴性大，模具的調(diào)整工作量也大。汽車覆蓋件成形過程中板料上的應(yīng)力應(yīng)變分布情況非常復(fù)雜，成形質(zhì)量影響因素較多。從變形方式看，板料的成形是拉延、翻邊、脹形、彎曲等多種變形方式的組合過程。對一個給定的零件來說，一套合理的模具和工藝

3、方案的確定，不僅要靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算，還往往離不開反復(fù)地試模和修模。因此汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是要解決好沖壓過程中板料不同部位之間材料的協(xié)調(diào)變形問題，既要避免局部區(qū)域過分變薄甚至拉裂，又要避免起皺或在零件上留下滑移線，還要將零件的回彈量控制在允許的范圍內(nèi)。     目前，板料沖壓過程的計(jì)算機(jī)分析與仿真技術(shù)（非線性有限元分析技術(shù)）已能在工程實(shí)際中幫助解決傳統(tǒng)方法難以解決的模具設(shè)計(jì)和沖壓工藝設(shè)計(jì)難題，如計(jì)算金屬的流動、應(yīng)力應(yīng)變、板厚、模具受力、殘余應(yīng)力等，預(yù)測可能的缺陷及失效形式，如起皺、破裂、回彈等。在汽車覆蓋件的設(shè)計(jì)中采用數(shù)值模擬技術(shù)能從設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確預(yù)測

4、各種工藝參數(shù)對成形過程的影響，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)，縮短模具的設(shè)計(jì)制造周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高模具和沖壓件產(chǎn)品品質(zhì)。     二、汽車覆蓋件沖壓數(shù)值模擬中的關(guān)鍵技術(shù)     汽車覆蓋件沖壓模擬所采用的有限元方法是彈塑性有限元法。彈塑性有限元法在板材成形數(shù)值模擬領(lǐng)域采用Lagrange描述，不僅能計(jì)算工件的變形和應(yīng)力、應(yīng)變分布，而且還能計(jì)算工件回彈和殘余應(yīng)力，是板材成形數(shù)值模擬的主要方法。在汽車覆蓋件沖壓成形過程中，坯料與模具所構(gòu)成的大變形接觸沖壓系統(tǒng)都須滿足弱形式的虛功原理，而方程的求解涉及到時間域的數(shù)值積分方法問題。 &#

5、160;     目前汽車覆蓋件沖壓分析多采用動態(tài)顯式算法。在顯式求解法中，用中心差分法進(jìn)行動態(tài)問題的時域積分。顯式求解法既沒有收斂性問題，也不需求解聯(lián)立方程組，但時間步長受到數(shù)值積分穩(wěn)定性的限制。而在回彈模擬階段普遍采用靜態(tài)隱式算法求解。接觸問題中的接觸力大小則通過拉格朗日乘子法或罰函數(shù)法求解。     板料的彈塑性變形的有限元方法求解步驟：建立沖壓過程的力學(xué)模型建立相應(yīng)的有限元分析模型根據(jù)板料變形特性選定殼體單元類型并確定有關(guān)參數(shù)根據(jù)板料變形特性選定彈塑性本構(gòu)關(guān)系及有關(guān)參數(shù)根據(jù)板料和模具的表面特性及其潤滑狀態(tài)選定摩擦定律及參數(shù)對壓

6、料板的剛體運(yùn)動和板料的彈塑性變形進(jìn)行求解。     三、BK-6440后門內(nèi)板沖壓數(shù)值模擬仿真     1. 相關(guān)分析參數(shù)的確定     拉延工序采用雙動壓力機(jī)，主要加工參數(shù)：沖壓速度V=10m/s；沖頭行程L=237 mm；壓邊力F2000kN。     用于沖壓的ST14鋼材料性能參數(shù)：板料厚度t1.0mm；彈性模量E=2.10e5N/mm2；密度=7.82e-6kN/mm3；泊松比=0.3；摩擦系數(shù)=0.10；材料各向異性屈服系數(shù)r0=1.77、r45=1.16、r90=1.94；材料的屈服準(zhǔn)則，采用Hill1948各向異性屈服準(zhǔn)則。 ST14材料的硬化曲線如圖1所示。 圖1 ST14材料硬化曲線    2. 分析軟件的選用     在本項(xiàng)目的研究中，我們采用PAM-STAMP 2G 2004軟件進(jìn)行數(shù)值成形計(jì)算。該軟件是由法國 ESI(Engineering System