基于CAE某型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前罩殼沖壓模設(shè)計(jì)_圖文

1、第16卷第6期2009年12月工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)Journal of E ngineering Design收稿日期:2009205231.基金項(xiàng)目:湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目資助(07A081;中南林業(yè)科技大學(xué)人才基金資助項(xiàng)目;湖南省教育廳2009年科研資助項(xiàng)目(09C1017.作者簡(jiǎn)介:李立君(1964基于CA E 某型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前罩殼沖壓模設(shè)計(jì)李立君1,周健1,王智文2,梁志松2(1.中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410004;2.廣西工學(xué)院計(jì)算機(jī)系,廣西柳州545006摘要:基于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想,通過對(duì)沖壓件前罩殼的分析,建立了符合要求的模型.運(yùn)用Dynaform 軟件進(jìn)行CA E 分析

2、.由于引入了CA E ,沖壓成形已從原來的對(duì)應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析而逐步發(fā)展到采用有限元等進(jìn)行工藝過程的模擬與分析,實(shí)現(xiàn)了沖壓過程的優(yōu)化設(shè)計(jì).關(guān)鍵詞:沖壓;前罩殼;CA E 技術(shù);模具設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):T H 164文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):10062754X (20090620421206Design of front 2covering 2shell stamping mould on an auto engine based on CAEL I Li 2jun 1,ZHOU Jian 1,WAN G Zhi 2wen 2,L IAN G Zhi 2song 2(1.College of Mach

3、inery and Electrical Engineering ,Centre South University of Forestry and Technology ,Changsha 410004,China ;2.Department of Computer Engineering ,Guangxi University ofTechnology ,Liuzhou 545006,China Abstract :Based on t he idea of mechanical optimizatio n design ,t hrough t he analysis on t he f r

4、ont 2covering 2shell stamping mould ,models meeting t he requirement s were built.The Dynaform soft 2ware was used for CA E analysis.Because CA E was int roduced ,p ress deformation was developed from t he original analysis on st rain and stress to simulation and analysis of p rocess by finite ele 2

5、ment met hod and so on.Finally ,p ress process optimization design was implemented.K ey w ords :stamping ;f ront 2covering 2shell ;CA E technology ;mould design沖壓成形是一種非常復(fù)雜的力學(xué)過程.汽車覆蓋件較之一般的沖壓件,又具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸較大、表面質(zhì)量要求高、曲面多為空間曲面、配合協(xié)調(diào)性高等特點(diǎn),工藝很復(fù)雜,其模具的制造周期直接影響汽車的制造成本以及新產(chǎn)品的開發(fā)周期.本文試圖通過CAD/CA E 技術(shù)對(duì)某型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前罩

6、殼沖壓模進(jìn)行設(shè)計(jì)及可行性分析模擬,以達(dá)到成形合格工件、縮短模具制造周期的目的.1采用的技術(shù)路線模具CAD/CAM/CA E 技術(shù)是模具技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑.實(shí)踐證明,模具CAD/CAM/CA E技術(shù)是模具設(shè)計(jì)制造的發(fā)展方向.本次模具采用CAD/CA E/CAM 一體化技術(shù),使設(shè)計(jì)、制造過程形成一個(gè)有機(jī)的整體,通過信息的集成,在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上給企業(yè)帶來綜合效益.技術(shù)路線如圖1所示122.2沖壓工藝過程設(shè)計(jì)2.1零件特點(diǎn)某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前罩殼材料為08Al 鋼,料厚t =110mm ,大批量生產(chǎn).該件的凸緣與底部的曲面、側(cè)面形狀以及成形高度、孔徑和孔位必須達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,成形后表面平整光滑,無翹曲

7、、褶皺、裂紋等缺陷.圖2為前罩殼零件圖. 圖1技術(shù)路線圖Fig.1Technology roadmap圖2前罩殼零件圖Fig.2Anterior encioser part drawing2.2確定沖壓件的工藝方案經(jīng)過全面分析、綜合考慮,從零件質(zhì)量、生產(chǎn)效分析零件數(shù)?？芍?沖壓方向平行于Z 方向最佳,如圖4所示,此時(shí)凸模兩側(cè)的拉入角基本一致 ,圖3汽車前罩殼成形工序圖Fig.3Automobile anterior encioser forming process chart這使得兩側(cè)進(jìn)料阻力保持均衡.拉伸開始時(shí)凸模與坯料表面接觸為面接觸,接觸面積大,且分布均勻,如果后續(xù)設(shè)計(jì)合理的話就不會(huì)出現(xiàn)

8、因應(yīng)力集中造成局部破裂現(xiàn)象 .圖4沖壓方向Fig.4Press direction224工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)第16卷2.312構(gòu)造零件的拉延初形本零件沒有尖角部位存在,各表面圓角半徑較大,因此零件拉延初形各部分圓角半徑可以與零件數(shù)學(xué)模型圖一致324.2.313建立壓料面壓料面是工藝補(bǔ)充的另一部分.如果零件有凸緣部分,可利用零件的凸緣面當(dāng)作壓料面,除此之外,為了補(bǔ)充零件拉延側(cè)壁的進(jìn)料,還需將其向外延伸到零件的展開尺寸.按照工藝補(bǔ)充部分的設(shè)計(jì)要求,在零件模型的修邊線處,利用U G 的曲線延伸功能,并用U GII 軟件中的掃描曲面(Swept 、網(wǎng)格曲面(Through Curves Mesh 、曲面倒圓(

9、Blend 和橋接曲面(Bridge Surface 等功能按曲面原有的趨向線方向進(jìn)行處理,以生成所需的工藝補(bǔ)充面526.初步確定的工藝補(bǔ)充數(shù)學(xué)模型如圖 5所示.圖5工藝補(bǔ)充數(shù)學(xué)模型圖Fig.5Process supplement mathematical model graph3沖壓成形過程有限元模擬及工藝補(bǔ)充數(shù)模改進(jìn)本設(shè)計(jì)采用Dynaform 軟件作為前后處理環(huán)境,采用動(dòng)力顯式格式L S 2D YNA3D 軟件作為運(yùn)算模塊,對(duì)前罩殼的拉伸成形工序進(jìn)行成形模擬.在板材沖壓成形性分析方面,Dynaform 系統(tǒng)與市場(chǎng)上通用的CAD 軟件相互集成,實(shí)現(xiàn)了模具設(shè)計(jì)、曲面造型、成形性分析的一體化.建

10、立有限元分析模型中最重要的一步是劃分有限元網(wǎng)格.成形模擬結(jié)果的精確性和有限元網(wǎng)格的質(zhì)量有很大關(guān)系,為了成功地進(jìn)行模擬,由曲面或者曲線數(shù)據(jù)劃分網(wǎng)格這一步驟十分重要.有限元單元越小(網(wǎng)絡(luò)越細(xì),則離散域的近似程度越好,計(jì)算結(jié)果也越精確,但計(jì)算量及誤差都將增大.Dynaform 中創(chuàng)建網(wǎng)格主要有Lank Generator (坯料網(wǎng)格生成和Surface Mesh (曲面網(wǎng)格劃分兩種方法.圖6Dynaform 環(huán)境中的工藝補(bǔ)充數(shù)模Fig.6Process supplement mathematical model inDynaform environment用“曲面網(wǎng)格化”工具自動(dòng)劃分工具網(wǎng)格(圖7,

11、網(wǎng)格最大尺寸設(shè)置為10mm ,其他選項(xiàng)選默認(rèn)值.用“坯料網(wǎng)格生成”工具自動(dòng)生成板料網(wǎng)格(圖8,單元大小為 6mm (默認(rèn)值.圖7 曲面網(wǎng)格化Fig.7Surface gridding圖8生成的工具網(wǎng)格Fig.8G enerated tool grid3.2建立凸模、壓邊圈等工具網(wǎng)格新建零件層,用“分離零件層”的方法分離出凸模有限元模型和壓料有限元模型,分別如圖9、圖10所示.由于凹模與凸模、壓邊圈有相似的幾何特征,Dynaform 提供了一個(gè)自動(dòng)“裝配”凹模的方法,凹模有限元模型不需要專門建立,這使得前處理過程節(jié)省了許多時(shí)間,而且由于凸模、壓邊圈上的單元節(jié)點(diǎn)和凹模上的單元節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng),計(jì)算精度得到

12、提高7.324第6期李立君,等:基于CA E 某型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前罩殼沖壓模設(shè)計(jì) 圖9凸模有限元模型Fig.9Punch finited element model圖10壓邊圈有限元模型Fig.10Finited element model blank holder3.3檢查法向一致性為了使系統(tǒng)能正確進(jìn)行分析,必須使有限元模在“快速設(shè)置/拉延”對(duì)話框的Bland ,Binder ,Lower Tool 各選項(xiàng)中分別指定板料、壓邊圈、凸模有限元模型如圖11,并定義材料、沖壓參數(shù)如圖12,定義好參數(shù)后提交求解器求解8 .圖11有限元模型Fig.11Finited element model圖12定義材

13、料參數(shù)Fig.12Definition of materials parameters3.5應(yīng)用ETA/POST 進(jìn)行后處理ETA/POST 能夠讀取和處理d3plot 文件中所有可用的數(shù)據(jù).除了包含沒有變形的模型數(shù)據(jù),d3plot 文件還包含所有由L S 2D YNA 生成的結(jié)果文件(應(yīng)力應(yīng)變、變形過程等.ETA/POST 還能夠繪制變形過程(deformation 、厚度變化過程(t hick 2ness 、FLD 變化過程以及坯料上的應(yīng)變/應(yīng)力等物理量的分布云圖.ETA/POST 還允許用戶通過對(duì)動(dòng)畫窗口的捕捉自動(dòng)地創(chuàng)建AV I 電影文件,用戶可以把模擬過程以動(dòng)畫的形式保存下來.啟動(dòng)后處

14、理模塊ETA/POST ,打開處理結(jié)果d3plot 文件.為方便觀察,隱藏模具零件層,只顯示板料零件層,顯示模式切換到光照顯示狀態(tài),并選擇來顯示光滑的光照效果,即可觀察處理結(jié)果生成的云圖9 .計(jì)算得到的拉伸件成形極限見圖13,成形厚度分布圖見圖14.圖13 成形極限圖Fig.13Forming limit diagram圖14厚度分布圖Fig.14Thickness distribution graph改變沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行有限元的模擬,由于在100t 的壓邊力下有可能產(chǎn)生破裂,采用減小壓邊力的辦法來進(jìn)行模擬.模擬的結(jié)果如圖15和圖16所示.424工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)第16卷 圖15修正成形極限圖Fig

15、.15Correcting forming limit diagram圖16修正厚度分布圖Fig.16Correcting thickness distribution graph3.6成形預(yù)見性分析在本次進(jìn)行的成形結(jié)果中,在成形極限(FLD 圖中,大部分的節(jié)點(diǎn)集中在安全區(qū)和起皺趨勢(shì)區(qū),也有一部分落在起皺區(qū),在最后一次模擬中沒有出現(xiàn)在紅色的破裂區(qū),沒有發(fā)生破裂的情況.由于生產(chǎn)的零件要求的精度不高,對(duì)表面的光潔度要求不高,因此在成形極限圖中符合要求10.在厚薄圖中,對(duì)板料成形而言,一般認(rèn)為變薄率在30%以內(nèi)都是可行的,通過后處理分析可知,本次設(shè)計(jì)的前罩殼的厚度為1mm ,最大增厚處為111166

16、mm ,最大變薄處為017771mm ,均在30%在完成以上各項(xiàng)設(shè)計(jì)以后在Pro/E 軟件中進(jìn)行三維裝配圖的繪制,繪制的三維裝配圖見圖17.4總結(jié)1運(yùn)用傳統(tǒng)沖壓模具設(shè)計(jì)與有限元技術(shù)相結(jié)合的方法,解決了復(fù)雜沖壓模試沖起皺的問題,并且在有限元分析過程中可以得到大量的工藝參考參數(shù),如板料應(yīng)力應(yīng)變分布、厚度分布、成形力和壓邊力變化曲線等, 對(duì)沖壓模具設(shè)計(jì)和工藝制定有很大的圖17三維圖Fig.17Three dimension graph幫助.2應(yīng)用有限元技術(shù)在沖壓模具、工藝設(shè)計(jì)過程中,能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程,節(jié)約設(shè)計(jì)成本和時(shí)間,有效解決實(shí)際難題,對(duì)提高沖壓模具設(shè)計(jì)水平有很大的現(xiàn)實(shí)意義.由于在生產(chǎn)中應(yīng)用CA

17、E 分析技術(shù)精確模擬了板料成形全過程,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了板料在成形過程中可能出現(xiàn)的缺陷,從而在模具制造前可以及時(shí)修改沖壓工藝方案,并通過仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證,提高了沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)質(zhì)量.只需要經(jīng)過少量的修模就可獲得高品質(zhì)的模具,不僅降低了模具開發(fā)成本,也大大縮短了模具開發(fā)周期.3本設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:將沖壓工藝CA E 與模具CAD 進(jìn)行集成化,即一方面采用CAD 系統(tǒng)為有限元模擬建立幾何模型,另一方面采用CA E 分析結(jié)果對(duì)CAD 設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),提供改進(jìn)信息,優(yōu)化工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu),提高了模具設(shè)計(jì)質(zhì)量.參考文獻(xiàn):1L AM Y C ,BRIT TON G A ,DEN G Y M.A computer 2

18、aided system for an optimal moulding conditions design using a simulation 2based approach J .InternationalJournal of Advanced Manufacturing Technology ,2003,22:5742586.2梁志松,周健.汽車零部件沖壓模設(shè)計(jì)D .柳州:廣西工學(xué)院機(jī)械系,2006:5252.L IAN G Zhi 2song ,ZHOU Jian.Design of automobile parts press molds D .Liuzhou :Guangxi University of Technology ,Departme