汽車覆蓋件拉彎成形仿真分析

汽車覆蓋件拉彎成形仿真分析

1拉彎工藝的研究材料折疊不是一種新的彎曲方法，但材料沖程的高精度折疊技術(shù)一直是材料加工領(lǐng)域的研究熱點。一方面,受材料、截面、加載方式、加載過程等一系列因素的影響,目前國內(nèi)外對型材拉彎工藝的研究還不及板料沖壓工藝研究成熟;另一方面,目前在航空業(yè)、汽車業(yè),發(fā)達(dá)國家的企業(yè)均把這方面的研究作為商業(yè)機(jī)密,不愿意公開研究成果,因此雖然這方面的研究已經(jīng)成為熱點,但是相關(guān)文獻(xiàn)卻比較少,而且研究工作比較分散,不系統(tǒng)。目前,國內(nèi)外對型材拉彎工藝的研究主要圍繞下面4個方面:(1)通過解析計算法對型材拉彎成形工藝進(jìn)行研究。(2)通過實驗分析法對型材拉彎成形工藝進(jìn)行研究。(3)通過數(shù)值模擬法對型材拉彎成形工藝進(jìn)行研究。(4)拉彎成形工藝的工業(yè)應(yīng)用研究。對于型材拉彎工藝的研究,采用實驗分析結(jié)合數(shù)值模擬分析是主要的發(fā)展趨勢。借助一些有限元分析軟件建立拉彎過程的數(shù)值模型,通過單向拉伸、雙向拉伸等實驗得到材料的性能參數(shù),輸入有限元模型中,通過計算分析模型參數(shù)對相應(yīng)參數(shù)的影響。數(shù)值模擬方法可以用于研究各種復(fù)雜截面、復(fù)雜加載過程、復(fù)雜接觸等的型材拉彎成形問題,而且目前計算機(jī)技術(shù)和有限元模擬技術(shù)迅速發(fā)展,硬件和軟件的成本較低,計算速度很快,可以大幅降低產(chǎn)品的研制成本和研制周期。數(shù)值模擬法研究型材拉彎的缺點是目前定位于型材拉彎的數(shù)值模擬軟件很少,國內(nèi)還未見相關(guān)軟件引進(jìn)或者已經(jīng)開發(fā)的信息,因此必須結(jié)合實驗分析對具體的型材拉彎成形進(jìn)行研究。2拉緊技術(shù)的基本原理和工藝方法2.1坯料和拉彎成形拉彎的基本原理是在坯料彎曲的同時加以切向應(yīng)力,改變坯料剖面內(nèi)的應(yīng)力分布情況,使之趨于均勻一致,以達(dá)到減小回彈、提高零件成形準(zhǔn)確度的目的。坯料剖面應(yīng)力見圖1。拉彎成形如圖2所示,型材固定在夾頭上,施加彎矩使其貼模彎曲,并通過拉力使截面上的應(yīng)力分布趨于均勻,此方法適用于擠壓(或板彎)型材的隔框類緣條零件和管材零件。由于彎曲時,坯料內(nèi)側(cè)受壓、外側(cè)受拉,在這一基礎(chǔ)上加以切向拉力,其結(jié)果是:對于原來受拉的外側(cè)要繼續(xù)加載;對于原來受壓的內(nèi)側(cè),由受壓變?yōu)槭芾?經(jīng)歷一個卸載和反向加載的過程。為了合理反映這種加載情況下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,顯然不能忽略彈性變形的影響。2.2次拉彎工藝目前生產(chǎn)中主要采用2種方案,一次拉彎和二次拉彎,一次拉彎采用先彎曲后拉伸、先拉伸后彎曲以及先拉伸后彎曲最后補(bǔ)拉這3種加載方式,在生產(chǎn)中,主要采用先拉、后彎、最后補(bǔ)拉的方案。將新淬火的坯料裝在機(jī)床上,拉至超過屈服極限(拉伸量約為0.8%～1%),使坯料平直,并減少薄壁型材彎曲過程中的內(nèi)邊失穩(wěn)起皺趨勢;然后保持拉力不變,施加彎矩,使型材彎曲貼模;最后增大拉力,進(jìn)行補(bǔ)拉,使型材最小曲率半徑處剖面的內(nèi)層纖維達(dá)到拉伸屈服極限。零件在卸載后仍有少量回彈,必要時可將模具修出回彈量。當(dāng)零件的相對彎曲半徑較小、彎曲角較大時,一次拉彎的效果差,彎曲后的補(bǔ)拉難以完全消除型材內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力,這時采用二次拉彎。二次拉彎工藝過程:退火料預(yù)拉※彎曲※淬火※新淬火狀態(tài)下二次拉彎。先用退火料進(jìn)行預(yù)拉和彎曲,但不加補(bǔ)拉。由于坯料第二次彎曲時的變形量很小,內(nèi)側(cè)所產(chǎn)生的壓應(yīng)力很容易為后續(xù)的補(bǔ)拉所消除,零件貼模好,回彈量小,可以不修模具。實踐證明,所得到的零件回彈量很小,多數(shù)可以直接交付使用。以下主要研究一次拉彎成形方案的應(yīng)用。3該模型的構(gòu)建和參數(shù)定義3.1緣板及模具的設(shè)置和拉彎成型模擬型材進(jìn)行拉彎成形涉及到的幾何模型主要包括型材坯料、模具和夾頭,這里以T形截面鋁型材放邊拉彎建立模型。(1)型材坯料截面。坯料為長1000mm的LY12M＿XC211＿25直型材,腹板和緣板厚度都是2mm,截面形狀如圖3。坯料將被劃分為2600個8節(jié)點6面體單元,網(wǎng)格模型截面如圖4,在軸向網(wǎng)格單元邊長5mm。(2)拉彎模具。這個模型既可以用于等曲率型材拉彎成形模擬,又可以用于變曲率型材拉彎模擬。在這里先做一個等曲率型材拉彎成形模擬。模具外形為半徑R500mm的圓弧面,弧度為π/3。為了防止拉彎時型材滑離模具,圓弧面的寬度要比型材與模具接觸面寬,取。(3)拉彎夾頭。拉彎夾頭用2個正方形平面來表示,邊長為80mm。夾頭用GLUE命令和型材粘在一起。夾頭位置通過利用邊界條件加載輔助節(jié)點和控制節(jié)點的載荷控制方式控制。整個幾何模型如圖5所示。3.2單元材料、分析方法及收斂判據(jù)型材拉彎成形的有限元模擬過程是一個復(fù)雜的非線性問題,因此,在建立型材拉彎有限元模型時,為了提高模擬的精度及計算的效率,對分析和求解的模擬參數(shù)進(jìn)行了選擇。單元類型:模具、夾具都是剛體,型材用8節(jié)點等參單元,類型為7號單元,單元數(shù)2600個,節(jié)點數(shù)為5632。材料屈服準(zhǔn)則:采用VonMises屈服準(zhǔn)則,其屈服表面與靜水壓力無關(guān),在金屬塑性中常用。硬化規(guī)律:采用各向同性硬化規(guī)律。分析方法:采用增量有限元分析方法,表達(dá)格式用更新Lagrange格式,問題采用靜態(tài)隱式算法。非線性方程組的解法:Newton＿Raphson方法,迭代收斂性好。非線性迭代的收斂判據(jù):用殘差檢查收斂性,度量迭代的近似位移所產(chǎn)生的內(nèi)力(矩)與外載荷之間的不平衡度,殘差為0,表明內(nèi)力(矩)與外力(矩)平衡,對應(yīng)解是精確結(jié)果。因此,要提高近似結(jié)果精度,應(yīng)使殘差足夠小,在這里取0.1。求解器的選擇:多波前稀疏求解器。4不同的加載方法和工藝參數(shù)對木材沖浪形的影響4.1預(yù)拉伸量對卸回彈性能的影響按照加載方式和次序的不同,常用的拉彎方式為一次拉彎的3種方式,現(xiàn)通過有限元軟件MSC.MARC對這3種方式進(jìn)行模擬研究。圖6表示了T形截面鋁型材收邊拉彎通過3種拉彎方式成形時,總拉伸量與卸載回彈率的關(guān)系。圖6的3條折線顯示:隨著總拉伸量的增加,回彈逐漸減小;當(dāng)預(yù)拉伸量,總拉伸量相同時,采用第3種拉彎方法可以顯著減小回彈;第3種拉彎方法在預(yù)拉伸量不變時總拉伸量對回彈的影響最為顯著。另外,從減輕外摩擦的影響,降低失穩(wěn)起皺的可能性和消除型材初始扭曲變形的可能性方面,第3種方法比第1種方法更為優(yōu)越。從卸載后的殘留應(yīng)力來看,第3種方法比第2種方法有優(yōu)越性,因此,生產(chǎn)中廣泛采用第3種拉彎方法。4.2預(yù)拉伸量對零件成形回彈的影響在保持總拉伸量不變,通過改變預(yù)拉伸量的大小對此T形截面鋁型材收邊拉彎成形進(jìn)行研究。由于總拉伸量固定,當(dāng)預(yù)拉伸量變化時,補(bǔ)拉伸量也變化。從模擬結(jié)果看,這里補(bǔ)拉伸量變化較小,對回彈的影響不起主要作用,因此,預(yù)拉伸量的變化對型材拉彎成形回彈起主要作用。由圖7和圖8可知,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形時,如果預(yù)拉伸量太小,零件成形時將會發(fā)生起皺現(xiàn)象,當(dāng)預(yù)拉伸量超過一定值時,零件成形過程中不再發(fā)生起皺現(xiàn)象。圖9為通過有限元軟件模擬獲得的在總拉伸量不變時的T形截面鋁型材收邊拉彎成形預(yù)拉伸量與卸載回彈率的關(guān)系。圖9顯示,當(dāng)總拉伸量不變時,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形隨著預(yù)拉伸量的增加,回彈有增大的趨勢。4.3補(bǔ)拉伸量對裝卸回彈率的影響圖10為通過有限元軟件模擬獲得的在預(yù)拉伸量不變時,T形截面鋁型材收邊拉彎成形補(bǔ)拉伸量與卸載回彈率的關(guān)系。圖10顯示,當(dāng)預(yù)拉伸量不變時,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形隨著補(bǔ)拉伸量的增加,回彈有減小的趨勢。此外,從分析結(jié)果可以了解,施加補(bǔ)拉可以克服輕微的起皺現(xiàn)象。補(bǔ)拉伸量達(dá)到一定程度后,對回彈的影響不再顯著。4.4模具速率半徑對產(chǎn)品拉彎性能的影響以建立的有限元模型為基礎(chǔ),保持模面圓弧弧長不變,改變模具的曲率半徑,圓弧半徑取500、600、750、800、1000mm,此時對應(yīng)的圓弧角度分別為60°、50°、40°、37.5°、30°,然后,在邊界條件中相應(yīng)調(diào)整型材拉彎時的彎曲參數(shù),保持預(yù)拉伸量和補(bǔ)拉伸量不變,這樣共進(jìn)行5次模擬,研究模具曲率半徑不同對型材拉彎回彈率的影響。由圖11可以看出,模具曲率半徑越大,卸載后的回彈率越大。由于生產(chǎn)中很多零件為變曲率彎曲件,對此問題的研究將有利于模具工程師比較準(zhǔn)確地修模。4.5接觸因數(shù)對t形截面鋁合金拉彎回彈的影響以建立的有限元模型為基礎(chǔ),保持其他參數(shù)設(shè)置不變,在模型的接觸定義時,增加摩擦參數(shù)的設(shè)置。摩擦采用滑動庫侖摩擦模型,摩擦因數(shù)取(不考慮摩擦)、0.08、0.1、0.12、0.15、0.18。模擬完成后,分析摩擦對T形截面鋁型材拉彎回彈的影響。從圖12可以看出,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形接觸摩擦因數(shù)越大,卸載后回彈有增大的趨勢。此外還可以發(fā)現(xiàn),在這里摩擦對回彈的影響并不是很顯著。5t形截面材的拉伸成形由分析結(jié)果可以看出,對于此T形截面型材拉彎成形,先拉伸后彎曲再補(bǔ)拉是一種更為優(yōu)越的拉彎方式。預(yù)拉伸量的大小對零件的成形質(zhì)量有一定影響,預(yù)拉伸量不足時,T形型材腹板易發(fā)生失穩(wěn)起皺現(xiàn)象。在總拉伸量固定時,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形隨著預(yù)拉伸量的增加,回彈有增大的趨勢。當(dāng)預(yù)拉伸量固定時,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形隨著補(bǔ)拉伸量的增加,回彈有減小的趨勢。研究結(jié)果表明,對于T形截面鋁型材拉彎成形,隨著模具曲率半徑的增大,回彈率有增大的趨勢,摩擦對回彈的影響較小。例如二汽技術(shù)裝備部的熊映青等人針對EQ153車門前段框架成型難度非常高