（机械制造及其自动化专业论文）轿车加强板冲压工艺仿真分析及优化设计.pdf

s h e e tm e t a lf o r m i n gs i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nd e s i g nf o ra c a rc r o s s m e m b e rr e i n f o r c e m e n t l ic h u n y o u b e ( h u n a na g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i r e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gx u j i n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：么漱i s奇f i 日期刎1 年牛月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 誓嘉蓁耋| 三 | | 瓢 刷磁辄卉叫 日期：翻i j 年牛月工7e 1 日期：加f 1 年朋 摘要 由于汽车工业的迅速发展，可以有效的拉动一个国家的机械、电子、材料、 模具等诸多领域的发展，可以持续不断地提供就业岗位缓解就业压力促进消费， 因而汽车工业是许多国家国民经济的支柱产业之一，汽车工业是否发达成为了衡 量一个国家工业水平是否发达的重要标志之一；汽车覆盖件的冲压成形影响着汽 车的制造成本、整车性能和新车型的研发周期等。因此，在汽车制造领域中，汽 车车身覆盖件冲压技术是影响新车型开发的关键技术之一。 汽车覆盖件大多是形状、空间都很复杂的曲面结构，如果仅靠工程师用经验 公式设计出来的工艺方案有时难以满足产品的质量要求。随着计算机的发展，摆 脱依靠经验利用计算机的冲压成形仿真技术在降低成本、提高设计质量、增强产 品市场竞争力、缩短汽车制造周期等方面有着重要的意义。本文以某型号轿车横 梁加强板零件的冲压工艺设计技术为例，进行了冲压成形仿真分析研究。 论文给出了轿车加强板成形的基本要求，对加强板零件结构特征和主要受力 情况进行了系统分析，结合经验法和c a e 仿真法确定零件冲压工艺为对称拉延一 修边冲孔一成形，然后再进行工艺分析与设计；以a u t o f o r m 软件为基本工具，将 零件导入到a u t o f o r m 软件中，通过五种方案参数的影响分析及结果，对冲压零件 的成形性过程进行了模拟仿真；分析了成形过程中可能出现的几种成形缺陷并根 据分析结果提出相应解决方案，完成了零件的冲压工艺设计及工艺型面设计，最 终达到了预期设计目的。本论文的研究方法为复杂冲压零件的冲压工艺设计提供 了技术支持，并可以作为实际生产中的冲压工艺和模具设计的参考。 关键词：汽车覆盖件；冲压成形；仿真分析；有限元；优化设计 i i - a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , i tc a l l e f f e c t i v e l y s t i m u l a t eac o u n t r y 。sm a c h i n e r y , e l e c t r o n i c s ，m a t e r i a l s ，m o l d sa n dm a n y o t h e ra r e a so f d e v e l o p m e n t ，a n d c a nc o n t i n u o u s l yp r o v i d ejo b st o e a s et h ee m p l o y m e n tp r e s s u r e f o rc o n s u m p t i o n s om a n yc o u n t r i e st h ec a ri n d u s t r yi so n eo f t h ep i l l a ri n d u s t r i e so f n a t i o n a le c o n o m 舅t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yi sd e v e l o p e da sam e a s u r eo fw h e t h e r t n e l e v e lo fac o u n t r y 。si n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ti s o n ei m p o r t a n ti n d i c a t o r i na u t o m o b l l e m 锄j f a c t u r i n gi n d u s t r y , a u t ob o d yp a n e ls t a m p i n gt e c h n o l o g y i so n e0 tt h ek e y t e c h n o l o g i e sw h i c h w o u l di n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n to f n e wm o d e l s a u t o m o b i l ec o v e rp a r t sa r em o s t l yc u r v e ds u r f a c es t r u c t u r ew i t hc o m p l e xs p a c e a n dc o m p l i c a t e ds h a p e s o m e t i m e s ，i ti sd i f f i c u l tt om e e tt h eq u a l i t yr e q u i r e m e n to n l y b yt h ee n g i n e e r se x p e r i e n c ew h ow o r k so u td e s i g n s s ow i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h e c o m p u t e r g e t t i n gr i d o ft h ed e s i g nb ye x p e r i e n c ea n du s i n gc o m p u t e rs l m u i a t l o n t e c h n 0 1 0 9 yo fs t a m p i n gf o r mw i l lp l a yas i g n i f i c a n c er o l ei nt h ef u t u r e ，f o r e x a m p l e ， r e d u c i n g c o s t ，i m p r o v i n gd e s i g nq u a l i t y ， e n h a n c i n g m a r k e tc o m p e t l t l v e n e s s ， s h o r t e n i n gm 趾1 l f a c t o r yc y c l e t h i s a r t i c l et o ap a r t i c u l a rm o d e lo f e a rb e 锄 s t r e n g t h e n e dp l a t e p a r t ss t a m p i n gp r o c e s sd e s i g nt e c h n o l o g y , f o re x a m p l e ，c o n d u c t e d a s t u d yo nt h es t a m p i n gs i m u l a t i o na n a l y s i s t h i sp a p e ra n a l y z e st h eb a s i cc a rr e i n f o r c i n gp l a t ef o r m i n gr e q u e s t t os t r e n g t h e n t h eb o a r dp a r t ss t r u c t u r ef e a t u r e ss y s t e ma n a l y s i s ，c o m b i n i n ge x p e n e n c e m e t h o da n d c a es i m u l a t i o nm e t h o dt od e t e r m i n et h ep a r t ss t a m p i n gp r o c e s sf o rs y m m e t r l cp u 儿 d e l a y p l rc t r - o t 卜f o r m i n ga n d t h e nc o n d u c tp r o c e s sa n a l y s i sa n dd e s i g n ；w i t hb a s i c t 0 0 1 sf o rs o f t w a r ef o ra u t op a n s ，a u t op a y l o a dt of o r mw i l l ，t h r o u g ht h ef i v ek i n d so f s o 伽，a r et h ee f f e c t so fp a r a m e t e r sa n a l y s i sa n ds o l u t i o no f t h er e s u l t so fs t a m p l n g p a n sf o r m a b i l i t yp r o c e s ss i m u l a t i o n ；a n a l y z e st h ef o r m i n gp r o c e s so f s e v e r a lp o s s l b l e d e f e c t sa i l da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fa n a l y s i sp u tf o r w a r dc o r r e s p o n d i n gs o l u t l o n s ， f i n i s h e dp a r t ss t a m p i n gp r o c e s sd e s i g na n dp r o c e s st y p es u r f a c ed e s i g n ，a n dt l n a u y r e a c ht h ee x p e c t e dd e s i g n t h i st h e s i s r e s e a r c hm e t h o d sf o rc o m p l i c a t e ds t a m p m g p a r r t ss t a m p i n gp r o c e s sd e s i g np r o v i d e st e c h n i c a l s u p p o r t ，a n dc a nb eu s e da s t h e p r a c t i c a ls t a m p i n gp r o c e s sa n d m o l dd e s i g nr e f e r e n c e k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ep a n e l ；s t a m p i n g ；t h es i m u l a t i o na n a l y s i s ；f i n i t e e l e m e n t ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n u i 轿车加强板冲压工艺仿真分析及优化设计 目录 学位论文原创性声明i 摘要一i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i 附表索引v i i i 第1 章绪论。1 1 1 引。言1 1 2 汽车覆盖件成形数值模拟技术发展2 1 2 1 国外发展现状2 1 2 2 国内发展现状3 1 2 3 轿车横梁加强板研究概述3 1 3 本文研究的主要内容一4 第2 章汽车覆盖件冲压成形仿真理论基础一6 2 1 引言6 2 2 汽车覆盖件冲压成形弹塑性理论基础6 2 2 1 汽车覆盖件的特点和要求一6 2 2 1 1 结构特点6 2 2 1 2 成形特点7 2 2 1 3 质量要求7 2 2 2 汽车覆盖件常用材料7 2 2 3 汽车覆盖件的本构关系和屈服准则8 2 2 3 1 本构关系8 2 2 3 2 汽车覆盖件冲压常用的屈服准则8 2 3 汽车覆盖件冲压成形有限元数值模拟基本理论1 0 2 3 1 冲压模拟仿真分析软件1 0 2 3 2 冲压模拟软件a u t o f o r m 介绍1 1 2 3 3 成形极限图f l d 1 2 2 4 轿车横梁加强板基本理论1 2 2 5 本章小结1 3 第3 章轿车横梁加强板冲压工艺分析及工艺设计1 4 3 1 引言1 4 i v 高校教师硕士学位论文 3 2 轿车横梁加强板成形基本要求1 4 3 3 轿车横梁加强板零件结构特征分析1 4 3 4 确定零件冲压工艺的方法1 6 3 4 1 经验法1 7 3 4 2c a e 仿真法1 7 3 5 工艺分析与设计1 8 3 5 1 零件前处理一l8 3 5 2 冲压方向的确定18 3 5 3 确定压料面一19 3 5 4 添加合理的工艺补充设计2 0 3 5 5 布置拉延筋2 0 3 5 6 材料的板料模型2 1 3 6 本章小节2 2 第4 章加强板冲压工艺仿真及优化设计2 3 4 1 引言2 3 4 2a u t o f o r m 仿真和分析2 3 4 2 1 方案一的a u t o f o r m 成形模拟仿真2 3 4 2 2 方案二的a u t o f o r m 成形模拟仿真2 6 4 2 3 方案三的a u t o f o r m 成形模拟仿真一2 8 4 2 4 方案四的a u t o f o r m 成形模拟仿真3l 4 2 5 方案五的a u t o f o r m 成形模拟仿真3 4 4 3 方案分析比较与结论3 6 4 4 本章小结3 8 总结与展望一3 9 参考文献：一4 1 致谢4 4 v 轿车加强板冲压工艺仿真分析及优化设计 插图索引 图2 1成形极限图1 2 图3 1 横梁加强板实体模型。1 4 图3 2a u t o f o r m 软件在工艺设计方案中的功能18 图3 3 展开后经过前处理的对称排布横梁加强板零件1 8 图3 4 零件冲压方向的确定1 9 图3 5 冲压方向负角检查1 9 图3 6d c 0 4 材料特性2 1 图4 1 方案一网格划分。2 3 图4 2 方案一成形图2 4 图4 3 方案一f l d 图2 4 图4 4 方案一最大减薄率为6 3 3 2 4 图4 5 多处局部拉裂2 4 图4 6 拉伸不足且有材料压缩2 4 图4 7 方案一型面图形2 4 图4 8 方案二网格划分2 6 图4 9 方案二成形图：2 6 图4 10 方案二f l d 图2 6 图4 1 1 方案二最大减薄率为3 6 9 2 7 图4 1 2 局部拉裂2 7 图4 1 3 拉延不充分2 7 图4 1 4 方案二型面图形2 7 图4 。1 5 拉延筋及拉力：2 9 图4 1 6 整体工艺补充一2 9 图4 1 7 局部工艺补充调整2 9 图4 1 8 方案三网格划分3 0 图4 1 9 方案三成形图3 0 图4 2 0 方案三f l d 图3 0 图4 2l 方案三最大减薄率为2 6 9 3 0 图4 2 2 方案三拉延结束时料片线3 1 图4 2 2 方案三型面3 1 图4 2 3 压料面3 2 图4 2 4 拉延筋布置及其拉力3 2 v i ：堡墅堡耋塑丝坠一 图4 2 5方案四网格划分3 z 图4 2 6方案四成形图3 j 图4 2 7 方案四f l d 图3 ) 图4 2 8 方案四最大减薄率为2 7 3 3 3 图4 2 9 方案四拉延结束时料片线3 3 图4 3 0 方案四型面3 4 图4 3 1 弯曲压料面3 4 图4 3 2 方案五网格划分：，r 3 ， 图4 3 3 方案五成形图3 5 图4 3 4 方案五f l d 图j ， 图4 3 5 方案五最大减薄率为1 5 9 3 ， 图4 3 6 方案五拉延结束时料片线3 5 图4 3 7 方案五型面j o v 附表索引 表2 1 常见用于冲压仿真分析的有限元软件l l 表3 1 轿车横梁加强板结构特征元素分析1 5 表3 2 冲压工序方案1 7 表3 3d c 0 4 的材料性能参数2 1 表3 4d c 0 4 材料模型参数2 2 表4 1 方案一的工艺参数设置2 3 表4 2 方案二的工艺参数设置2 6 表4 3 方案三的工艺参数设置2 8 表4 4 方案四的工艺参数设置3 l 表4 5 方案五的工艺参数设置3 4 表4 6 方案分析比较3 6 v 1 i i 高校教师硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 由于汽车工业的迅速发展，可以有效的拉动一个国家的机械、电子、材料、 模具等诸多领域的发展，可以持续不断地提供就业岗位缓解就业压力促进消费， 因此，汽车工业在业界也被称为国家工业发展的“引擎机 ，许多工业发达国家和 新兴工业国家均将汽车工业作为一个重要的支柱产业发展。汽车工业是许多国家 国民经济的支柱产业之一，汽车工业是否发达成为了衡量一个国家工业水平是否 发达的重要标志之一【1 1 。 正因如此，如何使本国汽车工业在世界范围激烈竞争的市场中独占鳌头、领 跑市场，如何不断迅速推出各种新车型来满足各种用户不同的汽车需求，如何缩 短新车型的开发周期，正是各国汽车工业界激烈竞争的关键所在。但是，新款车 型的研发制造过程，是需要一个漫长的制造周期，其中，汽车覆盖件就是汽车产 品制造中的一个重要组成部分。据统计，汽车覆盖件制造费用占整个汽车制造费 用的7 0 以上【羽。汽车车身覆盖件模具制造技术就成为汽车开发能力的个关键 环节。 汽车覆盖件不仅对外观质量( 美观性) 要求高，而且在配合精度、形状与尺 寸的一致性以及互换性方面，也有比一般冲压件的生产具有更高的要求。汽车覆 盖件的冲压成形更影响着汽车的制造成本、整车性能和新车型的研发周期等。因 此，汽车覆盖件的冲压成形技术是缩短汽车制造周期不断推出新车型满足市场需 求、占领市场份额的一个关键技术之一。 汽车覆盖件的冲压成形过程是一个板料成形过程，板料成形过程是一个大挠 度、大变形的塑性变形过程，是一种金属板料在拉深和弯曲的复杂应力状态下的 塑性流动、塑性强化；同时，冲压过程也是一个复杂的多体接触的力学分析问题。 因此，传统的根据工人经验预测估计，给快速响应市场需求生产的模具制造与调 试以及批量生产带来很大困难，甚至导致模具报废。近二十年来，随着计算机的 迅猛发展，汽车覆盖件的冲压成形数值研究已经取得很大进展，对传统的过份依 赖操作经验的生产技术带来了深刻革命。 以有限元法为主体的冲压成形数值模拟方法已与c a d c a m 系统相结合，形 成在汽车覆盖件模具设计、分析与加工一体化的c a d c a m c a e 集成化系统，可 以大大缩短模具的设计与调试周期，不需过份依赖经验，大幅度降低模具加工成 本，提高产品质量与市场竞争力【3 j 。 轿车加强板冲压工艺仿真分析及优化设计 尽管目前我国的很多汽车制造企业采用了数值模拟方法，提高了设计与制造 质量，但是，c a e 技术的应用还存在严重不足，特别是对大型汽车覆盖件冲压成 形过程的数值模拟方法以及在成形过程中产生的如拉裂、起皱、回弹等成形缺陷 的预测解决等问题，仍处在初级阶段。 随着我国汽车工业的蓬勃发展，如何提高我国汽车工业的自主研发能力，如 何提高国产汽车制造质量赶超世界先进水平占领市场份额，如何提高国际竞争力， 这对利用计算机c a e 技术进行汽车车身覆盖件冲压成形及仿真研究、优化工艺设 计参数，具有非常重要的学术价值和经济意义。 1 2 汽车覆盖件成形数值模拟技术发展 1 2 1 国外发展现状 覆盖件成形过程的有限元分析，是以预测非线性耦合过程中的变形功、载荷、 应力和应变分布及变化、成形过程中的破裂和起皱、脱模后的回弹和残余变形情 况以及各种参数对材料塑性流动的影响规律为目的【引。 在国外，与覆盖件成形相关的板料成形数值模拟的研究始于6 0 年代。研究的 方法，经过早期的有限差分法、刚塑性有限元法、大塑性变形有限元法、边界元 法，到今天普遍应用较多的静态隐式弹塑性有限元法【5 j 。 早期的有限差分法只用于简单的像圆板液压胀形、半球形冲头胀形或拉延等 简单问题，随着计算机技术的不断发展，直到1 9 6 4 年w o o dm 才成功应用有限差 分法分析球形冲头胀形等轴对称问题，才开始应用到复杂汽车覆盖件成形过程中。 但是由于这种方法对复杂边界条件处理比较困难，在现实生活使用中不尽如人意， 因此，二十世纪七十年代初期，德国的l u n g 、美国的l e e 6 和日本的k a b a y s h i 几 乎同时提出了刚塑性有限元方法。这种方法比有限差分法有很大进步。刚塑性有 限元法是基于小应变的位移关系，以变分原理作为理论基础，认为使泛函取得驻 值的速度场就是真实的速度场，进而根据这个速度场计算出各点的应变与应力。 但是，同样这种方法在实际应用中也存在很大缺陷，他忽略了金属在塑性成形中 的弹性变形，简化了金属塑性流动中的力学模型，达不到有限元分析所要得到的 结果。于是， 在1 9 6 7 年m a r c e l l 7 】和k i n g 8 】在分析改进的基础上，首次提出了弹 塑性有限元法。这种方法在不断改进和完善的基础上，弹塑性非线性有限元方法 在板料成形数值模拟技术方面才开始真正的工程实用化。为了避免因弹塑性非线 性引起的收敛问题，在1 9 7 4 年k e y 首次提出和编制了应用程序h o n d o 的改进 方法显式有限元积分算法【9 】。这种方法避免了迭代计算、可以使联立方程组 成为独立的方程式，大大简化了计算；并且它还具有占用存储空间小，便于大型 结构复杂的成形分析。进入8 0 年代以后，板金成形数值模拟的两大主流方法：动 2 高校教师硕士学位论文 态显式法和一步成形法的不断完善与成熟，进一步拓展了弹塑性有限元工具在相 关领域的应用范围。随着c a d c a m c a e 一体化“虚拟制造系统 的发展，有限 元积分算法也逐渐在各板材成形领域由理论研究走向了实际应用，并普遍应用于 当前的各商业软件中，如e x p l i c i t 、p a m s t a m p 、d y n a f o r m 、a u t o f o r m 、l s _ d y n a 3 d 、 o p t r i s 、a b a q u s 等等【i o j 。9 0 年代以来，随着计算机科学技术的迅速发展和有限元 计算方法的不断成熟，国际上发起了定期召开的板料成形三维数值仿真国际会议 n u m i s h e e t ，这更加促进了板料冲压有限元技术的发展和完善【1 1 1 。当前，世界 各大汽车公司对主要汽车覆盖件的开发过程1 0 0 要经过数值仿真模拟分析，由 此可见，数值模拟仿真分析研究具有巨大的经济价值和重要的理论价值。 1 2 2 国内发展现状 我国在板料成形数值模拟分析的研究开始于2 0 世纪8 0 年代。在这方面我国 的研究起步较晚，但发展迅速。 北京航空航天大学的熊火轮教授开发了a d i n a 程序分析系统、模拟了宽板 拉伸、液压胀形及汽车暖风罩的成形过程【1 2 1 ； 华中科技大学的董湘怀采用薄膜单元对轴对称及三维金属板料成形过程的有 限元模拟研究，提出了“弹性边界层 方法，克服了因节点接触状态变化而引起 的数值计算不稳定性【1 3 l ； 哈尔滨工业大学的张凯峰教授采用刚粘塑性本构法分析了方盒成形【1 4 】； 合肥工业大学的苗亮、王世东对覆盖件成形模拟过程中工艺参数的设置和拉 延筋计算模型做了比较多的研究【l5 】； 。 吉林大学车身模具研究所的研究人员在胡平教授的带领下对板料多点成形技 术进行了相关研究，提出了有关c a e 技术中模具间隙、单元公式、摩擦系数、拉 延筋模拟方法、坯料形状、模具网格划分以及回弹分析参数确定等许多参考性建 议，并开发了相应的数值模拟分析软件k m a s 。k m a s 软件成为走出国门的第一 个有限元软件f l 引。 其次，北京航空航天大学、湖南大学和华中科技大学等在软件开发方面也都 做了大量积极有效的工作，并推动了板料成形数值模拟技术不断发展与应用【l7 1 。 但是，尽管我国的冲压成形模拟技术已经发展了2 0 多年并取得了巨大进步， 时到今日，仍然还有很多课题值得我们继续关注与研究。例如，毛坯的优化选择、 各类单元的性能研究、拉延筋的模拟、积分步长的确定、网格的再划分技术、加 速收敛的方法、回弹的计算精度和三大主要成形缺陷的预测控制等。 1 2 3 轿车横梁加强板研究概述 利用数值模拟技术对拉延件的拉延成形过程进行计算机模拟并进行优化设计 可以比较有效地分析板料变形的全过程，根据分析的实际结果可判断拉延件模型 3 轿车加强板冲压工艺仿真分析及优化设计 及拉延件的设计是否合理从而进行针对性的修改，以提高设计质量。 目前针对轿车横梁加强板冲压工艺及优化设计的研究有以下方面【2 0 j ： 基于汽车前框架下横梁加强板的拉延件模型的技术研究。 采用以评价函数法为基础的多目标优化模型与设计方法实现冲压方向的优化 设计，在优化模型变量可行域的求解过程中归纳了变步距变区间的优化求解方法。 采用轮廓线投影方法实现压料面设计，利用参数化描述的截面线特征实现工艺补 充部分设计。借助u g 软件的二次开发功能实现冲压方向的自动确定，压料面拉 延筋凹模圆角与工艺补充部分的设计均在u g 软件中进行。将初步设计好的拉延模 型应用有限元软件e t ad y n a f o r m 进行拉延成形分析的过程与结果。根据分析的 实际结果可判断拉延件模型及拉延件的设计是否合理从而进行针对性的修改，以 提高设计质量。 上横梁加强板成形工艺分析与数值模拟 针对某上横梁加强板在初次试模时出现了起皱、破裂等缺陷的情况，应用有 限元分析软件a u t o f o r i l l4 0 4 对制件的成形过程进行了数值模拟，优化工艺参数， 再模拟其冲压成形过程。通过与实际试模结果相比较，提出消除成形缺陷的方法， 确定了合理的冲压成形工艺方案，进而设计出结构合理的模具，在保证产品质量 的基础上缩短了开发周期，大大降低了生产成本。 冲裁模具c a d = 维标准件库的开发与应用 在深入研究冲裁模的设计过程及具体工作内容的基础上，利用c a t i a 的二次 开发工具c a a 及v c 软件，建立全面的冲切模具c a d 三维标准件库的实例，并 结合轿车上横粱加强板的冲裁模具c a d 设计实例对标准件库的功能及使用方法 进行了说明。以下模组件的设计为例，首先是定位型面及定位体的设计。将产品 数模另存为下模零件设计的p a r t 文件，利用c a t i a 的自由曲面建模功能，将产 品数模型面按定位需要进行顺延和剪切，然后进行缝合。用实体造型功能在需要 位置给出定位体需要尺寸的方体，用缝合后的曲面将方体上部剪切掉，所需要的 定位体实体就设计完成了。然后利用c a t i a 的实体建模功能和特征建模功能设计 出下模实体模型。 1 3 本文研究的主要内容 本论文通过对汽车车身覆盖件的冲压成形弹塑性理论及有限元模拟理论分 析，结合自身的工作经验，对横梁加强板零件进行了冲压工艺设计。以a u t o f o r m 软件为基础工具，对零件的冲压成形性过程进行了模拟仿真，分析了成形过程中 可能出现的几种成形缺陷并提出了相应的解决方案，完成了零件的工艺设计和工 艺型面设计，达到了仿真实验研究指导实际生产的目的。 具体的工作如下： 4 汽车覆盖件冲压成形的弹塑性理论分析，建立基于材料参数的本构方程， 分析板材的力学特性，研究其应变规律； 分析有限元仿真汽车覆盖件冲压成形的理论基础，选择合适的单元类型、 模拟积分法，建立合理的有限元模型； 利用a u t o f o r m 软件，通过调整冲压工艺参数的不同方案比较分析，完成零 件的整个冲压工艺模拟仿真； 最终得出成形性比较好的冲压工艺参数。 轿车加强板冲压工艺仿真分析及优化设计 第2 章汽车覆盖件冲压成形仿真理论基础 2 1 引言 汽车车身覆盖件大部分零件是空间曲面，由于曲面结构和形状非常复杂，因 此其冲压成形过程也相对复杂，不容易分析和掌握它的变形规律。我们在分析和 研究覆盖件冲压成形时，首先就要研究覆盖件的结构和变形特点，分析成形质量 问题，利用各种科学方法和理论系统地研究各类设计参数与制件成形的关系，根 据现实情况制定合理的模拟分析方法，因而达到在一定程度上提高覆盖件及其模 具设计的水平和效率。 汽车覆盖件大部分都是薄板类，例如：本论文所讨论研究的某轿车横梁加强 板。在进行薄板成形计算分析时可以采用不同的本构方程( 即不同的计算模型) 进行描述，金属板材冲压成形过程是一个大移位大变形过程，是一个集几何非线 性、物理非线性、边界条件非线性于一体的三重非线性耦合问题。目前建立材料 的塑性本构关系主要基于两种基本理论：一种是塑性力学变形理论，又称全量理 论；另一种是塑性流动理论，又称增量理论【1 2 j 。 对于非线性问题的求解方法目前主要是增量法、迭代法和混合法【1 3 】。在金属 薄板成形分析时，为了保证计算精度和稳定性，一般采用增量分析法。尽管既可 以采用全量理论对材料塑性变形进行分析，也可以采用增量理论对材料进行分析， 但是采用增量理论分析不仅可以考虑结构加载过程也可以考虑卸载情况，所以在 薄板成形有限元分析中，涉及材料非线性问题时，一般都是采用增量法计算。 2 2 汽车覆盖件冲压成形弹塑性理论基础 2 2 1 汽车覆盖件的特点和要求 2 2 1 1 结构特点 汽车覆盖件主要包括覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室及车身的所有厚度 t 0 ) 划分为安全区、临界区和破裂区三大部分， 如下图所示1 2 6 1 。如果某部位的面内应变值( 蜀、占，) 落在f l d 安全区，说明零 件上对应的部位不会破裂；如果落在破裂区，则零件上对应的这个部位会发生破 裂；如果落在临界区，则说明该零件部位有可能破裂也有可能不破裂。由上所述 可知，成形极限图f l d 是判断和评定板材成形性能的最简单与直观的方法，也是 解决板材成形问题的一个很有效的工具【2 3 1 。 拉压 最大主应变 捌 旬捌 最小主应变 图2 1 成形极限图 2 4 轿车横梁加强板基本理论 拉应变状态 本论文采用以轿车横梁加强板为例的汽车覆盖件冲压工艺仿真分析及优化设 计研究。该横梁加强板的结构和成形特点主要存在有曲面翻边、平面翻边、局部 成形底部、内凹形曲面底部、外凸形曲面底部、较深的直壁等多个方面的难点。 在质量要求方面，主要要求冲压成形后的工件具有较好的表面质量、尺寸形状、 刚性和工艺性；不允许出现波纹、皱折、擦伤等缺陷；拉延成形后零件区不出现 拉裂及起皱，材料成形后最大减薄率小于3 0 ，变形尽量均匀；工艺补充尽量少， 以提高材料利用率【2 7 1 。结合结构与成形特点、质量要求、以及上述理论分析等综 合考虑结果，选择其材料型号为d c 0 4 ，冲压模拟软件采用国际流行的a u t o f o r m 软件。 1 2 高校教师硕士学位论文 2 5 本章小结 本章主要介绍了汽车覆盖件数值有限元分析的一些相关知识，主要包括： 介绍了汽车覆盖件的特点、质量要求、常用材料以及模拟分析的本构方程 与屈服准则。 介绍了各种常用冲压模拟仿真分析的软件，并重点介绍了本文所采用的 a u t o f o r m 软件；以及工程上常有的判断板料成形性能的成形极限图f l d ； 介绍了本研究对象轿车横梁加强板的一些基本理论与相关情况。 轿车加强板冲压工艺仿真分析及优化设计 第3 章轿车横梁加强板冲压工艺分析及工艺设计 3 1 引言 板料冲压工艺分析及工艺设计，就是根据板料的结构特点进行分析，根据实 际情况确定好零件冲压工艺方法，并设计初步的工艺型面。 3 2 轿车横梁加强板成形基本要求 本研究采用某轿车横梁加强板进行相关冲压工艺仿真分析与优化设计研究。 该横梁加强板冲压件要求冲压成形后的工件具有较好的表面质量，尺寸形状，刚 性和工艺性：零件要有好的表面质量，不允许出现波纹、皱折、擦伤等缺陷；拉 延成形后零件区不出现拉裂及起皱，材料成形后最大减薄率小于3 0 ，变形尽量 均匀；工艺补充尽量少，以提高材料利用率2 7 1 。 3 3 轿车横梁加强板零件结构特征分析 轿车横梁加强板零件的c a d 模型如下图3 1 所示。其材料型号为d c 0 4 ，板 料厚盯= o 8 m m ，轮廓尺寸不大，长度方向最大为1 9 3 m m ，宽度方向最大尺寸为 1 7 0 m m ，面积为3 9 5 4 8 m m 2 。汽车覆盖件零件与其它的一般的冲压件零件相比较， 具有材料薄、形状复杂( 多为空间曲面形状) 、结构尺寸大、表面质量要求高等特 点，将横梁加强板的结构特征元素分析如表3 1 所示【2 8 】； 图3 1 横梁加强板实体模型 1 4 高校教师硕士学位论文 曲面翻边 平面翻边 局部成形底 部 内凹形曲面 底部 外凸形曲面 底部 较深的直壁 芦獬褥 一 不同部位的应力状态不同， 可分为上凸部分、下凹部分 及平面部分等 毛坯径向受拉应力作用， 外凸形轮廓及临区的直边部 分受切向压应力，内凹形轮 廓及临区直边部分受切向拉 应力，无剪应力存在 该部分产生胀形变形，成 形过程中受到径向拉应力和 切向拉应力 该部分在拉深成形的后 期产生变形，受到径向拉应 力和切向拉应力 ；。 该部分在拉深成形初期 就产生变形，受到径向拉应 力和切向拉应力 直壁为传力区，成形过程 中受到径向拉应力和切向拉 应力 轿车加强板冲压工艺仿真分析及优化设计 从结构特征分析来看，由于板厚方向与其它两个方向的尺寸相比较小，因此 在板厚方向最容易受压而产生失稳起皱现象；一些较难成形的特征也有可能会导 致如拉裂等成形缺陷，上页表3 1 中第6 处易产生强度破裂，上页表3 1 中第3 处第5 处易产生塑性破裂。起皱和破裂均是板料塑性成形过程中比较常见的成形 缺陷，对于起皱现象，解决的关键问题是准确判断实际成形件的起皱类型【2 引。从 直接引起起皱的力学原因来看，可以分为压应力起皱、不均匀拉应力起皱、切应 力起皱和板内弯曲起皱等类型。如果是压应力起皱，解决的措施主要是减小压应 力、施加面外压力等；如果是不均匀拉应力起皱，则可以采取改变拉应力分布， 使拉应力比较均匀、减小最大拉应力等措施来防止起皱；如果是切应力起皱，则 可以采取减小切应力、减小受切作用区、减小拉应力变化梯度和增加面外压应力 等措施预防起皱。故本文中的受压失稳起皱现象主要是属于压应力起皱。 破裂是由于材料的强度或塑