唐凌霄 王玉勤 黃凱旋 周 革 豆忠穎 楊曉麗 杜曉陽(yáng)

（1 安徽中鼎飛彩車輛有限公司，安徽 宣城 242000）（2 巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動(dòng)化學(xué)院，安徽 巢湖 238000）（3 安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）（4 國(guó)家汽車零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（蕪湖），安徽 蕪湖 241000）（5 奇瑞汽車有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

汽車車門(mén)是金屬?zèng)_壓成形零件,由于車門(mén)需要滿足其他諸如外觀、結(jié)構(gòu)、底盤(pán)等部件的安裝要求及整車安全性要求,車門(mén)金屬?zèng)_壓零件形狀變得越來(lái)越復(fù)雜。車門(mén)零件的這種要求為其設(shè)計(jì)制造增加了約束,導(dǎo)致其成形困難,后期需要設(shè)計(jì)部門(mén)根據(jù)制造部門(mén)的要求不斷對(duì)零件進(jìn)行修改,這在一定程度上降低了新車型的開(kāi)發(fā)效率。隨著CAD/CAE/CAM技術(shù)的發(fā)展,汽車車門(mén)金屬?zèng)_壓零件結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)完全突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,而計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算仿真技術(shù)對(duì)沖壓成形的模擬是目前金屬?zèng)_壓零件沖壓成形分析中最活躍的領(lǐng)域。車門(mén)制件沖壓成形模擬可大大地減少試模修模時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，減少模具設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)制造成本，對(duì)汽車覆蓋件實(shí)際投入模具制造時(shí)的工藝制定也具有重要的參考價(jià)值。

上世紀(jì)70年代以來(lái)，人們逐漸以數(shù)值模擬技術(shù)為輔助手段進(jìn)行板料成形模具設(shè)計(jì)，大大降低了生產(chǎn)制造成本，雖然目前板料成形的數(shù)值模擬軟件已經(jīng)商業(yè)化，但板料成形的模擬技術(shù)還不夠完善，仍然是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前研究金屬板料成形模擬主要集中于有限元算法、接觸與摩擦、成形極限圖、缺陷等幾個(gè)方面[1-2]。

以有限元為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬技術(shù)越來(lái)越多應(yīng)用于金屬板料成形中，大型覆蓋件拉延成形具有特別復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，是非常典型的非線性問(wèn)題，其影響因素多種多樣的，這就給傳統(tǒng)意義上的有限元數(shù)值模擬造成了很大的挑戰(zhàn)。薄板成形有限元分析涉及數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、數(shù)值方法、模具制造以及計(jì)算機(jī)科學(xué)，是一門(mén)新興的交叉學(xué)科[3-6]。從力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，它涉及了大位移、大應(yīng)變、大轉(zhuǎn)動(dòng)、彈塑性材料及摩擦接觸，是一個(gè)典型的非線性問(wèn)題，因而也成為計(jì)算力學(xué)中最富有挑戰(zhàn)性的課題之一。

1 DYNAFORM板料成形的有限元理論基礎(chǔ)

板料成形的模擬從數(shù)值計(jì)算上分析是一個(gè)高度非線性的問(wèn)題，涉及到材料、幾何和接觸非線性[7，8]。實(shí)際數(shù)值計(jì)算中一般采用更新的拉格朗日法和數(shù)率型的本構(gòu)關(guān)系去處理成形過(guò)程中的大應(yīng)變和大變形問(wèn)題[9，10]。這里采用逐級(jí)更新的Langange法是彈塑性有限元基礎(chǔ)，在xi坐標(biāo)下以t時(shí)刻構(gòu)形為參考構(gòu)形的虛擬功率原理為：

式（5）中：P、Q、R 分別代表90°、45°、0°方向上的各向異性指數(shù)。

2 基于DYNAFORM的車門(mén)模面前處理

2.1DYNAFORM 初步處理

先從UG中打開(kāi)汽車車門(mén)的三維模型圖，在圖層中關(guān)閉含有多余的結(jié)構(gòu)、標(biāo)注尺寸等的圖層，僅需保留需要進(jìn)行模擬的內(nèi)板結(jié)構(gòu)。選擇菜單“文件”→“導(dǎo)出” →“iges”，彈出對(duì)話框，設(shè)置好導(dǎo)出路徑，選擇內(nèi)板結(jié)構(gòu)導(dǎo)出對(duì)象，確定后，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)生成iges格式文件。

打開(kāi)DYNAFORM軟件，通過(guò)“文件”→“導(dǎo)入”，在文件中選擇UG導(dǎo)出的iges文件，從而將零件的幾何模型導(dǎo)入DYNAFORM，然后創(chuàng)建DIE，完成網(wǎng)格劃分并進(jìn)行網(wǎng)格檢查修補(bǔ)，如圖1所示。式（1）中：V，A分別為參考構(gòu)形的體積和表面積；Pi、分別為參考構(gòu)形的體積力率和面積力率；τji為第一類Kirchhoff應(yīng)力率。

假設(shè)塑性變形體積是不可壓縮的，即可得到τji與Cauchy應(yīng)力σij的關(guān)系，公式如下所示：

將本式和本構(gòu)關(guān)系方程式代入上式，得到單元平衡方程并按常規(guī)方法組裝總體剛度方程：

板料成形過(guò)程是大位移大變形過(guò)程，一般采用數(shù)率型的本構(gòu)方程。經(jīng)典的基于流動(dòng)理論正交各項(xiàng)異性希爾二次屈服函數(shù)的速率本構(gòu)方程可表示為：

圖1 曲面網(wǎng)格劃分結(jié)果

完成DIE創(chuàng)建后分別進(jìn)行PUNCH零件層，BINDER零件層，BLANK零件層的創(chuàng)建，并進(jìn)行相關(guān)網(wǎng)格處理。

2.2 板料成形設(shè)置

創(chuàng)建完成 DIE、PUNCH、BINDER和 BLANK后，就可以進(jìn)行板料成形的最后設(shè)置，主要是定義和定位凸凹模、壓邊圈，設(shè)置壓邊力等。打開(kāi)菜單“設(shè)置”→“自動(dòng)設(shè)置”，彈出新建模擬對(duì)話框，將模擬類型設(shè)置為板料成形，單擊確定后進(jìn)入板料成形界面。

2.2.1 毛坯定位

在板料成形界面中，選擇板料選項(xiàng)，在零件層列表中打開(kāi)BLANK零件層，再定義材料，點(diǎn)擊材料，從材料庫(kù)中選擇代號(hào)DDQ的材料，對(duì)應(yīng)T36，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加載出材料特性曲線。在單擊屬性，彈出的對(duì)話框中將單元公式選項(xiàng)改為16，確定后可看到顯示ELFORM=16，其它項(xiàng)采用默認(rèn)設(shè)置即可。

2.2.2 凸凹模、壓邊圈定位

打開(kāi)板料成形的工序選項(xiàng)，將DIE、PUNCH、BINDER零件層分別對(duì)應(yīng)定義到凹模、凸模、壓邊圈中，在幾何體處打開(kāi)零件層列表，對(duì)應(yīng)的選擇DIE、PUNCH、BINDER零件層，調(diào)整工作方向和移動(dòng)距離。

因?yàn)槿呔园辶献鳛閰⒖济?，所以凹模、凸模、壓邊圈的工作方向必須全部指向板料，按?從 上 到 下 依 次 為 DIE、BLANK、BINDER、PUNCH的順序排開(kāi)，調(diào)整距離保證四者之間無(wú)重疊部分。在定義DIE時(shí)，應(yīng)通過(guò)“定位…”將die定位到on binder。設(shè)定如圖2所示。

圖2 DIE、BINDER、PUNCH 的定位

2.2.3 設(shè)置工序、控制參數(shù)

打開(kāi)工序選項(xiàng)，將drawing選項(xiàng)中的壓邊力先調(diào)整為80噸。在板料拉延過(guò)程中，壓邊力的大小起到重要作用，直接影響沖壓件的質(zhì)量。

在壓邊力的設(shè)置中，如果壓邊力過(guò)小，則不能有效控制材料的流動(dòng)，材料無(wú)法得到完全拉伸，可能導(dǎo)致板料容易起皺；而如果壓邊力過(guò)大則有產(chǎn)生拉裂的危險(xiǎn)，而且將增加模具與板料表面受損的危險(xiǎn)，影響模具的使用壽命和板料的成形質(zhì)量。所以，只有通過(guò)多次調(diào)試，根據(jù)成形模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)調(diào)整合適的壓邊力，車門(mén)內(nèi)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，面積較大，內(nèi)部零件比較多，因此壓邊力也很大，需要經(jīng)過(guò)調(diào)試修改，查看成形結(jié)果情況，從而選擇出最合適的壓邊力大小。其余參數(shù)使用默認(rèn)值即可。

再打開(kāi)控制參數(shù)選項(xiàng)，單擊時(shí)間步長(zhǎng)和自適應(yīng)次數(shù)，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出合適的參數(shù)，計(jì)算的自適應(yīng)次數(shù)為300次。每次在修改了板料、工具、工序的相關(guān)參數(shù)之后，都必須重新更新一下控制參數(shù)，讓系統(tǒng)再計(jì)算一遍時(shí)間步長(zhǎng)和自適應(yīng)次數(shù)。

2.3 DYNAFORM 求解器計(jì)算

在已經(jīng)驗(yàn)證工具的運(yùn)動(dòng)是正確的之后，就可以使用DYNAFORM軟件提供的LS-DYNA求解器進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算，將生成的dyn格式文件提交到LS-DYNA進(jìn)行求解，生成板料成形的數(shù)據(jù)結(jié)果，求解計(jì)算出沖壓各階段的應(yīng)力、厚薄變化等等。LS-DYNA的使用有多種方法，可以通過(guò)“文件”→“以卡片組的形式提交到Dyna”，選擇生成的dyn文件求解；也可以在生成dyn文件時(shí)直接提交到LS-DYNA。

3 DYNAFORM的后處理

3.1 成型極限圖FLD

這里為了方便分析坯料的結(jié)果情況，只需要分析成形模擬的結(jié)果圖形。

從打開(kāi)的成形極限圖中可以看出板料成形結(jié)果，右上方的顏色條表示拉裂起皺趨勢(shì)情況，其中，紅色區(qū)域代表拉裂，黃色區(qū)域代表拉裂危險(xiǎn)，綠色區(qū)域代表安全區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域代表有起皺趨勢(shì)，粉色區(qū)域代表起皺，紫色區(qū)域代表嚴(yán)重起皺，灰色區(qū)域則代表未完全拉伸。車門(mén)是大型汽車覆蓋件，面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部零部件很多，沖壓尺寸大且不均勻，需要多次調(diào)整參數(shù)，反復(fù)模擬才能得到理想的結(jié)果。

圖3可以看出車門(mén)存在輕微的拉裂和拉裂趨勢(shì)的區(qū)域，即紅色和黃色的區(qū)域，分布于車門(mén)的棱角、邊框等微小的地方，圖中比較大面積的紫色區(qū)域，即嚴(yán)重起皺，但是幾乎全部位于車門(mén)周圍的邊框部分，實(shí)際需要的車門(mén)結(jié)構(gòu)不包括邊框或法蘭部分，因此不影響成品的結(jié)果。因此，成形模擬基本合適，存在的輕微拉裂情況可以通過(guò)修改模型來(lái)調(diào)整，ETA/POST提供了車門(mén)模面各個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)參數(shù)，可以清楚看出每一點(diǎn)的應(yīng)力大小。圖4、圖5分別為局部拉裂圖和邊框起皺圖。

圖4 局部拉裂圖

圖5 邊框起皺圖

表1和表2為相應(yīng)的拉裂和起皺數(shù)據(jù)表。

表1 局部拉裂數(shù)據(jù)表

表2 起皺數(shù)據(jù)表

表1和表2為一些局部拉裂起皺數(shù)據(jù)，由于表格數(shù)據(jù)一次最多顯示10個(gè)點(diǎn)，所以應(yīng)合理分布這十個(gè)點(diǎn)方便觀察。從數(shù)據(jù)表中可以看出這些點(diǎn)的最大最小應(yīng)力、誤差等參數(shù)。DYNAFORM的計(jì)算模擬是保守計(jì)算，模擬結(jié)果里出現(xiàn)的缺陷在實(shí)際生產(chǎn)中一定會(huì)發(fā)生，所以必須進(jìn)行修改參數(shù)設(shè)置，或者修改車門(mén)模型中的不合理部分，直至模擬出理想的結(jié)果，節(jié)省實(shí)際的調(diào)試時(shí)間和生產(chǎn)成本，提高工作效率。對(duì)于本課題而言，主要是熟悉DYNAFORM成形的模擬過(guò)程和數(shù)據(jù)分析，雖然存在輕微缺陷，但是模擬基本是成功的，可以稍微修改車門(mén)模型，優(yōu)化一些局部極限尺寸，擴(kuò)大棱角的度數(shù)等等。

3.2 厚度變化情況

在結(jié)果菜單中可以看到板料成形厚薄的變化過(guò)程，在Current Component下拉菜單中選擇Thickness（絕對(duì)值）或者 Thinning（相對(duì)減薄率）選項(xiàng)，如下圖所示。同樣點(diǎn)擊Play按鈕可以進(jìn)行動(dòng)畫(huà)顯示厚度變化過(guò)程，可以通過(guò)移動(dòng)Prame/Second滑塊設(shè)置動(dòng)畫(huà)速度，單擊Stop按鈕終止動(dòng)畫(huà)顯示。這里仍然使用動(dòng)畫(huà)的最后一幀進(jìn)行模擬，Single Frame中選擇最后一幀打開(kāi)，即第37幀，可以看到板料的厚度變化顏色，如圖6所示。

前處理中已經(jīng)設(shè)定毛坯的厚度為0.8mm，對(duì)于板料成形而言，一般認(rèn)為變薄率在30%以內(nèi)都是可行的，只要不低于0.56mm就比較合適，如表3和圖7所示：

表3 前處理中變薄率

圖7 局部厚度參數(shù)

從表3中參數(shù)可以看出，在車門(mén)局部邊緣部位沒(méi)有拉裂和明顯起皺，厚度在正常范圍內(nèi)，最小值為0.620195＞0.56，而邊框的部分如5、6兩點(diǎn)的參數(shù)分別對(duì)應(yīng)0.802683、0.804416，但是邊框部分在成形后會(huì)沖裁掉，因此輕微的起皺可以忽略不計(jì)，不影車門(mén)的情況，相對(duì)減薄率如表4和圖8所示。

表4 相對(duì)減薄率

圖8 局部相對(duì)減薄率

4 結(jié)論

4.1 使用DYNAFORM對(duì)汽車車門(mén)進(jìn)行沖壓成形數(shù)值模擬，模擬顯示壓邊力是影響成形質(zhì)量的重要參數(shù)。因此可以根據(jù)制件質(zhì)量作為評(píng)價(jià)依據(jù)選定最佳沖壓力。

4.2 通過(guò)DYNAFORM對(duì)汽車車門(mén)的成形模擬數(shù)據(jù)顯示，變薄率在30%內(nèi)對(duì)汽車車門(mén)不產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

4.1 利用板料成形模擬可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行優(yōu)化修改，大大減少模具調(diào)試周期，降低制模成本，對(duì)工藝的改良有著重大影響。

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