王俊紅，宮新勇，賴登亮，馮海美

(華北科技學(xué)院 機電工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

基于DYNAFORM的汽車覆蓋件成形分析

王俊紅，宮新勇，賴登亮，馮海美

(華北科技學(xué)院 機電工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

針對汽車車身模具中主要的汽車覆蓋件模具的設(shè)計制造，采用DYNAFORM軟件對典型的汽車覆蓋件發(fā)動機罩外板進(jìn)行成形分析，模擬分析設(shè)置不同的拉延筋和不設(shè)置拉延筋對汽車發(fā)動機罩外板成形的影響，預(yù)測覆蓋件沖壓成形過程中易產(chǎn)生的缺陷，根據(jù)模擬分析的結(jié)果可以修改模具設(shè)計和生產(chǎn)工藝，不僅可以降低生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，而且減少了復(fù)雜多次的試模與修模，使生產(chǎn)效率提高、市場競爭力加強。

汽車覆蓋件；拉延筋；成形模擬；DYNAFORM

0 引言

汽車工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有非常重要的地位，是國家工業(yè)水平發(fā)展的標(biāo)志，我國的汽車產(chǎn)業(yè)正處高速發(fā)展的階段[1]。隨著汽車制造企業(yè)的競爭越來越殘酷，若想在汽車市場上獲得生存，必須加快汽車改型換代的速度，并且提高性能與質(zhì)量。決定汽車更新?lián)Q代速度快慢的主要因素之一是車身模具設(shè)計制造的周期，而車身模具的設(shè)計制造主要是指汽車覆蓋件模具的設(shè)計制造，汽車覆蓋件模具設(shè)計制造的周期取決于覆蓋件成形的難易程度；僅模具設(shè)計和制造就占汽車研發(fā)時間和資金的三分之二，事實上模具的設(shè)計制造已成為進(jìn)一步縮短汽車換型周期、提高汽車品質(zhì)的主要瓶頸[2]。

由于汽車覆蓋件屬于復(fù)雜的鈑金件，傳統(tǒng)的簡單鈑金成形理論對于汽車覆蓋件的成形分析不再適用；且傳統(tǒng)的模具設(shè)計與制造只能憑借個人經(jīng)驗不斷重復(fù)的試模和修模，直到生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品為止，整個過程所耗資金大、周期長[3]，應(yīng)用CAE技術(shù)，通過對實際零件成形進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計和模具設(shè)計等問題，并且找到正確的設(shè)計方案和加工參數(shù)，為實際零件的加工提供正確合理的理論指導(dǎo)和設(shè)計依據(jù)，為開發(fā)新產(chǎn)品和設(shè)計模具提供了一種適用的理論方法和實用的定量分析工具?？梢源?zhèn)鹘y(tǒng)的單一實驗方法(試模)，不僅可以節(jié)約大量的人力、財力和物力，而且還可以解決一些實驗室條件下無法直接完成的復(fù)雜問題，使產(chǎn)品在設(shè)計階段就能夠?qū)Ω黜椥阅苓M(jìn)行評估，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計上存在的問題，提高產(chǎn)品研發(fā)的可靠性，從而大大縮短設(shè)計開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的市場競爭力，促進(jìn)企業(yè)穩(wěn)定快速的發(fā)展。

1 汽車覆蓋件塑性變形機理

汽車覆蓋件的板料沖壓成形過程是一個塑性變形過程,而且生產(chǎn)一般都是在常溫下進(jìn)行，金屬板料一般都是多晶體，即多晶體金屬冷態(tài)下的塑性變形。多晶體的塑性變形是由晶內(nèi)變形(各個單晶體內(nèi)部獨立產(chǎn)生的變形)和晶間變形(各晶粒互相間作用產(chǎn)生的作用)構(gòu)成的；晶內(nèi)變形主要是滑移變形，而晶間變形則包括各晶粒之間的滑動變形和轉(zhuǎn)動變形；通常情況下的塑性變形的主要是晶內(nèi)變形，只有當(dāng)變形量特別大時，晶間變形才占主導(dǎo)地位[4]。

因為構(gòu)成多晶體的各個單晶體(晶粒)的形狀、大小和位向都不同，在外力的作用下，不同的晶粒不是同時發(fā)生塑性變形的，變形最先是從那些處于有利位向的晶粒中進(jìn)行的；在這些有利位向的晶粒內(nèi)，位錯總是沿著位向最有利的滑移面運動，一般運動到晶界處就會停止下來，不能直接穿過晶粒間的晶界繼續(xù)移動，所以滑移并不能直接延續(xù)到相鄰的晶粒，即位錯的運動在晶粒間的晶界處受到阻礙，形成了平面塞積群；在位錯平面塞積群的前沿附近的區(qū)域內(nèi)位錯平面塞積群造成了非常大的應(yīng)力集中，隨著加載的外力越來越大，應(yīng)力集中也逐漸變大，最終迫使相鄰的晶粒陸續(xù)發(fā)生塑性變形。由于多晶體的每個晶粒都與相鄰的晶粒間靠著晶界相連，所以每個晶粒并不是只獨自發(fā)生變形，必須要和鄰近的晶粒相互協(xié)調(diào)配合，否者將會在晶界處發(fā)生開裂。為了保證晶粒間的變形協(xié)調(diào)，就要求相鄰晶粒能夠進(jìn)行多系滑移，面心立方結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)金屬由于滑移系多，晶粒間的協(xié)調(diào)性很好，表現(xiàn)出良好的塑性，即塑性變形能力很好[5]。

板料沖壓成形時，在沖壓模具的作用下，坯料各個部分受到很大的外力作用，打破了金屬不受力時的整體平衡而強制金屬流動成形，由于不同位置的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)都不同，當(dāng)金屬質(zhì)點有向幾個方向移動的可能時，它將向阻力最小的方向移動,即滿足塑性變形中的最小阻力定律。

2 利用DYNAFORM軟件模擬汽車覆蓋件成形過程

DYNAFORM是一款沖壓產(chǎn)品及模具開發(fā)提供CAE整體解決方案技術(shù)的軟件。它為企業(yè)在沖壓和鈑金成形中，提供整體解決方案利用此軟件能夠進(jìn)行板料尺寸工程、成形仿真、回彈及回彈補償、板料尺寸、切邊線優(yōu)化、彎管及液壓脹型、體積成形、熱成形、沖模系統(tǒng)分析等。本文進(jìn)行汽車發(fā)動機罩外板成形模擬分析，首先介紹DYNAFORM軟件的板料成形分析步驟和一些參數(shù)設(shè)置問題。

2.1 模型的建立

在DYNAFORM中，可以直接導(dǎo)入CAD軟件中建立的模型，也可以直接創(chuàng)建模型，本文采用導(dǎo)入方式，分別將上模，下模和板料模型導(dǎo)入到軟件中。

2.2 參數(shù)設(shè)置

在本步驟中，首先進(jìn)行成形基本設(shè)置，包括工序類型、工具參考面等。然后定義坯料形狀并對其劃分網(wǎng)格；第三，定義凹模零件的幾何模型，劃分網(wǎng)格，定義法線方向等；第四，定義凸模零件的幾何模型，劃分網(wǎng)格，定義法線方向，進(jìn)行邊界檢查等；第五，定義壓邊圈零件的幾何模型，劃分網(wǎng)格，定義法線方向，進(jìn)行邊界檢查等；第六，拉延筋設(shè)置，設(shè)置拉延筋的段數(shù)和每段的拉延筋阻力和法向力；第七，設(shè)定成形工藝參數(shù)。

2.3 定義加載

對已經(jīng)設(shè)置好的有限元模型進(jìn)行重力設(shè)置和外加載荷設(shè)置。由于汽車發(fā)動機罩外板是比較大型的覆蓋件，在沒有沖壓之前，首先放置在模具上，板料較大，在重力的作用下，板料會發(fā)生下垂變形的情況，所以重力加載下，模擬成形更符合實際，更接近真實沖壓情況。

2.4 求解和后處理

提交計算模型給“任務(wù)提交管理器”，一般采用默認(rèn)設(shè)置，直接單擊“確定”開始計算。

運算完成后，點擊DYNAFORM軟件菜單欄中的“后處理”命令，打開后處理器，然后利用后處理器打開后處理結(jié)果文件，為了便于觀察，關(guān)閉其他零件層，只打開板料零件層?？梢愿鶕?jù)需要查看板料零件厚度變化分布云圖，成形極限圖等。

3 拉延筋設(shè)置對汽車發(fā)動機罩外板成形的影響

拉延筋是汽車覆蓋件成形中控制成形的重要工藝措施之一。拉延筋可以增加拉深時板料流動的阻力，常設(shè)置在凸?；蛘甙寄Ｉ希袎哼吅头乐蛊鸢櫟淖饔?，但拉延阻力如果設(shè)置的太大，材料流速太低，拉深件底部邊緣易產(chǎn)生破裂，不利于成形。通過拉延筋參數(shù)的合理取值以及拉延筋的合理布置可以在一定范圍內(nèi)有效地控制金屬流動，達(dá)到防治起皺和破裂的目的。拉延筋在實際使用中的效果取決于拉延筋阻力是否符合工藝要求，本課題通過對汽車覆蓋件板料成形中拉延筋的設(shè)置，模擬設(shè)置不同的拉延筋阻力，找到最有利于成形的拉延筋阻力設(shè)定，從而能夠指導(dǎo)模具設(shè)計，縮短模具設(shè)計制造周期。

3.1 設(shè)置拉延筋與不設(shè)置拉延筋對成形的影響

用DYNAFORM模擬分析發(fā)動機罩外板沖壓成形，不設(shè)置拉延筋，提交后計算器求解計算后，再進(jìn)行后處理，得到成形極限圖和厚度分布云圖，分別如圖1和圖2所示。有拉延筋的成形極限圖和厚度分布圖分別如圖3和4所示。

圖1 無拉延筋成形極限圖

圖2 無拉延筋厚度分布云圖

圖3 有拉延筋成形極限圖

圖4 有拉延筋厚度分布云圖

對比圖1與圖3兩成形極限圖，觀察到圖1(顏色為紫色的區(qū)域)，有些部位甚至起皺非常嚴(yán)重；觀察到圖3上整個發(fā)動機罩呈綠色，說明拉延充分且安全，只有發(fā)動機罩外的板料有少些起皺，發(fā)動機罩并沒有起皺，但觀察到發(fā)動機罩的前邊緣棱角處呈現(xiàn)點狀紅色，說明此處有拉穿和拉裂。

對比圖2與圖4兩厚度分布云圖，觀察圖2可知板料厚度在0.764到0.575 mm變化，且厚度變化不均勻，有大部分材料拉延不充分(淺藍(lán)色區(qū)域)，汽車發(fā)動機罩的菱角和成形的凹槽區(qū)域材料厚度極具變薄(紅黃區(qū)域)，有拉穿的危險；觀察圖4可知板料厚度在0.736到0.493 mm變化，且厚度變化較均勻，發(fā)動機罩的菱角和凹槽區(qū)域易變薄，有拉穿的趨勢。

由此可知，設(shè)置拉延筋有利于汽車發(fā)動機罩外板的成形，使拉延更加充分，材料厚度變化均勻，還能抑制發(fā)動機罩外板成形時起皺，但是更容易發(fā)生拉裂或拉穿；不管有無拉延筋，汽車發(fā)動機罩外板容易在菱角處和深凹槽處發(fā)生拉穿或者拉裂。

3.2 每段拉延筋設(shè)置不同的拉延阻力對成形的影響

用DYNAFORM對汽車發(fā)動機罩外板進(jìn)行成形模擬分析時，通過分別改變“V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11”的值，設(shè)置不同的拉延筋阻力。通過大量模擬，在保證成形無明顯拉斷，嚴(yán)重起皺的情況下，選擇設(shè)置3組不同的拉延阻力，如表1所示，分別提交計算器求解計算后，再進(jìn)行后處理，得到3組不同的成形極限圖和厚度分布云圖，如圖5，圖6，圖7所示。

表1 不同的拉延筋阻力

圖5 第一組延伸阻力結(jié)果

觀察第一組的成形極限圖和厚度變化云圖，可以觀察到汽車發(fā)動機罩外板在成形結(jié)束時，輪廓轉(zhuǎn)彎處的尖角處和較深的凹槽處的微小區(qū)域已經(jīng)發(fā)生拉穿或拉裂，材料厚度變化均勻，厚度值在0.736到0.493 mm之間變化，微小區(qū)域內(nèi)板料變薄嚴(yán)重，表明拉延筋阻力部分參數(shù)設(shè)置不合理，不利于成形。

觀察第二組的成形極限圖和厚度變化云圖，可以看到汽車發(fā)動機罩外板成形結(jié)束時，較長邊輪廓附近的深凹槽處已經(jīng)完全被拉穿；輪廓轉(zhuǎn)彎處的尖角有被拉裂的趨勢，但尚處在安全區(qū)，不影響成形；厚度值在0.745到0.300 mm之間變化，板料變薄嚴(yán)重，使沖壓成形能力下降，過早的發(fā)生破裂，表明拉延筋阻力設(shè)置的不合理。

觀察第三組的成形極限圖和厚度變化云圖，可以看到汽車發(fā)動機罩外板成形結(jié)束時，并沒有被拉穿或者拉裂，全處在成形極限圖的安全區(qū)內(nèi)；發(fā)動機罩外板的四周輪廓轉(zhuǎn)彎處的尖角處附近和深凹槽處的微小區(qū)域內(nèi)材料變薄嚴(yán)重，但沒有達(dá)到破裂的程度，整個板料的厚度值在0.751到0.531之間變化，厚度比較均勻；表明該拉延筋阻力的設(shè)置最合理，有利于發(fā)動機罩外板的成形。

圖6 第二組延伸阻力結(jié)果圖

圖7 第三組延伸阻力結(jié)果圖

4 結(jié)論

通過DYNAFORM軟件對汽車覆蓋件汽車發(fā)動機罩外板進(jìn)行沖壓模擬分析,得到板料的成形極限圖(FLD)和厚度分布云圖中。本文中通過對有、無拉延筋的汽車發(fā)動機罩外板進(jìn)行模擬成形分析，和設(shè)置多段拉延筋改變拉延阻力的分析，可以得到如下結(jié)論：

(1) 不管有無拉延筋，汽車發(fā)動機罩外板容易在輪廓的菱角處和深凹槽處發(fā)生拉穿或者拉裂

(2) 不設(shè)置拉延筋，存在大片拉延不充分區(qū)域，且易起皺，不利于零件的沖壓成形；設(shè)置拉延筋使拉延更加充分，厚度變化均勻，還能抑制發(fā)動機罩外板成形時起皺，但設(shè)置不合理時容易發(fā)生拉裂或拉穿。

(3) 不同拉延阻力，使板料在不同區(qū)域的流動性難易程度和材料的流動速度不同；每段拉延筋設(shè)置合理的拉延阻力，使材料向著有利于成形方向流動，減少了產(chǎn)生起皺和破裂傾向，有利于成形。

[1] 蔣麗.汽車產(chǎn)業(yè)對經(jīng)濟發(fā)展的影響研究[J].汽車工業(yè)研究，2006(9)：2-7.

[2] 雷正保.汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用研究[D]. 湖南:中南大學(xué)，2003.

[3] 薛松,唐楨杰,馬陽.基于Dynaform的加油口盒成形工藝分析及優(yōu)化[J]. 熱加工工藝，2013，42(11):115-117.

[4] 嚴(yán)紹華.工程材料及機械制造基礎(chǔ)(第1版)[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[5] 江樹勇.材料成形技術(shù)基礎(chǔ)(第1版)[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

FormingAnalysisofAutomobilePanelBasedonDYNAFORM

WANG Jun-hong, GONG Xin-yong, LAI Deng-liang, FENG Hai-mei

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

For the design and manufacture of the main automobile panel dies in automobile body dies, DYNAFORM software is used for the forming analysis of the engine hood outer panel. The influence of setting up different drawbeads and non-drawbead-setting on automobile engine hood outer panel is simulated and analyzed, defects are predicted. The dies design and production process can be modified according to the results of simulation analysis, which can reduce the production cycle, production cost and the complicated multiple test and repair, so as to improve the production efficiency and market competitiveness.

automobile panel; drawbeads; forming analysis; DYNAFORM

2017-09-03

中央基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(3142015012)

王俊紅(1986-)，女，碩士，華北科技學(xué)院機電工程學(xué)院教師，研究方向為金屬塑性形成型模擬。E-mail：wangjunhong@tju.edu.cn

TH16

A

1672-7169(2017)05-0064-06