瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 付波

隨著現(xiàn)代國內(nèi)模具行業(yè)的發(fā)展，將先進(jìn)模具與油箱的生產(chǎn)聯(lián)系成為一種必然，而現(xiàn)有中小型企業(yè)由于資金、時間、技術(shù)等各方面原因?qū)е卵兄葡冗M(jìn)的模具進(jìn)行油箱技術(shù)的改進(jìn)存在一定的難度，為此，將有限元分析軟件Dynaform 運(yùn)用到模具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程中，這樣做可以降低模具實(shí)際制造費(fèi)用，單位時間內(nèi)能夠生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，增強(qiáng)模具生產(chǎn)廠在行業(yè)內(nèi)的核心競爭力。

汽車油箱的形狀較大，有一個特殊的空間表面形狀，模具很重，使整個燃料箱模具制造過程復(fù)雜，制造成本高。因此，我們要著重討論和解決幾個問題：在保證油箱質(zhì)量的前提下，怎樣設(shè)計(jì)生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的模具，而且還要保證模具越輕越好。

1 油箱上箱的成型技術(shù)

汽車油箱按材料分為鐵油箱和鋁油箱。隨著各種新型材料的發(fā)展，鐵燃料箱的防銹問題成為最大的問題。尤其是在當(dāng)今的環(huán)境意識日趨增強(qiáng)的情況下。在重型車輛方面：影響新車型推進(jìn)的問題是我國的石油質(zhì)量，這是油箱質(zhì)量的關(guān)鍵。鋁合金油箱不僅能滿足強(qiáng)度和耐腐蝕性能，而且比鐵和其他材料有更大的應(yīng)用前景。它也已成為高油耗的大型客車和重型卡車的首選。

汽車油箱由上箱、下箱、吸油槽、通風(fēng)管、進(jìn)油管、防浪板、加固板、電噴泵固定板、內(nèi)部總成、固定件等組成。在本文中，主要研究汽車油箱上箱，使之可以擴(kuò)展到整個油箱。

汽車油箱上箱外圍尺寸很大，本文研究的s201 油箱長和寬分別達(dá)到1.051 米和0.537 米。而且，油箱表面凹凸不平，立體感強(qiáng)，元件厚度僅有2mm。這與我們常用的鐵碗、文具盒、黑板擦等尺寸相對較小、形狀相對簡單的用具不同。汽車油箱沖壓模具具有形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大的特點(diǎn)。

絕大部分油箱的生產(chǎn)都需要采用模具利用拉伸成型，由于零件的冷沖程序不簡單，我們經(jīng)常需要用到CAE 成型軟件（例Dynaform、deform），對零件在拉伸變形過程中的形成裂紋等問題進(jìn)行數(shù)值仿真。我們在對油箱上箱產(chǎn)品檢查時，還需要用到三坐標(biāo)測試儀及特殊測量措施，在實(shí)際零件檢測過程中，評估其尺寸和形狀。

1.1 汽車油箱上箱的模具設(shè)計(jì)

油箱上箱的構(gòu)造、表面及大小會影響產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，沖孔、落料、拉伸等完成的難易性也會受技術(shù)參數(shù)的影響。大部分油箱是簡單、快速成型的，從而盡快生產(chǎn)合格的油箱上箱制件。

在拉伸時，我們需要明確拉伸的總次數(shù)和各個工序開展的先后問題，在接下來的處理過程里，非常核心的技術(shù)是定位基準(zhǔn)的一致性或定位基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換。必須根據(jù)原則為下一道工序提供必要條件，下一道工序必須與前一道工序相互銜接、互不影響。

由于汽車油箱箱體周圍的毛胚變型復(fù)雜，用精確的數(shù)值方法無法得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。我們常常要用到3d 建模將沖孔、落料、切斷、切邊等工序進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到合格的拉伸沖壓制件并使拉筋以形成拉伸部件。

1.1.1 工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)

工藝補(bǔ)充部分是拉伸元件中不可或缺的組成部分。工藝補(bǔ)充是拉伸工序得以順利完成的先決條件，也是改善拉伸零件變型程度的先決條件。油箱上箱的形狀和大小決定了工藝補(bǔ)充的數(shù)量和上箱材料的金屬特性。工藝補(bǔ)充多余的材料能夠在后續(xù)工序中去除。

1.1.2 分型與坯料

工藝補(bǔ)充還有一個重要組成部分就是壓料面，它能夠很好地促進(jìn)汽車油箱上箱的成型。壓料面是指在拉伸初始時壓邊圈與凹模之間的毛坯部分，它位于凹模圓角之外。壓料面是有些拉伸成型零件的補(bǔ)充部分，有的拉伸成型零件由工藝補(bǔ)充部分和法蘭部分一起構(gòu)成壓料面[1]。

1.1.3 拉延檻

怎么分布和排列拉延筋對拉伸工序的作用非常大。這樣，能夠很好地避免油箱上箱零件出現(xiàn)褶皺或裂紋。上箱零件的形態(tài)及布置方式應(yīng)結(jié)合上箱零件的形狀特征及相應(yīng)的變形特征，以掌握上箱零件的形狀改變和材料的移動，達(dá)到拉伸成型的目的。

1.1.4 拉伸成型的加工方向

燃油箱上箱上各工藝的加工方向，必須與工藝的成型要求相適應(yīng)。我們在加工的時候，每個工藝的加工方向允許有差別。然而，在可以達(dá)到拉伸成型指標(biāo)的條件時，每個工藝的沖壓方向是一致的或不會發(fā)生盡可能多的改變，從而縮短加工和代加工的工時。

1.1.5 送件方法拉

伸成型模具中，材料的送料方式一般有三種：一是加工部分一側(cè)彎曲一側(cè)扁平的，一般是沿著扁平的面往前送料；二是加工部分是一面淺一面深的，一般是拿住深的面往前送料；三是加工零件一頭大一頭小的，一般是拿住大頭一側(cè)往前送料。

1.2 汽車燃油箱上箱的拉伸模具加工

在確定沖壓方案后，通過對模具結(jié)構(gòu)合理部位的分析和選擇，可設(shè)計(jì)拉伸模具和修復(fù)模具。要明確沖壓模具的制造形式和途徑，可以利用CNC 采取程序編制，結(jié)合沖壓成型過程中模具表面、指標(biāo)及形狀的要求。生產(chǎn)的燃油箱質(zhì)量的好壞要由沖壓拉伸模具決定。位于凸模底部及壓邊圈上部的材料延伸將形成拉伸模具中的曲面。拉伸是沖壓過程中最重要的工序之一，板型毛坯制件和零件可以利用拉伸模具加工成為各式各樣的開口空心的制件。拉伸模具還可以將已經(jīng)開口空心的零件加工成其他形狀的開口空心的制件，它的主要原理是將凸模之外的材料拉入凹模中[1]。

2 油箱上箱仿真

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元模擬技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值模擬技術(shù)可以獲得變型狀態(tài)、應(yīng)力和應(yīng)變分布等參數(shù)信息。隨著汽車車身的發(fā)展，板料成型和模具設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)值分析軟件的成熟，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)過程已逐步向“同步工程”方向轉(zhuǎn)變。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，可以同時進(jìn)行工藝布局、模具設(shè)計(jì)、工藝驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等工作。過去，制造和生產(chǎn)模式長期都是以鉗工為基礎(chǔ)的，現(xiàn)在正在被一種基于技術(shù)和設(shè)計(jì)的現(xiàn)代制造和生產(chǎn)模式取代[2-3]。許多模具制造商采用數(shù)值模擬技術(shù)對有缺陷的設(shè)計(jì)和成型工藝參數(shù)進(jìn)行了修改和調(diào)整，在成型設(shè)計(jì)的可塑性分析方面取得了進(jìn)展。將模具制造和調(diào)試中的問題轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)階段進(jìn)行預(yù)測和解決，并提出數(shù)字模具設(shè)計(jì)階段或沖壓工藝分析和設(shè)計(jì)階段存在的問題，已成為一種廣泛應(yīng)用的模型[4-5]。

另外，隨著電腦產(chǎn)業(yè)與材料成型產(chǎn)業(yè)的壯大，迅猛發(fā)展的數(shù)值仿真模擬軟件為五金模具的發(fā)展開辟了一條便捷之路。很多發(fā)達(dá)國家，CAD/CAE 技術(shù)都是從汽車上運(yùn)用開始的，CAD/CAE軟件也應(yīng)用于油箱模具的設(shè)計(jì)過程。利用CAD 軟件進(jìn)行五金模具的二維圖繪制與設(shè)計(jì)，并將繪制好的五金模具傳入數(shù)值模擬軟件中模擬。通過仿真，如果發(fā)現(xiàn)仿真設(shè)計(jì)存在不足，我們就可以參照仿真結(jié)果，對原設(shè)計(jì)利用CAD 成型軟件進(jìn)行修正，修正后的沖壓模具導(dǎo)入CAE 軟件仿真。常用的模擬數(shù)值軟件包含：DYNAFORM、AUTOFORM、ANSYS 等。

目前，數(shù)值模擬技術(shù)已能夠很好地預(yù)測汽車油箱上箱的成型。新的模具制造技術(shù)必須引進(jìn)汽車工業(yè)的加工制造，新的模具制造技術(shù)的引進(jìn)可以改變模具的制造工藝和設(shè)計(jì)效果，從而降低模具的生產(chǎn)成本并縮短模具的制造周期[6]。目前，很多數(shù)值模擬測試系統(tǒng)的運(yùn)用，能夠很好地解決冷沖壓模具手工設(shè)計(jì)滿意度不高的問題，也可以改善沖壓模具的工藝制造問題，從而縮短生產(chǎn)模具的時間，提高生產(chǎn)模具的經(jīng)濟(jì)性，在達(dá)到以上目的的同時，還可以避免以上問題。

2.1 油箱上箱模具型面選取

建立油箱上箱沖壓成型有限元分析模型已經(jīng)成為成型面（模具成型模面）提取的重點(diǎn)。變形坯料成了成型面的接觸邊界，坯料的塑性流動被成型面在成型過程中限制。在油箱上創(chuàng)建沖壓模具，并提取成型模具面，然后將其導(dǎo)入有限元分析軟件，完成所需的幾何清洗和拉伸成型面的合理簡化，以提高網(wǎng)格質(zhì)量和仿真分析效率。

2.1.1 板料和模具網(wǎng)格劃分

對金屬板材沖壓成型過程分析來說，在沖壓過程中，坯料是典型的大變形構(gòu)件，因此，坯料必須采用精細(xì)的網(wǎng)格模型，而且單元形狀必須盡量采用“真正的矩形”形狀，至少要盡量采用四邊形單元。相反，模具的變形要小得多，但模具的形狀卻是非常復(fù)雜的。為了簡化計(jì)算，模具通常作為剛體處理（即采用剛體材料模型）。

2.1.2 網(wǎng)格密度

單元和單元之間的應(yīng)力分布是不連貫的，對于型面復(fù)雜的零件或零件中型面復(fù)雜的區(qū)域來講，這個應(yīng)力不連續(xù)的幅值就是衡量網(wǎng)格劃分是否合理的一個標(biāo)準(zhǔn)。因此，在型面復(fù)雜的區(qū)域，也就是需要有高精度要求的區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)格的密度可以相對大一些，而在型面不復(fù)雜的區(qū)域，網(wǎng)格的密度可以相對小一些。

2.1.3 單元網(wǎng)格大小

在有限元方法中，單元網(wǎng)格形狀最好是規(guī)則單元。單元網(wǎng)格發(fā)生扭曲，會降低有限元模擬的精度。即使初始的單元網(wǎng)格都是規(guī)則的，但是在沖壓變形的過程中隨著變形程度的增加，單元網(wǎng)格勢必發(fā)生扭曲，造成精度下降，如果精度下降的幅度不符合設(shè)計(jì)要求，則需要增加網(wǎng)格密度。

2.1.4 板料網(wǎng)格劃分要求

在有限元模擬的金屬板材的沖壓變形過程中，坯料處于塑性變形狀態(tài)，且由于零件形狀各異，需要按照工藝要求合理設(shè)置坯料單元網(wǎng)格的數(shù)量、密度、大小和形狀。按照一般原則：單元網(wǎng)格大小要依據(jù)變形區(qū)域情況確定，變形量大，形狀復(fù)雜的區(qū)域，單元網(wǎng)格要小，反之亦然；單元網(wǎng)格形狀應(yīng)盡量采用四邊形單元。

2.2 有限元算法及求解

選取金屬材料作為五金模具成型的材料時，將是非線性的，包括狀態(tài)、幾何和材料。通常，采用混合、增量和迭代的方法描述和計(jì)算加工材料的非線性現(xiàn)象。

我們常常采用基于薄膜理論的薄膜單元、基于板殼理論的殼體單元和基于連續(xù)介質(zhì)的實(shí)體單元，在有限元模擬中進(jìn)行計(jì)算。薄膜元理論的基本研究沒有考慮表面的彎曲變形，難以研究和分析坯料的起皺、鼓包、回彈等缺陷。但該方法具有簡單、快速、低要求等優(yōu)點(diǎn)。

一般情況下，常用經(jīng)過改進(jìn)的拉格朗日法與全拉格朗日法兩種。所以，不管運(yùn)用什么方式，都可以建立如下公式：

還可以得到以下公式：

以上方程式相減，可得增量方程式如下：

將ft+Δti表示為ut附近僅保留其線性項(xiàng)的Taylor 展開式，可得：

計(jì)算得方程式如下：

若Δfe很小，上式可表達(dá)為：

此公式表示的是靜力顯式算法（Static Explicit Algorithm）。

因?yàn)椴介LΔfe很大，且選擇了式（1-5）的表達(dá)式，這將導(dǎo)致u1通過式（1-7）確定（1-4）平衡方程式，不平衡力為ΔR1，則：將fi（ut+Δt）表示為u1附近的僅保留Taylor 線性項(xiàng)的展開式，得出：

可以得到全新的近似解：

重復(fù)計(jì)算以上步驟使得ΔR 很小甚至可以忽略，可以得到t+Δt 點(diǎn)時的ut+Δt表達(dá)式。需要在迭代前判斷好接觸條件，靜力隱式算法需要構(gòu)造和求解大型稀疏剛度矩陣，每一步迭代都需要進(jìn)行接觸判斷，占用存儲空間多，計(jì)算量大，計(jì)算速度慢，并且往往會出現(xiàn)迭代不收斂的情況，但計(jì)算精度高。

在式（1-2）中，受到動態(tài)載荷作用的力學(xué)響應(yīng)過程被描述為坯料在沖壓成型過程中的速度與加速度。通過恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ袰和M 分解成對角陣，通過中心差分法，坯料節(jié)點(diǎn)位移量可在t+Δt時獲得，如下所示：

動力顯式算法（Dynamic explicit algorithm，DE）就是用（1-13）來表示的，由（1-13）式可單獨(dú)計(jì)算各個自由度的位移量。為了式（1-13）的計(jì)算有穩(wěn)定性，可以采用穩(wěn)定的中心差分法，這時，應(yīng)滿足：

在國內(nèi)外板料沖壓加工領(lǐng)域常采用的專業(yè)CAE 分析軟件有：DYNAFORM、LS-DYNA3D、PAM-STAMP 等,這些都是使用動力顯式算法的，所以，這些常常作為描述貼合狀態(tài)和力量狀況。采用靜態(tài)隱式算法的有限元仿真分析軟件，主要包括：Auto-Form、Indeed、LS-NIKE3D 等。以上算法是快速和穩(wěn)定的。然而，在計(jì)算和分析鑄坯成型時，由于準(zhǔn)靜態(tài)過程，動態(tài)顯示算法在計(jì)算中存在一些誤差。

3 結(jié)論

3.1 首先將分析某油箱廠所產(chǎn)的汽車燃油箱，對其上箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究

在CAD 軟件中設(shè)計(jì)好產(chǎn)品或模具模型，存為IGES、STL 或DXF 文件格式，或直接在DYNAFORM的前置處理器中建立模型并保存為上述文件格式，然后將上述模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入DYNAFORM系統(tǒng)中。

3.2 然后分析某油箱廠所產(chǎn)的汽車油箱上箱結(jié)構(gòu)及工藝

利用DYNAFORM軟件提供的網(wǎng)格劃分工具對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，檢查并修正網(wǎng)格缺陷（包括單元法矢量、網(wǎng)格邊界、負(fù)角、重疊結(jié)點(diǎn)和單元等）。

3.3 利用塑性有限元分析軟件DYNAFORM 軟件中的坯料工程模塊

對模型進(jìn)行壓料面以及工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)，對汽車燃油箱上箱拉伸過程進(jìn)行模擬研究，并對其合理工藝參數(shù)進(jìn)行探討，建立板料、凸模、凹模和壓邊圈等工具并定義它們的屬性，以及設(shè)定相應(yīng)的工藝參數(shù)（接觸類型、摩擦系數(shù)、運(yùn)動速度和壓邊力曲線等）。在Dynaform 軟件下對汽車油箱上箱應(yīng)力應(yīng)變、工件厚度變化、成型過程、起皺、拉裂、壓力機(jī)噸位、材料等參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

3.4 分析模擬結(jié)果，通過反映的變化規(guī)律找到問題所在

與現(xiàn)有拉伸工藝進(jìn)行對比分析，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，重新運(yùn)算直到得到滿意的結(jié)果，形成油箱上箱拉伸件模具設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，為現(xiàn)有其他各種型號油箱模具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供技術(shù)參考與依據(jù)。