（机械工程专业论文）不等截面拉延筋结构参数反求研究与应用.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fg e o m e t r yp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nf o r n o n u n i f o r n ls e c t i o nd r a w b e a d s b y w a n g x u e q i n g b e ( h u b e iu n i v e r s i t yo f a u t o m o t i v et e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t 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 nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu 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 m a y , 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：玄 嚆代 日期：加，年歹月事一日 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 l 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名 导师签名 日期：勿，f 年4 月孑杪日 日期：门绰朔? o 日 不等截面拉延筋结构参数优化反求研究与应用 摘要 起皱、破裂和回弹是汽车覆盖件等金属薄板件拉延成形过程中的常见质量缺 陷。拉延筋的合理设置可以改变板料在凹模口部受到的拉深阻力分布形式，是减 少成形缺陷和控制成形件质量的主要手段之一。传统的拉延筋以单一截面形式为 主，难以很好地协调成形过程中各部分的成形阻力，对克服冲压缺陷的能力不足。 利用不等截面拉延筋对冲压成形中的材料流动特性进行控制，可以更好地平衡板 料在凹模口部的流动速度差异，对克服冲压件的成形质量缺陷起到更好的效果。 在不等截面拉延筋工艺中，不同截面的筋的结构几何参数设置是板料顺利成形的 难点和关键。本文在前人研究的基础上研究了一种能够快速优化设置不等截面拉 延筋各截面结构几何参数的设计方法，该方法可以减少实际试模次数，降低模具 的设计开发成本，具有较大的工程实际意义。 研究具体内容如下： ( 1 ) 讨论了冲压成形工艺中板料破裂与起皱的评价方法，并选取基于成形极 限图( f l d ) 的评价方法作为构建破裂与起皱的优化目标函数的依据。 ( 2 ) 建立了一种快速优化获取不等截面拉延筋等效拉延阻力分布的方法，该 方法以等效拉延阻力作为设计变量，通过均匀拉丁方试验设计方法提取适当的设 计变量样本构造响应面近似模型，再利用多目标遗传算法优化获取最合理等效拉 延阻力分布。通过对某车型前碰撞梁内板进行冲压仿真分析，验证了该方法的正 确性与可行性。 ( 3 ) 阐述了s t o u g h t o n 模型与改进的w e i d e m a n n 模型两种拉延筋等效阻力模 型的数学原理。在已知拉延等效阻力分布的条件下，结合工程实际经验运用等效 阻力模型对不等截面拉延筋各横截面的结构参数进行了反求，并对反求参数后确 定的不等截面拉延筋进行了真实拉延筋冲压仿真分析，取得了令人满意的仿真结 果。 关键词：不等截面拉延筋；响应面；优化设计；参数反求 h a b s t r a c t w r i n k l i n g ，r u p t u r ea n ds p r i n g b a c ka r ec o m m o nq u a l i t yd e f e c t s i ns h e e tm e t a l f o n n i n g r e a s o n a b l ed r a w b e a dd e s i g nc a nc h a n g et h er e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o n ，w h i c hi s o n eo ft h em a i nm e a n st or e d u c ed e f e c t sa n dc o n t r o lt h ef o r m i n gq u a l i t y t r a d i t i o n a l d r a w b e a d w h o s ec r o s ss e c t i o ni ss i n g l e ，i sd i f f i c u l tt oc o o r d i n a t ef o r m i n gr e s i s t a n c e o fv a r i o u sp a r t sa n dt oo v e r c o m et h es t a m p i n gd e f e c t sw e l l n o n u n i f o r ms e c t i o n d r a w b e a d sc a nc o n t r o lt h eq u a l i t yo fs t a m p i n gb e t t e r h o w e v e r ，i t i sd i f f i c u l ta n d c r i t i c a lt os e tu pg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so fd i f f e r e n ts e c t i o n s i nt h i sp a p e l b a s e do n p r e v i o u ss t u d i e s ，am e t h o d t os e tu pg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so fn o n - u n i f o r ms e c t i o n d r a w b e a d sq u i c k l yi sp r o p o s e d b yu s i n gt h i sm e t h o d ，t h eq u a n t i t yo fm o l dt r i a l sc a n b er e d u c e d t h u s ，t h ed e v e l o p m e n tc o s t sc a nb el a r g l ys a v e d t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e ri sc o n c l u d e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ee v a l u a t i o nm e t h o d sf o rw r i n k l i n ga n dr u p t u r ei ns h e e tm e t a ls t a m p i n g w e r ed i s c u s s e d a n dt h em e t h o db a s e do nf l dw a ss e l e c t e dt oc o n s t r u c tt h eo b j e c t i v e f u n c t i o nf o rr u p t u r ea n dw r i n k li n g ( 2 ) as i m p l i f ym e t h o dw a si n t r o d u c e dt od e t e r m i n et h er e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o no f t h en o n u n i f o r ms e c t i o nd r a w b e a d si n t h i ss t u d y i nt h i sm e t h o d ，t h ee q u i v a l e n t r e s i s t a n c eo ft h ed r a w b e a d sw a sd e s i g n a t e da st h ed e s i g nv a r i a b l e ，t h e nt h er e s p o n s e s u r f a c ew a se s t a b l i s h e dt h r o u g hl a t i ns q u a r ee x p e r i m e n t a ld e s i g n a n dt h em o s t r e a s o n a b l ee q u i v a l e n tr e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o nw a so p t i m i z e db ym u l t i o b j e c t i v eg e n e t i c a l g o r i t h m f i n a l l y , a ne x a m p l eo ft h es t a m pf o r m i n gw a sp r e s e n t e dt o i l l u s t r a t et h e v a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o di np r a c t i c a lp r o j e c t s ( 3 ) t h em a t h e m a t i c a lp r i n c i p l e so ft h es t o u g h t o n m o d e l a n dt h ei m p r o v e d w e i d e m a n nm o d e lw e r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s o f n o n u n i f 0 n ns e c t i o nd r a w d e a d sw e r ec a l c u l a t e db yt h e s et w om o d e l s ，b a s e do nt h e k n o w nr e s i s t a n e ed i s t r i b u t i o n t h e n ，a ne x a m p l ef o rs t a m p i n gs i m u l a t i o no fat r u e d r a w b e a dw a sg i v e n as a t i s f i e dr e s u l tw a so b t a i n e d k e y w o r d s ：n o n u n i f o r ms e c t i o nd r a w b e a d s ；r e s p o n s es u r f a c em e t h o d ；o p t i m i z a t i o n ； i n v e r s ep r o b l e mo fp a r a m e t e r s 1 1 1 不等截面拉延筋结构参数优化反求研究0 应用 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录i v 插图索引v i 附表索引v i i 第1 章绪论l 1 1 前言1 1 2 拉延筋的研究发展现状2 1 2 1 拉延筋的实验研究2 ， 1 2 2 拉延筋阻力的理论研究：，4 1 2 3 优化设计理论在拉延筋结构设计中的应用5 1 4 本论文的研究目的、意义及内容6 1 4 1 研究目的及意义6 1 4 2 研究内容7 第2 章拉延筋在板料成形中的应甩8 2 1 拉延筋的作用8 2 2 拉延筋的种类和结构形式9 2 3 拉延筋约束力的构成1 0 2 4 拉延筋在数值模拟中的应用1 0 2 4 1 约束保持力的施加1 1 2 4 2 约束阻力的施加l l 2 4 3 厚向应变的施加1 l 2 5 本章小结1 3 第3 章不等截面拉延筋等效阻力分布优化1 4 3 1 拉延阻力分布优化模型的建立1 5 3 1 1 优化问题数学模型1 5 3 1 2 冲压成形质量的评价与目标函数的建立1 5 3 1 3 设计变量：18 3 1 4 构建响应面近似数学模型1 9 3 1 5 试验设计2 4 i v 硕一f ：学位论文 3 1 6 设计变量取值区域的更新2 7 3 2 拉延阻力分布的优化获取2 8 3 2 1 传统多目标优化算法2 8 3 2 2 多目标遗传算法2 9 3 2 3 不等截面拉延筋阻力分布优化过程3 1 3 3 算例3 2 3 3 1 覆盖件c a d 模型3 2 3 3 2 冲压成形有限元模型3 3 3 3 3 板料的材料模型3 4 3 3 4 冲压过程工艺参数的确定3 4 3 3 5 仿真结果对比分析与拉延阻力优化3 5 3 4 本章小结3 7 第4 章不等截面拉延筋几何结构参数反求3 9 4 1 拉延筋等效阻力模型3 9 4 1 1s t o u g h t o n 模型3 9 4 1 2 改进的w e i d e m a n n 模型41 4 2 拉延筋几何结构参数反求4 4 4 2 1 确定两类拉延筋的阻力临界值4 4 4 2 2 确定拉延筋结构参数一4 4 4 3 反求实例4 5 4 4 本章小结4 7 总结与展望4 8 参考文献4 9 致谢5 3 附录a 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录5 4 附录b 攻读硕士学位期间从事的主要研究工作5 5 v 不等截面拉延筋结构参数优化反求研究与戍用 插图索引 图1 1n i n e 拉延筋模拟测力仪简图3 图2 1 板料通过拉延筋时的弯曲和反弯曲过程8 图2 2 常用拉延筋的截面形状一9 图2 3 板料通过拉延筋时的弯曲反弯曲过程1 0 图2 4 拉延筋对单位约束力阻力的分配1 1 图3 1f l d 成形极限示意图17 图3 2 二因子4 水平拉丁方试验设计2 6 图3 3 二因子4 水平均匀拉丁方试验设计2 6 图3 4 兴趣域的更新方式2 7 图3 5 拉延筋阻力优化过程流程图3 2 图3 6 汽车前碰撞梁内板c a d 模型3 3 图3 7 汽车前碰撞梁内板c a e 模型3 3 图3 8d p 7 8 0 材料模型的硬化曲线3 4 图3 9 不加拉延筋时的成形结果3 5 图3 1 0 采用等截面拉延筋时的成形结果3 5 图3 1 l 拉延筋布置形式3 6 图3 1 2 优化不等截面拉延筋后的成形结果3 7 图4 1 板料变形中局部坐标4 0 图4 2 板料受弹性力的等效模型4 l 图4 3 不等截面拉延筋结构几何参数优化设计过程4 5 图4 4 不等截面拉延筋约束阻力分布4 5 图4 5 汽车前碰撞梁内板真实拉延筋c a e 模型4 6 图4 6 真实拉延筋成形结果4 7 v l 硕士学位论文 附表索引 表3 1 仿真模型单元及节点统计3 4 表3 2d p 7 8 0 材料模型参数3 4 表3 3 工艺参数设置3 4 表3 4 响应面构造样本点及其目标响应值3 6 表3 5 拉延阻力优化结果3 8 表4 1 半圆形拉延筋和矩形拉延筋阻力临界值4 4 表4 2 不等截面拉延筋几何结构参数4 6 v u 硕l ：学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 板料冲压工艺在汽车工业中占据重要地位。在汽车车身制造中，绝大部分的 零件是通过冲压工艺生产的。载货汽车的车身、车架、车厢及轿车的车身主体等 都是由钢板冲压制造而成。因此，汽车冲压件成形质量的好坏不仅影响到整车装 配和汽车外观，而且对汽车的制造成本和新车型的开发周期等都会产生很大的影 响。汽车覆盖件拉延成形过程中，板料时常出现起皱、拉裂和回弹等缺陷。拉延 筋在拉延成形模具中的应用，能够控制材料流动，是抑制拉裂、起皱、成形不足 等冲压问题的主要途径之一。 近年来，大型汽车覆盖件的成形工艺和模具开发技术日益受到国内外学者和 汽车生产企业的普遍关注。随着计算机硬件技术、板料成形有限元理论以及非线 性优化理论的发展，建立大型覆盖件成形预测系统成形已成为可能。但是，对于 这一系统中占有重要地位的拉延筋设计技术的研究应用却相对滞后。虽然国内外 已经有大量学者从实验测试、理论研究以及有限元仿真方面对板材在拉延筋中的 变形机理以及影响因素进行了较为系统的研究，并取得了进展，但对于复杂冲压 模具( 如大型汽车覆盖件冲压模具) 中拉延筋的设计方法的研究，才刚刚起步，目 前还没有一种有效的设计方法。在工程实践中，拉延筋通常凭经验进行设计调整。 在模具的调试过程中，原设计的拉延筋常不能满足要求而须不断重复修改，造成 人力和物力的浪费，严重时甚至导致整套模具作废，因此拉延筋的设计技术己成 为覆盖件模具设计的关键技术之一i ij 。 机械优化设计是随着电子计算机技术的迅速发展和广泛应用所产生的一种现 代设计方法。它依据最优化理论和方法，以电子计算机为工具，寻求机械最优化 设计参数。运用优化方法设计机械产品，能够提升新产品设计开发效率、节省原 材料、降低成本，从而达到提高经济效益的目的。 汽车工业的发展，对汽车覆盖件的质量要求迈上了一个新的台阶，冲压件的 形状和尺寸精度控制更为严格，因此，对汽车覆盖件冲压模具技术的重要组成部 分一一拉延筋设计也提出了更高的要求。有些学者在拉延筋工艺上做出了一些有 效尝试。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室应用c a e 技术，对拉延 筋机理进行了深入的研究，发明了斜拉延筋工艺。斜拉延筋除提供流动阻力外， 还可提供具有主动性质的引导材料流动的作用力，它对材料流动具有更好的控制 作用1 2 j 。阳春启，杨旭静【3j 提出了一种新型的基于不等截面拉延筋的工艺方法， 利用不等截面拉延筋对冲压成形中的材料流动特性进行控制，可以更好地平衡板 不等截面拉延筋结构参数反求研究与应用 料在凹模口部的流动速度差异，对克服冲压件的成形质量缺陷起到更好的效果。 有些学者开始尝试把优化设计理论应用到拉延筋设计中来。如高凯祁，胡世光在 文献【4 】中，把遗传算法应用于汽车覆盖件拉延筋结构参数优化设计中；韩利芬等 通过构建神经网络模型来优化反求拉延筋几何参数【5 】；郑刚、李光耀等人引入响 应面方法和粒子群算法建立了基于近似模型的拉延筋几何参数反求方法【6 1 。 1 2 拉延筋的研究发展现状 拉延筋在薄板拉深成形中的应用已有悠久历史，特别是随着冲压工艺的发展， 冲压制件( 如汽车覆盖件) 日趋复杂化，使拉延筋的设计和应用日趋得到重视。自 上世纪6 0 年代末，人们开始重视起拉延筋的设计问题，近4 0 年来很多学者分别 采用实验研究、理论分析和有限元方法对拉延筋的作用机理、拉延筋阻力的构成、 拉延筋对板材成形质量的影响作了研究，取得了较大的进展，并且有些的学者开 始尝试把优化设计理论引入到拉延筋的设计上来。 1 2 1 拉延筋的实验研究 上世纪6 0 年代末、7 0 年代初，l l o y d 和m j p a l t e r 分别在拉深实验仪器上对 板条通过半圆形拉延筋的拉深过程进行研究，得出了拉延筋阻力随筋压入深度的 不同、润滑条件的不同以及拉深速度的不同而变化的结论【7 培】。 2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初，美国通用汽车研究实验室的h d n i n e 最早对 拉延筋做了较为全面的研究。h d n i n e 指出在拉延筋设计中拉延筋阻力及设置拉 延筋后所需的压边力是拉延筋设计中关键的力能参数，并明确提出了拉延筋阻力 由板料通过拉延筋时弯曲、反弯曲变形产生的变形阻力和板料与拉延筋间的摩擦 阻力两部分组成。为进一步研究摩擦在拉延筋阻力中的作用，h d n i n e 对库仑摩 擦定律的适用性进行了实验研究，研究结果表明，库仑摩擦定律的适用性与材料、 接触压力、表面光洁度及润滑条件等多种因素有关。h d n i n e 设计了一个拉延筋 阻力模拟测试仪( 这一实验仪器已经成为目前用实验方法对拉延筋进行实验研究 的主要仪器) 如图1 1 所示，该实验装置可以分离出拉延筋阻力的两部分：变形阻 力和摩擦阻力。h d n i n e 的研究成功地测出了变形阻力和摩擦阻力，得出变形阻 力约占拉延筋阻力的6 5 - - - 8 5 ，该研究为以后拉延筋方面的研究工作提供了非常 有价值的实验方法和分析数据。1 9 8 2 年h d n i n e 进一步分析了拉延筋阻力的成 因，提出在拉延筋凹槽中嵌入聚氨酯垫块，可有效增加拉延筋阻力，实现对拉延 筋阻力的快速调节，并且在文中讨论了不同的条件下，嵌入聚氨酯垫块对拉延筋 阻力的影响p j 。 1 9 9 1 年c h r y s l e r 公司的n m w a n g 和v c s h a 在m t s 成形性能测试仪上，针 对半圆形筋、矩形筋、拉深槛以及矩形筋与拉深槛的组合筋这4 种拉延筋，以凸 2 硕十学位论文 r 一一一一一。一 1 一 板 i 1 。一一 - _ - i 图1 1n i n e 拉延筋模拟测力仪简图 模负载曲线为参照，研究了不同润滑、不同夹紧力时的拉深阻力大小及其对冲压 件极限拉深深度的影响，指出拉延筋的几何形状是影响阻力大小的重要因素【i 叭。 w a t e r l o o 大学的j o h n a s c h e y 等人应用n i n e 设计的拉延筋模拟测试仪研究了不同 润滑条件、不同筋表面粗糙度对普通钢板和镀层钢板的摩擦系数的影响，指出在 通常条件下，拉延筋表面越粗糙，摩擦对润滑油的敏感度就越低，但这将造成金 属表面划伤；拉延筋表面越光滑，摩擦对润滑油的敏感度就越高，但这样可减少 金属表面的划伤度】。1 9 9 3 年，m y d e m e r t 在文献 1 2 】中，通过实验着重研究了 五种不同材料下压边力及拉延筋高度对拉延筋阻力的影响。研究结果表明，对于 各种材料，拉延筋阻力均随压边力及拉延筋高度的增加而增大。 哈尔滨工业大学的邢忠文和杨玉英等人在大量实验基础上，系统研究了拉延 筋阻力的形成机理及影响因素，指出拉延筋阻力是由板料通过拉延筋时的弯曲， 反弯曲变形力、摩擦力及因变形硬化引起的变形抗力三部分共同组成；指出拉延 筋阻力的影响因素包括拉延筋的形式、拉延筋几何参数、材料特性、润滑条件、 变形速度和压边力等，其中拉延筋几何参数和拉延筋形式对拉延筋阻力的影响最 大【1 , 1 3 】。李硕本、金淼等人建立了拉延筋力能参数测试系统，通过数值模拟和实 验相结合的方法研究了拉延筋的作用机理以及几何参数对拉延筋阻力的影响f l4 1 。 李东升在文献l l5 j 建立了一种用拉延筋单元模拟装置测试拉延筋摩擦系数的方法， 并对成形中的摩擦工艺及润滑进行了实验研究。宝钢公司也借助拉延筋模拟试验 机，分析了6 种冲压润滑剂对5 种汽车板料成形时拉延筋处摩擦系数的影响【l 们。 内蒙古工业大学的王志恒等人对回转零件所使用的环形拉延筋拉深阻力进行了实 验研究，对拉延筋的阻力构成、筋的结构以及位置等进行了机理分析【l7 1 。刘建华 等人研究了环形拉延筋的成形力并进行了实验研究【i 引。湖南大学的刘迪辉，钟志 华等人采用拉延筋影响试验、平板拉伸试验，研究了板料过拉延筋后几何参数和 3 f _ _ 1 一 一 一 _ 一 一 一 - i 不等截面拉延筋结构参数反求研究与应用 数的变化情况，结合翻边回弹试验和回弹一维分析方法，研究了拉延筋对 影响机理l i 引。 拉延筋阻力的理论研究 前，对拉延筋的模拟主要有两种方式。一是建立拉延筋的真实几何模型。 相对于模具其它部位尺寸较小，最小的拉延筋圆角半径一般在3 m m 左右。 压数值模拟时，这种方式势必将靠近拉延筋的部位网格细化，导致求解问 算量极大增加，从而影响计算效率。二是建立等效拉延筋模型代替拉延筋 型进行仿真计算。该方式首先将拉延筋等效为一条拉延筋线，并将其附着 或压边圈上，然后通过虚功原理将拉延筋阻力等效到与之相接触的板料节 点上。等效拉延筋模型的计算效率较高，因而得到了广泛应用。等效拉延筋模型 的有效性是建立在能较准确计算等效拉延筋阻力的前提上。为了建立可靠的等效 拉延筋阻力模型，不少学者开展了相关的研究工作。 目前的拉延筋阻力计算模型主要有两类：一是单独对拉延筋进行有限元模拟 得到拉延阻力，该方法可以较直观地反映板料在拉延筋处的变形过程，但每次调 整拉延筋几何参数都需重新构建有限元模型；二是建立数学解析模型，根据塑性 力学理论进行必要的简化，推导出拉延阻力计算公式，该方法简单快速，且不存 在边界条件不易处理等问题，具有一定的优越性。 ( 1 ) 有限元模拟 1 9 9 3 年，j c a o 和m c b o y c e 2 0 l 应用a b a q u s 有限元软件研究了拉延筋压入 深度对拉延筋阻力的影响。他们假定流经拉延筋时的板料处于平面应变状态，不 考虑包辛格效应和应变速率的影响，其仿真结果与n i n e 的实验结果的误差结果在 接受范围内。1 9 9 4 年，b d c a r l e e r 2 i 】等采用基于混合欧拉拉格朗日算法的有限 元程序d i e k a 对半圆形拉延筋进行了分析。他们将板料沿厚度方向划分成四层四 节点平面应变单元，仿真计算得到的拉延阻力与实验结果吻合很好。 ( 2 ) 数学解析模型 1 9 7 8 年，w e i d e m a n n l 2 2 】对拉延筋的压边行为进行分析，推导出拉延筋阻力计 算模型。该模型形式简单、使用方便，但忽略了材料的硬化特性、各向异性和板 料的弹性变形及厚度变化；最小压边力和板料弯曲角都是待定的；由于假设等效 弯曲半径与拉延筋半径相等，导致在拉延筋深度较浅时对弯曲应变估算过高，因 而低估了拉延阻力。s k l u g e l 2 3j 在w e i d e m a n n 模型的基础上，通过在板料弯曲和 反弯曲位置上利用材料的变形曲线计算平均屈服应力，引入材料的硬化效应，同 时给出了弯曲角的计算，计算结果与w e i d e m a n n 模型相比有一定改善。但由于没 有克服w e i d e m a n n 模型的其它缺点，其计算结果通常比实验值要大。 1 9 8 2 年，n m w a n g 2 4 】根据板壳弯曲变形理论和刚塑性材料假设，采用h i l l 4 硕七学位论文 各向异性屈服准则，建立了一种半圆形拉延筋阻力的平面应变数学模型。当拉延 筋压入深度大于或等于拉延筋半径时，采用w a n g 的拉延筋阻力模型得到的计算 值与实验值吻合度很高，但该模型不适用于拉延筋压入深度很浅的情况。 1 9 8 8 年，s t o u g h t o n t 2 5 】基于能量守恒原理提出了一个相对完善的拉延筋阻力 模型，该模型不仅考虑了材料的塑性硬化特性、各项异性、板料的弹性变形和板 料厚度变化，而且比较圆满地解决了拉延筋约束阻力和防止压边圈被抬起的最小 压边力。 1 9 9 8 年，b y g h o o 和y t k e u m l 2 6 j 给出了几种特殊的拉延筋的解析模型及其 应用，这些模型不仅可以计算圆筋的拉延阻力，而且还可计算不同尺寸的拉伸坎 和方筋的拉延阻力。此外，还能计算双筋( 例如双半圆筋、圆筋坎等) 的拉延阻力 和流出拉延筋后的预应变。 l r s a n c h e z f z 7 1 研究了金属板料在承受拉伸和平面应变循环弯曲加载的变形 过程，并提出了一种相关的有限差分模型。该模型在本构方程中考虑了材料循环 加载特性，可以用于分析板料流经拉延筋后的拉延阻力，其分析结果与实验结果 吻合良好。 一 吉林工业大学的李大永【2 8 j 等依据平面应变假设，考虑了材料的各向异性与应 变速率敏感性，将板料在循环加载过程中的包辛格效应进行了简化，并忽略了中 性层的偏移以及板厚的变化，提出了一种半圆形拉延筋阻力简便解析模型。 上海交通大学的阮雪榆与印雄飞f 2 9 】以h i l l 的各向异性理论为基础，综合考虑 环形拉延筋阻力的组成部分，建立了环形拉延筋阻力的理论模型。同时根据该模 型讨论了影响环形拉延阻力的一些因素，并指出了环形拉延筋阻力与直拉延筋阻 力的不同之处。 1 2 3 优化设计方法在拉延筋结构设计中的应用 高凯祁，胡世光在文献【4 】中，研究了采用遗传算法对覆盖件冲压模具中拉延 筋的几何参数进行优化。指出拉延筋几何参数( 拉延筋筋高，拉延筋圆角) 是影响 拉延筋阻力的主要因素；提出在拉深成形过程中，拉延筋筋高，凹模圆角参数设 计需要满足拉延筋各几何参数问的约束、以及“协同变化 原则。他们在文献中 将拉深件的周边分成若干段( 侧壁段) ，再采用基因遗传算法，把拉延筋设计约束 转换为染色体的适应函数，充分利用遗传算法的启发式搜索能力，对不同侧壁段 上的拉延筋参数进行优化。在保持拉延筋阻力基本不变的情况下，使拉延筋几何 参数更加合理，从而有效地提高覆盖拉延件的设计质量。最后用实验验证了优化 结果。 韩利芬，高晖等以某车型前地板角支撑板的拉深工序为例，讨论b p 神经网 络技术与遗传算法在拉延筋几何参数反求中的综合应用问题。以最大等效应力 不等截面拉延筋结构参数反求研究与应用 瓦。、最大等效应变乙和板厚最大减薄率y 三个参数来表达拉深件成形效果， 建立了这3 个参数与半圆形拉延筋几何参数之间非线性映射关系的神经网络模 型，并运用显式有限元法进行该问题的正运算，即变更拉延筋几何参数，利用有 限元法分析得到相应的成形效果，从而获取训练数据对神经网络系统进行训练， 使其具备拉延筋几何参数的反求功能。运用遗传算法对神经网络结构进行优化时， 运用逐次增加局部密化样本点的方法，同时以动态方式引入遗传算法得到较优的 神经网络结构方案，对神经网络进行训练，以期达到加快神经网络的设计进程， 提高神经网络的预测效果的目的1 5 j 。 郑刚、李光耀等引入响应面方法和粒子群算法建立了基于近似模型的拉延筋 几何参数反求方法。他们没有直接对真实拉延筋进行优化设计，而是将整个优化 过程分为两个阶段。首先以等效拉延筋阻力为设计变量，通过均匀拉丁方试验设 计方法提取适当的设计参数样本构造响应面近似模型，并不断优化响应面模型， 获取最优等效拉延筋阻力；然后以最优等效拉延筋阻力为约束条件，结合等效拉 延筋阻力计算和粒子群算法反求拉延筋几何参数。整个反求过程采用等效拉延筋 有限元模型进行仿真计算，避免有限元模型的网格重划分及由真实拉延筋模型引 入的计算效率问题。数值算例表明，郑刚和李光耀建立的基于近似模型的拉延筋 几何参数反求方法可快速寻优1 6 j 。 上海交通大学包有霞【3 0 】提出了一种改进混合优化算法，并将其与有限元程序 相结合优化设计实际拉延筋的类型和几何参数。该改进的优化算法能够求解各种 约束优化问题，且能保证解均落在问题的可行域内，扩大了可求解问题的范围。 1 4 本论文的研究目的、意义及内容 1 4 1 研究目的及意义 起皱、破裂和回弹是汽车覆盖件等金属薄板件拉延成形过程中的常见质量缺 陷。拉延筋的合理设置可以改变板料在凹模口部受到的拉深阻力分布形式，是减 少成形缺陷和控制成形件质量的主要手段之一。传统的拉延筋以单一截面形式为 主，难以很好地协调成形过程中各部分的成形阻力，对克服冲压缺陷的能力不足。 利用不等截面拉延筋对冲压成形中的材料流动特性进行控制，可以更好地平衡板 料在凹模口部的流动速度差异，对克服冲压件的成形质量缺陷起到更好的效果。 在不等截面拉延筋工艺中，不同截面的筋的结构几何参数设置是板料顺利成形的 难点和关键。研究一种能够快速优化设置不等截面拉延筋各截面结构几何参数的 设计方法，可以减少模具开发周期，降低模具的设计开发成本，具有较大的工程 实际意义。 6 硕十学位论文 1 4 2 研究内容 本文完成了如下几个方面的工作： 、 ( 1 ) 概述了近些年来国内外对拉延筋的研究发展现状，包括拉延筋的实验研 究、拉延阻力的理论研究以及优化设计理论在拉延筋结构设计中的应用。阐述了 拉延筋的种类和结构形式、拉延筋的作用以及拉延筋约束阻力的形成机理。 ( 2 ) 讨论了冲压成形工艺中板料破裂与起皱的评价方法，并选取基于成形极 限图( f l d ) 的评价方法作为构建破裂与起皱的优化目标函数的依据。 ( 3 ) 建立了一种快速优化获取不等截面拉延筋等效拉延阻力分布的方法，该 方法以等效拉延阻力作为设计变量，通过均匀拉丁方试验设计方法提取适当的设 计变量样本构造响应面近似模型，再利用多目标遗传算法优化获取最合理等效拉 延阻力分布。通过对某车型前碰撞梁内板进行冲压仿真分析，验证了该方法的正 确性与可行性。 ( 4 ) 阐述了s t o u g h t o n 模型与改进的w e i d e m a n n 模型两种拉延筋等效阻力模 型的数学原理，在已知拉延等效阻力分布的条件下，结合工程实际经验运用等效 阻力模型对不等截面拉延筋各横截面的结构参数进行了反求，并对反求参数后确 定的不等截面拉延筋进行了真实拉延筋冲压仿真分析，取得了令人满意的仿真结 果。 7 不等截面拉延筋结构参数反求研究与应用 第2 章拉延筋在板料成形中的应用 1 拉延筋的作用 拉延筋是由压边圈和凹模表面的一条或多条凹槽和凸筋组成，其作用就是辅 控制材料流动速率。拉延筋在板料成形中，特别是在大型汽车覆盖件冲压成形 艺中起着极为重要的作用。 1 ) 增加进料阻力。拉延筋阻力由坯料通过拉延时的弯曲反弯曲变形力、摩擦 以及因变形硬化引起的再变形抗力增量三部分组成。板料流经拉延筋时，在与 凸筋和凹槽的接触弧1 、3 、5 处会经历弯曲变形，2 、4 、6 处经历反弯曲变形， 如图2 1 所示。由于压边力的作用，板料还会承受接触弧处分布摩擦力引起的附 加拉伸。因此板料受到拉延筋阻力由弯曲反弯曲力和摩擦力两部分组成。在板料 拉延成形过程中，拉延筋就是通过向板料施加适当的拉延筋阻力而实现对材料流 动的控制，从而提高冲压件的成形质量。 图2 1 板料通过拉延筋时的弯曲和反弯曲过程 2 ) 调节压料面上不同部位的进料阻力。通过在压料面适当部位设置不同形 式、不同几何尺寸的拉延筋，可以方便有效地实现对材料的流动控制。通过调节 材料的流动情况，使得拉延过程中各部分流动阻力均匀，以能使材料流入模腔的 量适合零件各处的需要，防止“多则皱，少则裂 现象。 3 ) 降低对压料面接触性能的要求。设置拉延筋后，压料面之间的间隙可以略 大于料厚，这样压料面的接触情况对拉深的影响就不大了。 4 ) 对于曲面平坦的大型零件的成型，易出现松弛、回弹等缺陷，通过拉延筋 可产生很大的表面拉力，使材料充分变形，同时消除零件表面的微小皱纹，并增 加零件的刚性。 6 ) 设置拉延筋，可以减少毛坯的尺寸，提高材料的利用率。 8 硕士学位论文 2 2 拉延筋的种类和结构形式 在实际生产中，常用的拉延筋横截面的类型有：阶梯形，半圆形和矩形【引， 分别如图2 。2 中的( a ) 图，( b ) 图和( c ) 图所示。 ( a ) 阶梯形拉延筋 ( b ) 半圆形拉延筋 三2 d 、 r 誉一 、 梦 、 、) “g 心 。 心 、入 l ， ( c ) 矩形拉延筋 图2 2 常用拉延筋的截面形状 阶梯形拉延筋，又称拉延槛，一般均匀分布在距分模线有一定距离的压料面 上，由于它对板料流动的阻力较大，主要用于难以达到充分拉延的浅冲压件的成 形模具上。半圆形或者矩形拉延筋在布置方式上比拉延槛灵活，故能广泛适用于 各种工艺方案。不等截面拉延筋是一种综合运用矩形和半圆形两种截面结构的拉 延筋，其对材料流动的主动控制能力更强。 2 3 拉延筋约束力的构成 9 不等截面拉延筋结构参数反求研究0 应用 在车身覆盖件的拉延成形中，材料要流入凹模内，但作为零件整体而言，材 料的流动和变形是不均匀的。因此，在模面上设置拉延筋是控制局部材料成形的 有效方式。就拉延筋对成形材料的影响而言，反映在成形过程中的是拉延筋约束 力( d r a w b e a dr e s t r a i n i n gf o r c e ，以下简称d b r f ) 。d b r f 是拉延成形研究中的一个 重要参数。它的形成机理比较复杂，受多种因素的影响。图2 3 给出了半圆形拉 延筋的二维截面示意图。 当板料通过拉延筋时，在与凸筋与凹槽的接触弧l 、3 、5 处会经历弯曲变形， 2 、4 、6 处经历反弯曲变形：由于压边力的作用，板料还会承受接触弧处分布摩 擦力引起的附加拉伸，同时多次的弯曲反弯曲变形会造成材料的硬化效应。因此 板料受到拉延筋阻力由弯曲反弯曲力、摩擦力以及材料加工硬化的变形抗力增量 三部分组成。在板料拉深成形过程中，拉延筋就是通过向板料施加适当的拉延筋 阻力而实现对材料流动的控制，从而提高工件的成形质量的。 图2 3 板料通过拉延筋时的弯曲反弯曲过程 2 4 拉延筋在数值模拟中的应用 数值模拟中不同的软件有不同的等效拉延筋处理方法。但这些模型的力学特 点都是相同的，仅仅是具体的数值处理方法存在