（材料加工工程专业论文）瑞风商务车轮包拉延成形recadcae技术研究.pdf

瑞风商务车轮包拉延成形r e c a d c a e 技术研究摘要由于瑞风商务车后轮轮包拉延时具有很大的深度，且局部有凸起形状，造成在实际生产过程中凸缘区的严重起皱和轮包进油口凸起处的拉裂。因此，为了改善成形状况，提高零件的强度和节约材料，需要研究压边力、拉延筋几何尺寸等一系列拉深工艺参数对轮包最终成形质量的具体影响，探索最佳成形工艺参数的组合，确保成形出形状精良，符台使用要求的零件。本文借助于在当今汽车覆盖件设计与制造领域广为流行的逆向工程( r e )技术、c a d 建模技术和数值模拟( c a e ) 技术，快速地获得研究对象的c a d模型，并建立该对象的有限元仿真模型。在使用逆向工程技术建立轮包的c a d 曲面时，首先对轮包实物进行点云扫描，接着采用逆向工程软件i m a g e w a r e 对点云数据进行预处理，在此基础上提取了构成模型的关键曲线，最后采用c a d 曲面重构技术创建了轮包的曲面模型。通过u g 软件的强大造型功能，作者对轮包模型进行了缝合、局部修改，使之符合后续有限元建模要求。作者在论述轮包c a d 建模的同时，对逆向工程建模中的难点、关键点作了阐述。之后，本文采用数值模拟软件d y n a f o r m 建立了轮包的有限元模型，对有限元建模过程中模型的网格划分原则、本构关系选择、工艺条件处理等进行了详细的论述。对计算得到的轮包成形极限图、应力应变分布图进行了分析，并采用基于网格分析法的物理实验验证了有限元建模的可靠性和正确性。在此基础上研究变压边力加载、拉延筋几何尺寸和材料力学性能参数对轮包成形质量的影响，探索轮包在冲压成形后进油口处破裂和法兰区严重起皱的工艺参数设置方法，最终提出了一种可行的工艺参数组合方式，解决了轮包在冲压后进油口处的破裂和法兰区起皱严重的问题。本文的研究成果对于解决轮包在冲压过程中出现的严重起皱和局部破裂具有实际指导意义。关键词：轮包拉延成形逆向工程数值模拟t h er e s e a r c ho fr e c a d c a et e c h n i q u ei nt h es t a m p i n gf o r m i n gp r o c e s so fr e f i n e sh u b c a pa b s t r a c tt h ec r a c k i n ga n dc r i n k l ep r o b l e m sa r ea p p e a r i n gi nt h ep r o c e s so fs t a m p i n gf o r m i n gb e c a u s eo fl a r g es t a m p i n gd e p t ha n dl o c a lh e a v e t h e r e f o r e ，t h ee f f e c to fp r e s s u r ea n dg e o m e t r ys i z eo fd r a w b e a dt oh u b c a p sf i n a lq u a l i t ya r es t u d i e df o rt h es a k eo fi m p r o v i n gt h ep a r t si n t e n s i o na n ds a v i n gm a t e r i a l t h eb e s tc o m b i n a t i o no ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e ri se x p l o r e di no r d e rt os h a p eu pt h ed e s i r e dp a r t 。i nv i r t u eo ft h er e v e r s ee n g i n e e r i n g ( r e ) t e c h n o l o g y , c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d )t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ( c a e ) t e c h n o l o g yw h i c ha r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fa u t o m o b i l ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，w ec a ng e tt h ec a dm o d e lo ft h eo b j e c tq u i c k l y , a n de s t a b l i s ht h ec a em o d e l b ya n a l y z i n gt h ef i n a ls i m u l a t i o nr e s u l t ，t h em o d i f i e dt e c h n i q u e sa r ep r o p o s e d ，a n dt h ep r o b l e m so fc r a c k i n ga n dc r i n k l ei nt h es t a m p i n gf o r m i n gp r o c e s sa r es o l v e d t h er e s e a r c hr e s u l t sc a l lg u i d et h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o np r o c e s s i nt h ep r o c e s so f e s t a b l i s h i n gt h ec a ds u r f a c e ，t h eh u b c a pi ss c a n n e df i r s t l y , t h e nt h ed a t ao fp o i n t sa r ep r e t r e a t e dw i t ht h er es o f t w a r en a m e di m a g e w a r e ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e so ft h es u r f a c ea r ea l s oa c q u i r e d o nt h i sc o n d i t i o n ，t h em o d e li sf o u n d e du s i n gc a ds u r f a c er e c o n s t r u c t e dt e c h n o l o g y i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fc a e ，t h em o d e li ss e w e da n da m e n d e db yt h eu gs o f t w a r e t h ed i f f i c u l t i e sa n dk e yt e c h n i q u e so f r ea r ea l s og i v e ni nt h i sp a p e r t h eh u b c a p sf i n i t ee l e m e n tm o d e li se s t a b l i s h e db yd y n a f o r ms o f t w a r e ，t h ep a r t i t i o np r i n c i p l eo ff i n i t ee l e m e n tg i r d i n g ，t h es e l e c t i o no fc o n s t i t u t i v er e l a t i o na n dt h ed i s p o s a lo ft e c h n i c a lc o n d i t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ev a l i d i t yo fm o d e l i n g ，t h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fs i m u l a t i o nr e s u l t sf o rs t a m p i n gf o r m i n gp r o c e s s e so fh u b c a pa r ea f f i r m e do nt h eb a s i so fg r i ds t r a i na n a l y s i st e c h n i q u e t h ef i n a li n f l u e n c eo ft h el o a d i n go ff l u c t u a mp r e s s u r e ，t h eg e o m e t r yd i m e n s i o no fd r a w b e a da n dm a t e r i a lm e c h a n i c a lp a r a m e t e r st ot h eq u a l i t yo fh u b c a pa r es t u d i e d af e a s i b l et e c h n i c a lw a yi sp u tf o r w a r d ，a n dt h ec r a c k i n ga n dc r i n k l ep r o b l e m sw h i c ha r eo f t e na p p e a r i n ga f t e rs t a m p i n gf o r m i n gp r o c e s sa r es o l v e da tl a s t t h er e s e a r c hr e s u l t sa r es i g n i f i c a n tt os o l v et h ec r a c k i n ga n dc r i n k l ep r o b l e m si nt h es t e m p i n gf o r m i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：h u b c a p ，s t a m p i n gf o r m i n g ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n插图清单图1 1 逆向工程流程图，图1 - 2 数值模拟误差显示图图3 - 1 激光结构法图3 2 表面喷有荧光粉的轮包图3 3 a t o s 扫描流程图t 图3 - 4 轮包原始点云图图3 5 点云数据预处理流程图3 - 6 数据精简后的轮包点云图3 7 中值滤波法图3 8 经高斯滤波后的轮包点云图图3 - 9 轮包点云曲率评估图图3 。1 0 分割后的轮包点云图图3 1 1 轮包关键曲线创建流程图图3 1 2 提取的侧身区域关键截面线图3 1 3 光顺性修改前的曲率梳图3 1 4 光顺性修改后的曲率梳图3 1 5 轮包曲面创建流程图图3 1 6 构建的l o f t 曲面图3 1 7 曲面质量评估”图3 - 1 8 最终轮包曲面模型图4 1 数值模拟技术的基本过程一图4 2 导入后的轮包曲面模型图4 3 网格划分参数设置图4 - 4 凹模有限元网格模型图4 5 轮包的有限元模型图4 - 6 模型中材料参数设置图4 7 轮包各处冲压深度显示图4 8 压边力随时间关系图图4 9 冲压速度随时间关系图4 1 0 模面上的真实拉延筋图4 1 1 等效拉延筋的几何参数设置图4 1 2 等效拉延筋的等效作用力图4 1 3 轮包成形极限曲线和应变分布图图4 1 4 轮包等效应力分布图一屯q埯侉均如nu鸵”弘m拍勰船勰凹如弛弛”弘”弛图4 1 5 轮包厚度分布图一图4 1 6 轮包起皱、破裂的部位 图5 1 实冲坯料网格应变图5 2 模拟坯料网格应变图5 3 四种不同的压边力加载曲线一图5 4 工况7 时的成形状况一图5 5 工况2 时的成形状况图5 6 不同r 值下的轮包厚向工程主应变分布图5 7 不同r 值下的轮包成形极限图一图5 8 轮包最终成形极限图1 图5 9 轮包最终厚度分布图一-图5 1 0 调整后的拉延筋尺寸测量图，图5 一1 1 最终轮包成形质量图诣鲳钉虬们矩”拍铂诣们驰铝表格清单表4 1s t l 4 0 5 板料在三个方向的力学性能参数一表5 1a 区网格单元实冲与模拟结果工程主( 次) 应变对比表5 2b 区网格单元实冲与模拟结果工程主( 次) 应变对比表5 3c 区网格单元实冲与模拟结果工程主( 次) 应变对比表5 - 4 四种不同压边力模拟结果表5 5 不同工况下的模拟结果- 3 34 l4 14 24 34 4独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导一f 进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒胆王些盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。靴黻储戤：珊亨签字日期：。每归雄学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金鲤工些太堂有关保留、使_ e | j 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒罂王些盔堂可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者躲融 锌签字日期：p 6 年4 月码幻学位论文作者毕业后去向工作单位：通讯地址：锄茸幽签字日期：历年月 l 目电话邮编致谢在本文即将完成之际，首先对我的导师薛克敏教授的辛勤培养与无私关怀表示衷心的感谢! 导师渊博的知识、严谨的治学态度和非凡的敬业精神一直激励着我，从他身上我看到了坚韧不拔、兢兢业业的精神品质，这些品质将使我在未来的学习和工作中受益匪浅。在学习期间，导师无时无刻不在关心着我们，无论从选题、论文的撰写还是最终的审查，他都关注着每一个细节，给予我们悉心的指导并提出宝贵的意见，还为我们提供了优越的学习和工作环境。在此，谨向我的恩师致以由衷的谢意和诚挚的祝福。特别感谢李萍老师在数值模拟方面对我的悉心指导和在生活上给予的帮助。真诚感谢安徽江淮汽车集团公司的师兄李明、崔礼春，他们为我提供了难得的实验条件，论文能够完成和他们的大力支持是分不开的。在课题进行过程中，得到了刘全坤教授、洪深泽教授、陈文琳副教授、陈忠家副教授热情的指导和帮助，在此向他们表示诚挚的谢意!在这里，还要感谢博士生周林、周明智、张青、赵茂俞、李辉，还有实验室成员朱晓勇、刘小旦、汪昌盛、段园培、弥光宝、肖飞、赵传涛、金有昌、李鹏耀及本届冯秋红、苗量、张燕、周庆涛、陈杰、徐炜、许涛等同学和好朋友两年多来给予我的热情帮助和支持!最后，我要把最真挚的感谢献给我的父母，他们和我一起走过生活的喜怒哀乐，一直在我身后默默地支持和鼓励着我，感谢他们!作者：陆佳平2 0 0 6 年4 月第一章绪论1 1 概述扳材冲压成形具有生产效率高、零件尺寸精度好、成本低和易于实现机械化与自动化等特点，在现代汽车、航空、航天、仪表、船舶及家用电器等国民经济的各部门占据十分重要的地位。据统计，板料经过成形后创造了相当于原来材料价格1 2 倍的附加价值，在整个国民生产总值中，与板料冲压成形有关的产品约占总值的四分之一【lj 。因此，开展对金属板材成形的理论和实践研究具有重大的意义。板材成形过程包括成形材料选择、坯料制各、成形工序制定、模具设计、模具制造、成形操作、后续处理等部分。其中，成形工序的制定是关键，其基本工序包括弯曲、胀形、拉深和翻边，而拉深成形所占的比例最大，由拉深引起的工艺缺陷也最多。由于板材成形过程的多样性和复杂性，多数情况下成形工序与工艺参数要通过多次试验才能确定出来。加工过程的控制、模具的设计和制造都直接影响到产品质量和价格。加工过程不当或模具形状不合适，很容易出现成形件破裂、起皱或其它形状不良问题。为避免这类成形缺陷，通常需要修改成形参数或修改模具形状。传统的方法主要依靠定性分析和实际经验，是一个反复的过程，时间长。费用高。随着工业化的日益发展，产品更新换代周期的日益缩短，新材料的不断采用，传统的设计方法已明显不适应现代工业的发展要求社】。1 2 汽车覆盖件及其成形特点1 2 1 覆盖件的含义覆盖件一般是指组成汽车内表面和外表面的零件，如顶盖、车门、发动机罩、前后轮翼子板、挡泥板、底板、后备箱盖等。在这些零件中，安装在车身内侧的称内覆盖件，安装在车身外侧的称外覆盖件。1 2 2 汽车覆盖件及其成形特点汽车覆盖件的尺寸精度和形状精度都有很高要求。尺寸精度主要是保证汽车大批量自动化生产的要求，同时也是保证整车质量要求的一个重要组成部分；而形状精度则是满足人们对汽车产品日益增长的美观化和艺术化要求所必须达到的要求。因此，汽车覆盖件的生产水平在很大程度上代表着一个企业甚至一个国家的冲压技术水平。在板材冲压成形中，汽车覆盖件是最复杂的冲压件。零件上经常有许多局部的凸起、筋条等形状，且零件尺寸大，毛坯相对厚度小。往往要经过拉深、切边、翻边等多道工序甚至十几道工序才能得到一个汽车覆盖件的成品件。汽车覆盖件的复杂形状决定了毛坯的变形性质、变形分布以及变形过程也是非常复杂的。其变形性质既不是简单的拉深变形，也不是简单的胀形变形，而是拉深变形和胀形变形同时存在的复合变形。汽车覆盖件的变形特点，使产品在成形过程中经常出现破裂、起皱、面畸变、表面划伤、偏移线、尺寸精度不良及刚度不足等多种问题。因此，为了得到高质量的汽车覆盖件，需要在冲压成形理论和技术方面进行大量的研究与开发工作，在工艺、模具与冲压条件等各方面采取综合措施。1 3 基于r e c a d c a e 的覆盖件拉深成形数值模拟1 3 1 逆向工程( r e ) 的含义r e ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 就是逆向工程的英文简写。逆向工程是指通过对实物模型的数据采集，利用相应软件进行计算机三维模型重建，是一种从已有的物理模型中获取产品c a d 模型的过程 引。逆向工程在产品开发方面所表现出来的快捷性使其在制造业中迅速得到了推广和普及。它与传统的加工工程存在质的不同，传统加工是在没有任何现成产品的情况下，以工程图纸来生产和开发产品的，而逆向工程是在没有设计图纸或图纸不完整，但有样品的情况下，利用3 d 数字化测量仪，准确、快速地量取样品表面点数据或轮廓线条，加以点云数据处理、曲面创建，以获得零件的数模图，在此之上可以对模型作进一步的修改，然后传至c a d c a m 系统，再由c a d 系统传至c n c 加工机床或快速成型机来制作。逆向工程总体流程图如图卜1 所示。图1 1 逆向工程流程图1 3 2 逆向工程的发展状况逆向工程是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进制造技术的一系列分析方法和应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增曙一一一一一一一一 ，| 1耋雾强经济竞争力。逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短4 0以上，极大提高了生产率。因此。在世界各国得到了广泛的应用。下面，将逆向工程技术在国内外发展的状况作一个概要介绍。1 国外概况逆向工程与快速成形技术具有广泛的应用领域和应用价值。国外早在6 0 年代就起步，世界上主要先进工业国家的政府部门、企业、研究机构纷纷投入巨资对逆向工程与快速成形技术进行研究开发和推广应用。印度理工大学、新加坡国立大学和麻省理工大学等在数据预处理上作了大量研究，并提出了多视区测量数据的处理问题：世界上著名的生产三坐标测量机的公司，如德国的z e i s s 公司、美国的s h e f f i e l d 公司、意大利的d e a 公司等在开发三坐标测量机的机械系统、数控系统的同时，着力开发具有数控仿形测量数字化功能的软件，并能与c a d c a m 软件联接，编制数控加工指令，现在技术已发展得相当成熟 4 1 。目前，逆向工程与快速成形技术已经广泛应用于机械、汽车、船舶、航空航天、家用电器、工业设计、轻工、建筑、医疗、儿童玩具以及工艺品制作等领域。2 国内概况逆向工程技术在我国的起步较晚，理论还不够完善，反求的产品也达不到原产品的水平，只是一种“形状制造”，谈不上“精度制造”。随着我国经济的稳步发展以及加入w t o ，企业面临空前激烈的国内、国外市场竞争，这就要求产品的开发周期要越来越短，更新换代速度要越来越快。因此，逆向工程技术的研究与应用引起我国政府、企业、高校的高度重视。较有代表性的研究有西安交通大学c i m s 中心的面向c m m 的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究，上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自动建模技术，南京航空航天大学c a d c 删工程研究中心的基于海量散乱点的三角网格曲面重建和西北工业大学的数据点处理、建模研究等【5 1 。1 3 3 逆向工程在覆盖件制造中的应用1 应用于汽车覆盖件新产品的研发为了研究的需要，许多大企业也会借助于逆向工程。如韩国的现代汽车在发展汽车工业制造时，曾参考日本h o n d a汽车设计，将它的各部工件经由逆向工程还原成原产品，进行包括安全测试在内的各类测试研究，协助现代的汽车设计师了解日系车辆设计原意、想法【6 。这是一个基于逆向工程的典型设计过程：利用逆向工程技术，可以直接在己有的国内外先进产品的基础上，进行结构性能分析、设计模型重构、再设计优化与制造，并吸收国内外先进的产品和技术，极大的缩短产品开发周期，有效的占领市场。2 覆盖件的模具制造在覆盖件模具制造行业中，常需要通过反复修改原始设计的模具型面，以得到符合要求的模具。然而这些几何外形的改变，却往往未曾反映在原始的c a d 模型上。借助于逆向工程的功能和在设计、制造中所扮演的角色，设计者现在可以建立或修改制造过程中变更过的设计模型。1 3 4c a e 技术在覆盖件制造中的运用1 3 4 1c a e 技术的含义c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r ) 指的是计算机辅助工程，就是借助于计算机的手段来实现对实际现象、过程等进行仿真。c a e 技术在覆盖件的生产中主要应用于冲压过程的数值模拟( 仿真) 。1 3 4 2c a e 技术运用于覆盖件制造的意义近年来，随着数值分析技术、塑性成形理论、冲压技术、计算机软硬件技术及计算机图形学技术的飞速发展，数值模拟技术逐渐成为汽车复杂零件板材成形工艺和模具优化设计的主要辅助工具。采用数值模拟技术在计算机上模拟复杂零件成形的全过程，可以观察并深入分析各工艺参数和材料参数对成形性的影响，对成形中的起皱、破裂等成形质量进行预测。从而帮助设计人员准确评价复杂零件成形工艺设计的可行性，缩短开发周期：进行缺陷的预测和分析，完善实际生产方案；确定最佳参数，改善复杂零件生产质量，降低成本。因此，计算机数值模拟技术已经成为研究复杂零件成形性能的一个强有力的手段，具有不可替代的优势。汽车复杂零件成形的数值模拟涉及到力学、塑性加工、冲压成形、计算数学等多学科的知识，其分祈和计算涉及到几何、材料和接触非线性问题，较为复杂，是实际模型的近似假设，因而存在着如图1 2 所示的误差，有待于进一步的发展和完善。图1 2 数值模拟误差显示图1 3 4 3 板科数值模拟技术的国内外发展状况成形过程的数值模拟涉及几何、材料和边界条件三重非线性等一系列难题，1 0 多年来一直是国际塑性加工领域的一个研究热点。1 国外发展状况板材成形有限元数值模拟尤为国外工业界、学术界和政府部门所关注，特别是在日本、美国和欧洲，这一研究特别活跃。在美国的三巨头( g e n e r a lm o t o r s ，f o r d ，c h r y s l e r ) ，德国的大众、奔驰，日本的丰田、三菱、日产等大型汽车制造公司都有专门部门对板材成形数值模拟进行了长达1 0 年以上的研究和开发工作【7 1 。近年来这些公司与大学、研究所、计算机公司进行了广泛的合作，旨在建立直接能为板材成形工业所用的有限元数值模拟程序。但由于问题的复杂性，数值模拟研究的各方面至今仍然受到国内外学者的关注。目前的研究己从对简单形状的板材成形分析逐步发展到对汽车覆盖件这样复杂的成形过程进行模拟，特别是对数值模拟软件处理多工序、模拟起皱和回弹的能力提出了较高要求。2 国内发展情况随着改革开放后现代化工业的发展，以及在薄板生产和加工领域的投入和支持，我国在这一领域的发展取得了辉煌的成就。在板材拉深的数值仿真领域，紧跟世界潮流，不仅自主开发了很多全自动数控生产线，而且初步实现了板材成形的计算机前期失效分析与成型过程的数值仿真工作，并且已经部分应用于生产。像国内的上海交通大学，华中科技大学，清华大学和哈尔滨工业大学等一批高等院校已经进入了理论成熟的阶段。如上海交通大学利用“板料拉深成形摩擦系数测试系统”，研究不同种类的润滑剂在不同压边力值条件下和拉深过程中的摩擦系数与压边力、拉深力与压边力之间的关系，这一系统对国内板材拉深成形的发展起到积极的作用。1 3 4 4 常用数值模拟软件介绍及功能目前，板材成形的计算机模拟技术已开始进入应用阶段，已形成了一些专用软件，并相继进入商品化、实用化阶段。如：e t a d y n a f o r m 、a u t o f o r m 、m t i f r 、p a m s t a m p 、d y n a 3 d 、p r o m e c h a n i c a d e n g 等嘲。这些软件绝大部分具有完整直观的前、后处理功能，可以直观地在计算机屏幕上观察到材料变形和流动的详细过程，了解材料的应变分布、厚度变化、破裂及起皱的形成过程，获得成形所需要载荷及零件成形后的回弹和残余应力分布。这种可视化技术虚拟地实现了制造环境，不仅模拟了零件的成形过程，更重要的是形象的揭示了材料变形机理，因而可以使设计人员根掘已有的经验实时调整模具参数及成形工艺、修改毛坯形状和尺寸，大大缩短试模和修模时间，有效地提高产品质量和生产效率。1 4 课题研究内容及章节安排1 4 1 课题的来源及研究方法本课题来自于安徽江淮汽车集团汽车研究院项目基金瑞风商务车轮包拉延成形砌；c a d c a e 技术研究。研究是采用数值模拟和物理模拟相结合的方法，以物理模拟检验数值模拟的可行性和可靠性，同时以数值模拟结果为物理模拟和实际生产提供理论指导。1 4 2 主要研究内容本课题研究内容主要包括数值模拟和物理模拟以及在两者基础上的分析。数值模拟部分主要是以有限元模拟软件d y n a f o r m 为平台，结合l m a g e w a r e和u g 等造型软件，对瑞风商务车后轮轮包进行了逆向造型、曲面重构、有限元建模和求解运算。在此基础上通过模拟不同压边力曲线加载、不同拉深筋几何尺寸和不同材料力学性能参数，探询以上参数对轮包最终成形质量的影响，为实际工艺参数的设置带来理论指导，解决实际生产中存在的起皱严重、局部地方产生破裂的缺陷。物理模拟实验部分主要包括实际工艺参数的记录、拉延筋几何尺寸测量、点云数据扫描、丝网印刷实验、网格应变测量。1 4 3 论文的各章安排作者采用了逆向工程、c a d 建模和c a e 分析技术相结合的方法建立了轮包c a d 曲面模型和有限元模型，并对有限元模型进行了验证。在确定建立的模型能基本反映轮包的成形状况后，以此为基础，研究不同的工艺参数对成形质量的影响，并对工艺参数的改进和如何选取冲压材料提出了意见，最终解决了轮包拉深后出现破裂的难题，又把起皱控制在合理范围内，因而具有很大的实际意义。整篇论文分成六章，分别如下：第一章，绪论：主要介绍了覆盖件成形的一般特点，以及逆向工程、数值模拟技术的含义及国内、外发展状况，并总体分析介绍了论文的主要内容和所研究的一些关键问题；第二章，板材成形有限元理论基础：该章主要介绍了板材成形过程中基于交分原理和虚位移原理的非线性有限单元列式的建立方法，非线性弹塑性材料的本构关系，塑性硬化模型，板壳成形单元模型的特性和有限元控制方程的求解；对一些难点进行了简要分析及说明：第三章，基于逆向工程的轮包曲面重构：简单介绍三种非接触测量技术在逆向工程中的应用，对本文所用到的a t o s 激光扫描系统组成部分工作原理和所采用的软件作了介绍；详细阐述了运用逆向工程技术建立轮包曲面的整个过程，对关键点作了详细说明：第四章，数值模拟关键技术研究：论述了轮包有限元模型的建立方法，工艺条件的处理，工艺参数如何设置等，对模拟所获得结果进行了分析；第五章，工艺参数对轮包成形质量影响：首先采用网格分析法验证了有限元建模的合理性，在此基础上从工艺参数及材料力学性能参数两个方面选择三个比较典型的研究对象，即研究压边力加载方式，拉延筋几何尺寸和板材厚向异性参数r 值对最终轮包成形性能的影响，揭示其影响的规律。第六章，结论与展望：总结全文，并对今后的研究、发展方向提出观点。6第二章板材成形有限元基础理论汽车覆盖件冲压成形问题的研究不同于一般的板材成形问题，其在冲压成形过程包含了非常复杂的物理现象概括起来它涉及力学中三大非线性问题：第一为冲压中板料产生大位移、大转动和大变形即几何非线性问题；第二为物理非线性问题，又称材料非线性，指材料在冲压中产生的弹塑性变形；第三为边界非线性问题，指模具与工件产生的接触摩擦引起的非线性关系1 9 1 。随着计算机技术和以有限元为核心的塑性成形数值模拟技术的日趋成熟，为人们认识金属塑性成形过程的本质规律提供了新途径，为实现塑性成形领域的虚拟制造提供了强有力的支持，这使得数值模拟技术在汽车工业的覆盖件冲压成形研究中得到了广泛应用。2 1 数值模拟技术中的有限元理论由于覆盖件冲压成形是一个涉及多重非线性的复杂问题，需要同时对几何非线性、材料非线性、以及接触非线性问题进行分析，建立材料本构方程对应力应变进行描述，由此以正确模拟和分析在各种不同边界条件下的成形过程。而有限元法正好适应对这一复杂问题进行描述。其基本思路就是将连续的空间求解区域离散成一组单元，然后将这些单元按一定的方式组合起来，从而近似模拟整个求解域的变化情况【1 0 l 。2 1 1 基于变分原理和虚位移原理的非线性有限单元列式在一个固定的笛卡儿坐标系中，考察一边界为r ( r = f + f2 ) 的变形体q 中任意质点随时间的变化过程。考虑选取初始时刻任意一质点，其l a g r a n g i a n 物质坐标为x ，( f - 1 , 2 ，3 ) 。在任意时刻t ，该质点肖，运动到x ，( i = 1 , 2 ，3 ) ，于是这个质点的运动方程可以表示为x ，= x ，( ，f )( i = 1 , 2 ，3 )( 2 - 1 )上式满足扛0 时刻的初始条件 x , ( x j , o i ( x ) = x ，)( 2 - 2 )，o ) = q ( ，)”式中工，f 点的坐标随着时间的变化情况；x ，点的物质坐标，即初始坐标：u f 点的初始速度。该质点的位移函数“。( x ，f ) = x i ( x ，r ) 一x ，( 2 3 )对于次变形体，可建立如下的一些基本方程：口“，= p f , 一c u ，= p ，( 2 。4 )在边界f 1 满足力边界条件盯。，”，= z ( f )( 2 - 5 )在边界r 2 满足位移边界条件 ，( x ，f ) = u ，( f )( 2 - 6 )式中盯。柯西应力；厂单位质量体积；p 当前质量密度in ，现时构形边界s 1 的外法线方向余弦，= 1 , 2 ，3 ；z ( f ) 外力荷载，i = l ，2 ，3 ；u ( r ) 给定位移函数i = 1 , 2 ，3 。根据虚功原理，变形体中满足平衡条件的力系在任意满足协调条件的变形状态d u 。上作的虚功等于零，或者在外力作用下处于平衡状态的弹塑性体，当发生位移约束允许的任意虚速度抛时，外力在虚速度上所作的虚功与弹塑性体内在虚应变速率上所作的功率相等【l l 】。而虚位移原理的基本力学意义是：对于满足动量方程、力边界条件的平衡力系，它们在虚位移和虚应变上所作的功总和为零；反之，若力系在虚位移及虚应变上所作的和为零，则力系是平衡的。这里，根据虚位移原理，建立满足上述方程中运动方程和边界条件的等效积分可以得到( g a l e r k i n ) 平衡形式：j ( p + c u 一盯n ，一成) 血，d ：+ j ( 盯f ，一z ) 觑。d s = 0( 2 7 )nr 式中万材在r 2 边界上满足位移边界条件。应用高斯公式和散度定理，并考虑到在边界r 2 上位移的变分痂为零，因而可以得到虚功原理的变分形式：翻= l p t 3 u f d v + i c f i f d u ：d v + 札3 u 。d v 一溉孙? d v pe 6 | d s = of 2nnnf 2 - 8 )式中的第一项为惯性力项所作的功；第二项为物体内力所作的功；第三项为体积力所作的功；第四项为外力所作的功。2 1 2 非线性弹塑性材料的本构关系在板材冲压成形中，材料在复杂外力作用下发生屈服，从而发生塑性变形。为了确定材料在什么条件下屈服以及屈服时的应力状态，需要研究材料的屈服模型，为衡量材料屈服后发生塑性变形的程度，则涉及塑性流动理论和塑性硬化法则。1 塑性硬化材料在复杂应力状态下进入塑性后卸载，然后再加载，屈服函数会随着以前发生过的塑性变形的历史而有所改变。当应力分量满足某一关系时，材料将重新迸入塑性状态而产生新的塑性变形。塑性硬化法则规定了材料进入塑性变形后的后继屈服函数中，它不仅与应力状态有关，还与塑性应变和强化h 有关，即屈服面方程可以表示为中p 。p 矗) = 0( 2 9 )巾的具体形式由所采用的塑性硬化法则决定。对于理想弹塑性材料因无硬化效应，所以后继屈服函数与初始屈服函数一致。对于硬化材料，须考虑所用的塑性硬化法则。而强化模型通常有等向强化、随动硬化和混合硬化几种。2 等向硬化此法则规定材料进入塑性变形以后，屈服面在各个方向均匀地向外扩张，其形状、中心及在应力空间的方位均保持不变。在这种情况下后继屈服函数与初始屈服准则具有相同的表达式。等向强化的屈服面以材料中所作塑性功的大小为基础，在形状上作相似的扩张。对m i s e s 屈服准则来说，屈服面在所有方向上均匀扩张。加载面仅由其曾经达到过的最大应力点决定，与加载历史无关。3 随动硬化此法则规定材料进入塑性以后，屈服面在应力空间作一刚体移动，而其形状、大小、和方位均保持不变。在这种情况下，后继屈服面可表示为巾( 仃。) = 0( 2 - 1 0 )式中口。屈服面中心在应力空间的移动张量。随动强化理论也包含了鲍辛格效应，对大多数金属来说，假定屈服面的大小保持不变而仅在屈服的方向上移动，当某个方向上的屈服应力升高时，其相反方向的屈服应力应该降低。在随动强化中，相应的屈服函数表示为f ( o - 口，口) = ，( q ，一口。) 一k = 0 ( 2 一1 1 )式中口。移动张量，表示加载面中心的位移，它与塑性变形s ? 的历程相关。2 2 板壳成形单元模型汽车覆盖件的特点决定了用于冲压成形有限元数值模拟的壳单元必须有满意的计算精度和计算效率。基于这一点，作者对m i n d l i n 理论的c o 型壳单元的综合性能进行了比较【l “，认为b e l y t s c h k o - t s a y ( b t ) 壳单元是最适合覆盖件冲压成形的仿真分析。因为b t 壳单元是d y n a f o n b 缺省的单元公式，它采用面内单点积分，对板料冲压这种大变形问题具有稳定和有效的计算公式，下面介绍一下b t 单元的一些特性。1 应变速率与节点变形速度之间的关系【1 s 1根据m i n d l i n 板壳理论，壳中任一点的速度矢量表示为v = v ”一弘x 口( 2 - 1 2 )其中v “为参考面上的速度，q 为角速度，z 为沿厚度方向的距离。在共转坐标系下的应变速率的分量为丢糖+ 割5 f j5 = l ：+ i l把式( 2 - 1 2 ) 代入式( 2 - 1 3 ) ，得到应变速率和节点速度的关系踟。6 舀2 畜托苟。a 舀s ”。苗叫盲气= 圭 等十等+ j ( 等一芸 12 i 芾十畜【万一言j i气= 玎等一瓦屯= 玎豢+ 或2 沙漏控制由于m i n d l i n 板壳理论的壳单元采用全积分方案，当在壳体变得很薄时，可能会出现剪切锁死( s h e a rl o c k i n g ) ，使得程序无法继续运行下去 1 6 1 。为避免这种情况的发生，基于m i n d l i n 板壳理论的壳单元一般采用降低积分的方案，但这样会使问题的解答中包含了除刚体运动以外的变形模式，及零能模式( z e r oe n e r g ym o d e ) ，又称沙漏模式( h o u r g l a s sm o d e ) 。为了进行沙漏控制，在使用b t 单元并采用降低积分方案时，可使用下方法对可能产生的沙漏模式进行控制：一类是b e l i y t s c h k o 的沙漏控制方法1 1 7 ，通过引入“沙漏形矢量”获得沙漏模式下的应变速率、应力变化率和沙漏力；另一类是e n g l e m a n n 和w h i r l e y 的沙漏控制方法。这种方法把平面应变场分解为单点积分应变场和一个“稳定应变场”之和，后者通过假设应变场方案获得，同时与弯曲和薄膜变形所对应，这样可以最终确定沙漏力 i 8 o2 3 有限元控制方程的求解在冲压成形有限元数值模拟中有三种常用的求解格式，即静力隐式格式、静力显示格式和动力显示格式“9 1 。其中动力显示格式最适合汽车覆盖件冲压成形的有限元数值模拟。这是因为动力显示格式有限元不必构造和计算总体刚度o钟阽p矩阵，不必经过迭代，因而不存在收敛性问题，也不会因求解大量繁琐的线性化方程组面降低效率，所以它能够高效、稳健的获得一个解答。下面重点讨论基于中心差分法的动力学有限元方程的求解，其过程就是动力显式解法。在板料成形过程有限元动力显式解法中，假定时间求解域口丁被分为l t 个时间间隔a t 。0 ，a t , 2 a t t 时刻的解已经求出，计算的目的在于求f +4 f 时刻的解。采用中心差分法，加速度和速度可以用位移表示为：a 。= 素婶m 。一2 a ，+ ( t l f + )( 2 - 1 5 )或2 亩( 饥a ，) ( 2 - 1 6 )由于t 时刻的解已求得，即满足平衡方程：m a t + c 6 | + k a t = q lc 2 - 1 7 )将( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 代入上式，得到( 古m + 击c ) = q 一( 芷一- 嘉t2m l a , - ( 古m 一击c ) c z 舶，如果已经求出a ，一。和q ，则从上式可以进一步解出q 。上式是求解各个离散时间点解的递推公式。需要指出的是，此算法有一个起步问题，因为当t = 0时，为了计算，除了初始条件已知的外，还需要知道口一。，所以必须采用专门的起步方法，利用( 2 - 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 式可以得到a t 2口一血= 4 0 a t d t o + 二一矗o( 2 - 1 9 )上式中、a 。是给定的初始条件，吼可以利用t = 0 时的( 2 一1 9 ) 式求出。下面将中心差分法的求解步骤归纳如下：1 初始计算：( 1 ) 形成刚度矩阵足、质量矩阵肘和阻尼矩阵c ；( 2 ) 利用给定的初始条件氐、a 。计算；( 3 ) 选择时间步长血，保证a t a t 。a t 。为临界时间步长；( 4 ) 形成有效质量矩阵：由2 方m + 击c ；( 5 ) 三角分解詹：府= l d l 72 对于每一时间步长：( 1 ) 计算时间，的有效载荷：非”( 世一嘉m ) 旷( 寿肼一击c 卜，( 2 ) 求解时间件a f 的位移：l d l r a t m = 叠；( 3 ) 计算时间，的加速度和速度：驴古h 一2 q 鸲+ m )铲击( 1 一。旭+ 。)关于中心差分法还需着重指出两点：1 中心差分法是显式算法这是由于递推公式是从时间t 的运动方程导出的，因此k 矩阵不出现在递推公式的左端。当m 采用集中质量矩阵，c 可以忽略或也是对角矩阵叫，则利用递推公式求解运动方程时不需要进行矩阵的求逆，仅需要进行矩阵乘法运算以获得方程左端的有效载荷，然后用下式得到位移的各个分量：啦，= 。恤2 或d 媲，= 彭吖c 等+ 基)其中口2 。和必匕分别是向量q + 。和垂+ ，的第i 分量，m ，和g 分别是对角矩阵从c 的第i 个元素。显式算法的上述优点在复杂结构的非线性分析中将更有意义。它避免了矩阵求逆的运算，极大地缩短了每步增量所花费的时间。2 中心差分法是条件稳定的算法考虑无阻尼影响的变形体动力方程：m i i ( t ) + k u ( t ) = 0r 2 - 2 0 )方程的解可假设为以下形式：“= s i n c o tr 2 2 1 )式( 2 2 1 ) 中是n 阶向量0 是有限元离散系统的总自由度数) ；印是向量的振动频率。将式( 2 2 1 ) 代入式( 2 2 0 ) ，可得到如下广义特征值问题：删一甜2 聊= 0( 2 2 2 )求解行列式：k 一2 m i = 0( 2 - 2 3 )可得到朋个特征值( ，印，m 。) ，则a t s a t 。= 2 埘。时间步长4 ，必须小于由该问题求解方程性质所决定的临界值4 ，c ，否则计算将是不稳定的。需要指出的是，对于复杂三维板料成形过程模拟，一般要划分数千个有限元网格，要得到稳定的结果，整个加载过程通常需几十万个时间步以上。解非线性方程精确计算出系统的最高特征值，要比利用近似估算的效果可能会更好。划分有限元网格时需要予以注意，避免因个别单元尺寸过小而使计算费用不合理地增加。另外，动力显式方法的单元类型选择应以简单低阶为宜。因为对于高阶( 二次或三次) 的单元，由于有内结点，会引起系统刚度矩阵变大，造成功。变大，减小，计算效率下降等问题【2 0 】。2 4 有限元分析中接触问题的处理在汽车覆盖件冲压成形过程中，由于模具几何型面的复杂性，使得坯料与模具表面的接触非常复杂，由此产生的接触面之间的相互作用也是复杂和动态变化的。因而在用有限元方法对冲压成形数值模拟时，对接触问题必须要认真的考虑。2 , 4 1 基于罚函数法的接触问题处理方法目前，通用的接触问题处理方法大致分为三类：罚函数法、l a g r a n g e 乘子法和增广l a g r a n g e 法。就冲压问题而言，选择某一种接触问题处理方法的着眼点是计算精度和计算效