（航空宇航制造工程专业论文）基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究.pdf

南京航空航天大学研究生学位论文 摘要 板料成形过程及其数值模拟领域，是一个非常活跃的研究领域，也是一个蕴 藏着巨大效益的领域。随着有限元技术和计算机技术的发展，数值模拟已逐渐 成为工艺分析及优化设计的有效工具。但是，在当前的汽车覆盖件生产领域中， 板料成形数值模拟还存在着误差较大、计算时间长、不能准确模拟实际冲压过 程等诸多缺陷。本文针对数值模拟在汽车覆盖件冲压工艺设计中的这些缺陷， 在分析了大量实际冲压工艺案例的基础上，应用实际案例与数值模拟相结合的 方法，从汽车覆盖件的几何特征出发，系统地研究了汽车覆盖件的冲压成形性。 本文分析了汽车前门内外板、后门内外板、前机盖内外板、顶盖外板、整体 侧围、翼子板等几大类四十多个汽车覆盖件的数学模型。归纳总结了基本的几 何特征，并结合数值模拟方法，分析了冲压过程中各个几何特征的受力状态， 以及它们对冲压成形性的影响。同时，还通过试验研究了不同拉延筋类型，截 面参数的变化对拉延阻力的影响，并通过数值模拟的方法进行验证，归纳了拉 延筋对汽车覆盖件冲压成形的控制规律。最后以上海大众汽车有限公司多功能 轿车t o u r a n 的d 柱为例，设计了此零件的冲压工艺数型，并通过p a m s t a m p 软 件进行冲压成形模拟，验证了工艺方案的正确性，进一步讨论了几何特征以及 拉延筋对覆盖件冲压成形性的影响规律。 关键词：汽车覆盖件，拉延筋，板料成形，有限元，数值模拟 基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究 a b s t r a c t t h cf i e l do fs h e e tf o r m i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa na t t r a c t i v eo n eb e c a u s e o ft h ee n o r m o u s i m p o r t a n c e o ft h e s u b j e c t t ot h ee c o n o m i e so fi n d u s t f i a l i z e d c o u n t r i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u ea n dc o m p u t e r , n u m e r i c a l s i m u l a t i o nh a sb e c o m ea ne f f e c f i v et o o lo ft e c h n o l o g ya n a l y s i sa n do p t i m a ld e s i g n g r a d u a l l y b u t ，t h e r e a r es o m ei i m i t a t i o n ss u c ha sh i g ht o l e r a n c e ，t o om u c h c a l c u l a t i o nt i m ee t c i nt h ef i e l do fa u t o m o b i l ep a n e lf o r m i n g i nt h i st h e s i s i n f e c t i o n i nf o r m i n gc a p a b i l i t yo fa u t o m o b i l ep a n e lb yg e o m e t r yf e a t u r ei sc o n c e m e dw i 也 f o c u so nl i m i t a t i o n si nt h ef i e l do fa u t o m o b i l ep a n e lf o r m i n g m o r et h a nf o r t yn u m e r i c a lm o d e lo f a u t o m o b i l ep a n e la r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s ， a n ds o m eb a s i cf e a t u r e sa r ea b s t r a c t e d ，s t r e s s s t r a i ns t a t e so ft h e s ef e a t u r e si np a n e l f o r m i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e db yt h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha n dn u i n e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ec a r r i e do u ti nt h ep r o c e s so fa u t o m o b i l ep a n e l d r a w i n g d r a w b e a dr e s t r a i n i n gf o r o ea n d f r i c t i o ne o e f f i c i e n tw e r et e s t e di nt h e p r o c e s so fd r a w i n ga n dt h e b a s i cd a t af o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sp r o v i d e d c o m b i n i n gt h ed e s i g no fc o v e r i n gp l a n ko fp i l l a rdi nt o u r a n t h em p vo f s h a n g h a iv o l k s w a g e nc o ，l t d 。a r t sa n dc r a f tg e o m e t r ym o d e lw a sm a d eu pa n d s t a m p i n gs i m u l a t i o nu s i n gp a m s t a m p2 gs o f t w a r ew a sd o n e n l es t a m p i n ga r t s a n dc r a f t so ft h i s c o m p o n e n tw e r ev a l i d a t e d ，a n ds o m el a w so fa u t o m o b i l ep a n e l f o r m i n g w e r e p r o v i d e d k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ep a n e l ，d r a w b e a d ，s h e e tm e t a lf o r m i n g ，f i n i t ee l e m e n t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 南京航空航天大学研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 板料塑性成形是一个充满魅力的学科领域，它不仅具有悠久的发展历史供 人们去追溯和回味，而且留下了许多有趣的研究课题做为后来探索者们的用武 之地。 计算机和各种计算机辅助技术的迅速发展，为现代工业生产和科学研究提 供了高效率的新研究工具。计算机辅助技术在近2 0 年时间内几乎应甩到各行各 业，并以其大量的技术成果和显著的经济效益及社会效益越来越显示出强大的 生命力。 扳料塑性成形，与其他学科专业一样，计算机和计算机辅助技术的应用也 越来越广泛和深入。一方面，用计算机取代某些原来由人工完成的工作，成倍 甚至十几倍、几十倍地提高效率，并提高技术水平和产品质量；另一方面，一 些人工无法完成的工作，由于有了计算杌这种高效能的新工具和相应的新技术 而成为可能。人们有充分的理由相信，计算机辅助技术将为板料塑性成形领域 各个课题的进一步深入研究开辟更广阔的前景。 1 2 冲压技术的研究及发展现状 冲压是一种常用的金属加工方法。它是建立在金属塑性变形的基础上。利 用模具和冲压设备对板料施加压力，使板料产生塑性变形或者分离，从而获得 具有定形状、尺寸和性能的零件。 冲压生产依靠模具和冲压设备完成加工过程，因此它具有生产效率高、操 作简便、便于实现机械化和自动化的特点。采用精密复杂的模具，能加工出用 其他方法难以生产的形状复杂的零件，且尺寸精度稳定，材料利用率高，零件 重量轻。在大批量生产中，是一种先进的，优质、高产、低消耗和低成本的加 工方法。由于冲压生产具有上述特点，因此在兵工、航空、电子、汽车、电机 电器、精密仪器以及轻工各个生产领域中得到广泛的应用。随着汽车和家用电 器等工业的高速发展，在许多先进工业国家里，冲压生产和模具工业得到高度 的重视，例如美国和日本，模具工业的产值已经超过机床工业，模具工业成为 基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究 重要的产业部门，而冲压生产则成为大批量生产优质、先进的机电产品的重要 手段。 板料、模具和冲压设备是冲压生产的三要素。为了获得质优价廉的冲压零 件，必须提供优质的板材、先进的模具和性能优良的冲压设备；还应该掌握板 料成形性能和变形规律，必须设计并制造出各种精密且复杂的冲压模具。目前 世界各国都在研究板料的成形性能，不断研制出冲压性能良好的板料，不断改 进模具加工设备，设计制造出高质量的模具，生产出了对冲压生产具有关键作 用的高效率、高精度、高寿命的大型复杂冲压模具，从而使冲压生产与模具工 业进入了一个崭新的阶段。 汽车覆盖件冲压在冲压行业中居于重要地位【l 】。汽车中轿车的冲压零件数 占零件总数的7 5 以上；在日本，汽车冲压件的销售额甚至己占到冲压行业总 销售额的6 8 。因此，发展汽车工业和冲压加工技术，对国民经济的发展将起 到重要作用。汽车覆盖件冲压是衡量一个国家冲压技术水平的重要标志，考察 汽车覆盖件的生产水平可以看出一个国家冲压行业的技术现状。在汽车设计制 造的整个周期中，车身覆盖件及其模具的设计制造水平，一直是制约汽车开发 速度与品质的核心因素，其中仅模具设计和制造就占汽车研发周期约三分之二 的时间和资金。覆盖件模具的设计制造事实上已成为缩短汽车换型周期、提高 汽车品质的主要瓶颈。 2 0 0 3 年我国汽车冲压模具总产值约1 8 0 亿元，另又进口冲压模具4 7 8 亿美 元，进口模具中大部分是大型覆盖件模具。今后几年，我国的汽车产量将以2 5 的速度增长，这将使覆盖件模具的供需矛盾更加突出，也给汽车覆盖件模具生 产制造企业提供了巨大的商机。 目前，尽管国内不少汽车制造公司都不同程度上积累了覆盖件及其模具的 设计制造经验，并配备了相应的c a d c a e c a m 软件，但总体来说，距全面掌 握大型覆盖件的分析技术及其模具的设计制造技术还有很大的距离。同时，在 冲压设备方面，世界上近几年冲压生产的自动化程度不断提高，车身覆盖件冲 压正向单机联线自动化，特别是大型多工位压力机方向发展。而我国目前汽车 企业的实际情况是，约有9 0 的冲压线采用一台双动拉深压力机( 或多连杆单动 拉深压力机) 和4 “台单动压力机组成冲压生产线，手工上下料完成大型覆盖件 的冲压生产，生产效率低，冲压件制造成本比国外高2 - 3 倍；另有1 0 的冲压 线实现了单机联线自动化，大型多工位压力机在我国汽车工业中的应用几乎是 2 南京航空航天大学研究生学位论文 空白。这也是我国冲压行业与西方发达国家的主要差距所在。 1 3 板料成形数值模拟发展历史及现状 板料塑性成形是利用金属的塑性，通过模具( 或者工具) 使简单形状的毛 坯成形为所需工件的技术。在塑性成形中，材料的塑性变形规律、模具与工具 之间的摩擦现象、材料中温度和微观组织的变化及其对制件质量的影响等等， 都是十分复杂的问题。这使得塑性成形工艺及模具的设计缺乏系统、精确的理 论分析手段，主要依靠工程师长期积累的经验进行设计。对于复杂的成形工艺 和模具，设计质量难以得到保证；一些关键性的设计参数要在模具制造出来之 后，通过反复的调试、修改才能确定。这样就浪费了大量的人力、物力和时间。 而借助于模拟方法，则能使人们获得对于塑性成形过程规律的认识，以较小的 代价、占用较短的工艺设计阶段的时间，找到最优的或者可行的设计方案。减 少模具的调试、修模，避免工艺设计严重失误导致的报废。 随着实验和理论分析的发展，塑性成形过程模拟方法有了很大的发展，已 经广泛应用于科学研究和生产实践中。所谓模拟，即是针对某个现象或者过程 的原型，建立一个与该现象或者过程具有相似性而又便于人们进行观测和控制 的模型，通过研究模型在各种条件下的响应来推测原型在相应条件下的响应， 从而获得对于原型规律性的认识。金属塑性成形过程的模拟方法分为物理模拟 和数值模拟两大类。 物理模拟即采用物理模型进行实验模拟。要使得物理模拟的结果能正确地 推广到原型，在模拟中必须使模型与原型之间：苗足相似条件。金属塑性成形过 程的物理模拟方法有：网格法、云纹法，等等。 数值模拟采用一组数学方程( 一般是微分方程) 和定解条件将实际过成抽 象成理论模型，使用计算机求得该理论模型在不同条件下的数值解，以此来推 测在相应条件下所发生的实际过程。随着计算机技术的发展，数值模拟技术越 来越显示出巨大的优越性，成为虚拟成形和制造的关键技术。 2 1 首先，它不需要建造物理模型，因而节省了大量人力、物力和时间，并使 得在设计阶段即可对不同的设计方案及时进行评价，筛选出合理的或者最优的 方案。其次，数值模拟能提供工件和模具中各物理量( 如应力、应变、温度等) 分布的详尽数据，使人们获得对于实际过程的深入、全面的了解。最后，数值 基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究 模拟有着极大的灵活性，能用于模拟在目前尚不能提供的虚拟条件下模型的形 态，从而为探索性的研究提供了手段。另一方面，由于建立理论模型时对原型 的简化处理，所依据的理论的不完善性和计算误差等等，数值模拟的结果通常 用物理模拟来检验。 板料成形数值模拟方法是建立在塑性成形过程力学分析的基础之上的。分 析板料成形的过程的目的在于：a ) 预测工件的几何形状是否满足产品的精度要 求，是否产生表面缺陷：b ) 预测工件的内部质量，是否发生破裂等；c ) 预测模 具的受力和磨损；d ) 据此选择适当的材料和工艺及模具参数。通常情况下，金 属成形过程的分析方法主要可分为两大类。一类是近似的解析计算方法，其中 包括主应力法、滑移线法、界限法( 包括上限法和下限法) 、功平衡法等。这类 方法一般用来计算成形过程所需要的力和能量。其优点是简便易行并能得到问 题的解析解，但只适合简单的成形问题。另一类是数值方法，其中包括有限差 分法、有限元法和边界元法。这类方法能用于获得金属塑性成形过程中应力、 应变和温度的分布，成形缺陷等详尽的数值解，能用于分析和模拟十分复杂的 成形过程。 有限元法起源于4 0 年代提出的结构力学中的矩阵法。“有限元法”这一术 语是克拉夫于1 9 6 0 年提出来的。 有限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在应用有 限元法分析问题的时候，首先采用“化整为零”的办法，将连续体分解成有限 个形态比较简单的“单元”，对这些单元分别进行分析，然后采用“积零为 整”的办法，将各个单元重新组合成原来的连续体的简化了的“模型”，通过 求解这个模型，得到问题的基本未知量( 例如位移) 在若干个离散点上的数值； 最后，根据得到的数值解再回到各个单元中计算其他的物理量( 例如应变、应 力) 。 在塑性成形过程的有限元模拟中，根据材料应变与位移，以及应变与应力 之间的关系的不同可将有限元分为小交形弹塑性有限元法、有限应变弹塑性有 限元法、刚塑性有限元法和粘塑性有限元法。 1 9 6 7 年，m a r e a l 和k i n g p 】首先提出了弹塑性有限元法。1 9 6 8 年，y a m a d a h 】等推导出了塑性应力应变矩阵。1 9 7 0 年，h i b b i t t 5 l 等提出了建立在有限变形理 论基础上的大变形有限元列式。7 0 年代中期，o s i a s ，m e m e e k i n 9 1 6 1 1 7 1 等采用欧 拉描述法建立了大变形有限元列式。此后大变形弹塑性有限元法不断完善。采 4 南京航空航天大学研究生学位论文 用弹塑性有限元法分析金属成形阔题，不仅能计算工件变形和应力、应变分布， 而且还能有效地处理卸载问题，计算金属成形过程结束后工件的回弹和残余应 力的分布。因此，它适用于板料成形问题的模拟。但是，弹塑性有限元法采用 的增量型本构关系不允许使用大的变形增量，总的计算时间较长。实践证明， 弹塑性有限元法能够有效的模拟板料成形过程，是板料成形模拟的主要方法。 1 9 7 8 年，n m w a n g 和b b u d i a n s k y s l 根据非线性薄膜理论采用弹塑性大 变形t l 法分析了平底冲头和半球形冲头下的拉延成形问题。1 9 8 2 年，l e e 等研 制出了一套预测板料成形失败的软件，包括材料参数库和成形极限数据库。f o r d 汽车公司的s c t a n g 9 等从1 9 8 0 年开始在汽车覆盖件成形分析的弹塑性有限元 法研究中做出了不懈的努力，开发出了m t l f 鼢v i 系统，并在生产中投入使用。 美国通用公司尝试着开发了弹塑性薄膜壳有限元汽车车身零件拉胀成形系统i l o 】 c h y s l e r 开发了c f o r m 系统。8 0 年代末，动态显式算法开始逐渐应用于准静态 板料成形的求解。1 9 8 9 年，a h h o n e c h e r 采用d y n a 3 d 程序分析了方盒件的成 形，并首次得到了与实验结果较吻合的起皱形状。 经过一定发展，子1 9 8 9 年板料成形数值模拟在世界各地蓬勃展开，研究进 入快速发展阶段。三年一届的工业成形中的数值模拟方法( n u m i f o r m ) 国际 会议反映了这方面工作的进展情况。1 9 8 9 年以前所开的两届会议( n u m i f o r m 8 2 、8 6 ) 只有少数几篇文献论述板料成形模拟问题，但到了1 9 8 9 年( n u m i f o 蹦 8 9 ) 有关文献却猛增到2 0 多篇，标志着该工作的广泛展开。9 0 年代，n u m i f o r m 、 计算塑性( c o m p u t a t i o n a lp l a s t i c i t y ) 等国际学术交流展示了板料成形分析发展的 各个方面，内容涉及新材料模型研究、成形模拟、缺陷及时效分析、本构方程 建立、程序前后置处理、f e m 程序开发及c a d 系统接口等f l “。这一时期，随 着计算机软、硬件技术的发展，众多融合了计算机图形学、有限元技术和塑性 成形理论的模拟软件开始出现，例如，p a m s 啪、l s - d 妊3 d 、a u t o f o r m 、 o p l 刚s 、a b a q u s 、e x p l i c i t 、d y n a f o r a m 等。得到了许多工业部门的重视 和应用。美国的通用、福特、克莱斯勒，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，已经开始应用这类软件指导板材冲压件的开发 和生产，产生了良好的经济效益”码。 我国在板料成形数值模拟方面起步较晚，较发达国家( 美、日等) 晚了十 几年。经过多年的发展，我国在板料成形数值模拟方面已经取得了很大的进展， 但主要集中在部分高校里，华中理工大学1 1 3 1 针对不完全盒形件得成形特点，开 5 基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究 发了有限变形弹塑性薄膜有限元程序对其进行分析研究。吉林工业大学1 1 4 1 5 l 采 用更新的l a g r a n g e 法以及有限元变形虚功增量型原理的弹塑性大变形有限元 法，研究了金属板料成形的塑性流动规律以及成形过程中发生的起皱、开裂等 现象，首次提出了多点成形时非连续接触边界约束的处理方法。建立了基于 m i n d l i n 壳理论三维金属板料成形过程分析的有限元模型，编制了用于板料多点 成形分析的有限元专用软件，成功分析了多点成形时的金属流动规律。哈尔滨 工业大学【1 6 】采用粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形的有限元分析程序， 并对方盒件的成形过程进行了分析。北京航空航天大学【1 7 1 1 8 】对板料成形过程中 的接触摩擦和悬空区起皱进行了数值模拟。上海铁道学院的李晓臣【19 】用有限元 法模拟了金属板材的冲压成形过程，分析了金属板材冲压过程中的屈曲现象， 建立了增量形式的变分原理，跟踪了板料起皱的发展、折叠、衰减的全过程。 上海交通大学【2 0 】对板料成形的回弹进行了较为系统的研究，提出在板料回弹模 拟中采用修正的拉格朗日法较为合适。 在应用板料成形分析的同时，弹塑性有限元法自身也得到不断的发展和完 善。尚勇和陈至达1 9 8 9 年建立了流动坐标下弹塑性大变形增量变分方程的较一 般的表达式，并分析了弹塑性大变形接触问题。考虑板料成形特点，w a n g 等提 出了一种适用于板料成形分析的具有较高精度的弹塑性板壳有限单元法。在理 论中，单元的位移又附加了某些几何约束条件和平衡约束条件，这些条件在变 分的意义下被满足。另外，这个理论中还使用了由t a n g 等提出的准相容单元技 术和定义在公共边界上的弦网函数。由于影响因素众多，为能精确的模拟板料 成形，发展更有效的塑性有限元法仍是所需【l ”。 1 4 选题背景和意义 通过2 0 多年的发展，我国汽车覆盖件模具设计和制造能力得到了长足进 步。然而由于我们长期以来缺乏覆盖件模具设计的经验积累，使得设计和制造 的周期较长，不能跟上汽车车型更新的需求，致使许多关键性的覆盖件模具不 得不花费大量外汇，依靠外国来设计和加工。随着我国加入w t o ，对汽车工业 保护政策的逐步取消，国内轿车工业面临着严峻的考验。如何降低设计和制造 成本，如何提高自身的设计能力就成了国内每一个汽车制造企业迫切需要解决 的问题。我国汽车工业“十五”计划明确指出汽车的自主研发在5 年内分3 步 6 南京航空航天大学研究生学位论文 走：第一步启动车身、整车总体布置及其主要零部件的研究，其中车身开发的 关键技术就是汽车覆盖件工艺和模具设计。因此，开展汽车覆盖件工艺和模具 设计关键技术研究，并将产学研紧密结合起来形成我国自己的高科技产业，打 破国外技术垄断已势在必行，其成果对推动我国汽车工业和模具工业的发展起 到至关重要的作用，具有重大的经济和社会效益。 另一方面，领域专家在长期的设计实践中所形成的感性经验对于覆盖件工 艺设计是不可多得的宝贵财富。然而随着专家的离职，这些经验知识正在不断 地流失。为了长久地保留专家所拥有的经验，只有通过知识工程师以特定的知 识表达方式记录、保存、组织和管理这些知识，使之成为全社会的共同财富， 服务于社会生产的各个环节中。由此可见，建立汽车覆盖件冲压工艺只能设计 系统对于人类知识的继承和创新具有重要的意义。 本文所研究的课题基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究来源于国家 科技部中小企业创新基金项目。它是天津众石科技有限公司所承担的创新基金 项目汽车覆盖件冲压工艺只能设计系统的前期研究内容。南京航空航天大 学塑性加工技术研究所与天津众石科技有限公司进行了初步的研究与合作。多 年来南京航空航天大学塑性加工技术研究所一直从事塑性3 n - v 技术的研究，长 期跟踪国内外先进的的n - r 方法，在塑性加工领域有着雄厚的技术实力。天津 众石科技有限公司是汽车覆盖件模具设计和生产的高技术企业，拥有丰富的实 践经验和大量的工艺案例，高校和企业的联合充分发挥各自的优势，强强联合， 使得本文的研究更具有可行性。 1 5 论文研究内容及方法 1 5 1 覆盖件工艺和模具设计内容和流程 汽车覆盖件主要是指覆盖汽车发动机、底部、驾驶室和车身的用金属薄板 冲压成的表面零件和内部零件。与一般冲压件相比，它具有形状复杂( 多为空 间曲面) 、外轮廓尺寸大、材料相对厚度小和表面质量要求高等特点。为此在工 艺和模具设计时，首先从产品的结构形状、尺寸大小、精度要求及材料选用等 方面入手，进行冲压工艺性检验，然后经过必要的工艺计算，确定出工序的性 质、数量、顺序安排组合方式及定位方式等内容，制定出合理的工艺方案，并 设计出各工步的工序件模型、编写相关的工艺文件，最后利用模具标准件和模 7 基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究 具结构形式进行各工序模具的设计。作为模具设计和指导生产过程的主要依据， 工艺文件需要包括：冲压工序数和顺序：钢板的材质、板厚和坯料尺寸：各工 序件形状、加工方向和加工基准；各工序件的制件放入和取出方向及所用的自 动化装置；各工序的模具结构类型、模具高度、各工序所用的压力机类型、规 格、台数和布置以及根据生产率确定的各压力机符合时间等【2 i 】。 由复杂空间曲面构成的汽车覆盖件在成形时的变形状态相当复杂，不同截 面上的应力和应变分布差别很大，因此在成形工艺设计时，应该协调好个部分 材料的变形均匀性，既要保证零件的最大变形量不超过材料的极限变形程度， 避免材料被拉裂；又要尽可能避免又不均匀拉应力和压应力所产生的材料起皱， 同时还要兼顾零件的刚度和回弹问题。所以设计良好的覆盖件成形工艺是一项 极具挑战性的工作。汽车覆盖件成形工艺设计是根据产品的形状和质量要求， 在确定工序数和各工序成形内容的基础上，完成主要工序件型面的设计【2 2 1 。它 的主要内容入图1 1 图1 1 汽车覆盖件成形工艺设计内容 实际生产中覆盖件产品形状、尺寸和精度要求各异，具体生产条件不同， 但是工艺和模具设计的流程大致相同，可以概述为：l 收集工艺和模具设计必 需的原始产品资料；2 产品可成形性分析；3 确定合理的工艺方案、工序数和 南京航空航天大学研究生学位论文 顺序 4 建立工序件模型；5 工艺缺陷的预测和工艺方案的优化；6 确定模具 工作型面、压边力、毛坯形状和冲模行程等几何工艺参数，并选择合适的压力 机和模具结构；7 编写工艺文件：8 模具可制造性评估；9 模具结构详细设计。 覆盖件工艺和模具设计的复杂性决定了上述流程是一个多次反复、不断完善的 过程。实践证明，在这个过程中需要采用先进的c a d c a e c a m 技术来提高设计 的效率和质量，缩短开发周期，减少开发成本。 1 5 2 汽车覆盖件冲压工艺设计系统简介 汽车覆盖件冲压工艺设计系统是应用于汽车模具设计与制造领域的工艺设 计辅助软件。该项目针对当前c a e 应用中的诸多缺陷，在汽车覆盖件冲压工艺 仿真的过程中，首次应用逆向工程技术与初始数据模型相对照的方法，修正影 响成形的主要因子系数，形成因子系数数据库，并以此为依据完善工艺方案， 将成熟的工艺汇集成工艺事例数据库，应用中设计人员可通过类比查询直接使 用，从而形成比现有c a e 软件更加实用、可靠的全新的汽车覆盖件冲压工艺设 计系统。 覆盖件工艺和模具设计是一项非常复杂的工作，在设计过程中，通常需要 考虑产品的形状、材料性能、成形性能、模具加工条件、模具标准化、模具强 度、模具安装和调试等众多因素。因此，覆盖件冲压工艺设计系统必须充分考 虑到模具设计经验性强、标准化要求高、型面形状复杂以及产品精度要求高的 特点，采用恰当的策略。同时，覆盖件冲压工艺设计系统应该具备：1 完备的 产品模型和工艺知识表达模型；产品模型是面向c a d c a p p c a m 集成系统的全局 统一数据模型。满足特定领域知识结构特点的知识表达模型对建立知识库和知 识的应用起着重要的作用。2 具有记忆、感知和思维功能；系统的控制策略和 推理过程要符合人的思维模式。3 自学习的功能；系统在工艺设计和优化过程 中对所获得的知识进行加工处理，不断学习来完善知识库 z 2 1 下图1 2 是覆盖件 冲压工艺设计系统框架。 基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究 图1 2 覆盖件冲压工艺设计系统框架 1 5 3 本文研究的主要内容及研究方法 覆盖件产品基本上是按照落料、拉深、修边、冲孔、翻边、整形的工步顺 序依次成形的。在汽车覆盖件拉深成形前，首先要根据冲压件的结构形状和各部 位尺寸进行工艺补充，并同时确定拉深件法兰面的形状及冲压方向，从而设计出 拉深件。其中，在进行拉深模设计时要依据拉深件法兰面的形状来确定压料面的 形状。所以，拉深件的结构、形状、尺寸就成为冲压成形过程中毛坯变形的主要 影响因素，由于汽车覆盖件形状复杂，目前还没有完善的理论来描述结构特征 对成形性的影响，拉延工艺型的设计完全凭借冲压工艺师的经验，这样就不能 南京航空航天大学研究生学位论文 确保工艺型的正确性，拉深件经常出现起皱、开裂等各种缺陷，要通过多次的 模具调试才能生产出合格的拉深件。所以，这也是冲压工艺设计过程中最不确 定的因素。针对覆盖件结构、形状、尺寸进行相应的工艺补充面设计是整个冲 压工艺设计过程中最复杂、最具创造性的工作。因此，对汽车覆盖件的结构进 行研究是非常必要的。 本课题来源于天津众石科技有限公司所承担的国家科技部中小企业创新基 金项目：覆盖件冲压工艺设计系统，上节已经给出了此系统的简单描述。本文 所研究的内容是此系统的最底层：冲压工艺知识库中的一部分，主要从几何特 征出发，研究不同几何特征对冲压成形性的影响。本文所采用的研究方法是实 际案例分析与c a e 分析相结合的方法。以天津众石科技有限公司现有的成熟的 工艺设计案例为基础，结合c a e 分析方法，首先归纳总结现有的案例，提取出 不同覆盖件中具有共同特点的几何特征，然后结合c a e 技术分析不同特征的冲 压成形性，并通过实验和数值模拟相结合分析了拉延筋对覆盖件材料流动的控 制性能，本文具体内容安排如下： 第一章， 全面阐述了冲压技术以及汽车覆盖件模具c a d c a e c a m 技术的发展现 状，重点分析了覆盖件工艺设计的特点及发展现状，并指出目前研究 存在的不足指出，由此提出从几何特征出发，对汽车覆盖件冲压成形 性进行研究的重要意义和主要研究内容。 第二章， 着重介绍了用有限元法对金属塑性成形过程进行动力分析的基本原 理和方法。对弹塑性变形体根据虚功方程，讨论了动力分析的有限元 方程，求解实际问题的显式积分方法一中心差分法。 第三章， 对现有工艺成熟的覆盖件案例进行分析，抽象出常见的几何特征，并 对它们进行受力分析，研究各个特征对成形性能的影响，并研究了凹 模入1 3 处材料的流动特性，以及各种不同覆盖件截面所对应的工艺补 充面形状的搭配规律。 第四章， 通过实验和c a e 分析相结合的方法研究了各种不同拉延筋对材料流动 性的控制，以及不同拉延筋的截面形状参数与产生的拉延阻力的关 系，研究了拉延筋的布置对覆盖件成形的控制规律。 第五章， 以上海大众多功能轿车t o u r a n 的d 柱为例，设计了此零件的冲压工 基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究 艺数型，并通过p a m s t a m p 软件进行冲压成形模拟，验证了工艺方案 的正确性，进一步讨论了几何特征以及拉延筋对覆盖件冲压成形性的 影响规律。 第六章，总结全文的主要研究成果，并展望了进一步研究的方向。 童塞堕窒堕丕查堂堑塞生堂垡堡苎 第二章弹塑性有限元基本原理 2 1 引言 在金属成形过程中，工件发生很大的塑性变形，在位移与应变的关系中存 在几何非线性，在材料的本构关系( 应力应变关系) 中存在材料非线性，即物 理非线性。不仅如此，成形所用模具型面的几何形状往往比较复杂，工件与模 具的接触状态在冲压过程中是不断改变的，摩擦规律也难以准确的描述。由于 以上种种原因，金属塑性成形问题难于求得精确解。有限元法是目前进行非线 性分析的最强有力工具，因此也成为金属塑性成形模拟的最流行的方法。 有限元法的基本原理是将求解未知变量的连续介质体划分为有限个单元， 单元用节点连接，每个单元内有差值函数表示场变量，差值函数由节点值确定 单元之间的作用由节点传递，建立物理方程。将全部单元的差值函数集合成整 体场变量的方程组，然后进行数值计算。 对金属弹塑性变形用有限元法进行分析的实旖步骤可归纳入下： l 】用假想的线或面将连续体分成若干“有限单元”，这些单元具有简单 的几何形状。 2 1 假设这些单元在且仅在其边界上的若干个离散节点处互相连接。将这 些节点的位移( 或速度) 作为问题的基本未知量。 3 ) 选择适当的差值函数，以便由每个“有限单元”的节点位移( 或速度) 唯一的确定该单元中的位移( 或速度) 分布。 4 ) 利用位移( 或速度) 函数对坐标的偏导数可根据节点位移( 或速度) 唯一地确定一个单元中的应变( 或速度) 分布。由单元的应变( 或应 变速率) 以及材料的本构关系，可确定单元的应力分布。 5 ) 根据虚功原理可建立每个单元中节点位移( 或速度) 和节点力之间的 关系，即单元刚度方程。 6 ) 将每个单元所受的外载荷根据作用力等效的原则( 不一定是静力等效) 移置到该单元的节点上，形成等效节点力。 7 ) 按照节点整体编号及节点自由度的顺序，将各单元的刚度方程迭加成 整体刚度方程。 8 ) 根据边界节点必须满足的位移( 或速度) 条件，修改整体刚度方程。 l3 基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究 9 ) 求解整体刚度方程，得到节点位移( 或速度) 。 1 0 、根据求得的节点位移( 或速度) 计算各单元的应变( 或应变速率) 和 应力。 在塑性成形过程的弹塑性有限元分析中，对弹塑性变形的物理非线性性质， 通常是用增量的方法将非线性的材料本构关系，在一小段增量的范围内进行线 性化处理。而在整个变形过程中，仍具有它原有的非线性性质。为此，在分析 计算中，载荷是逐段加上的，或者在工件与工具接触面上的工具强迫工件位移 是逐段产生的。所以，塑性成形过程的有限元分析是用增量发，通过一系列的 增量步来实现的幽j 。 2 2 动力分析方法 静力分析适用于静力问题和准静力问题，有其广泛的应用领域。对于加载 速度缓慢，速度变化小，可以不考虑惯性力的准静力成形过程，采用静力分析 是非常有效的。但如果载荷是迅速加载的，必须考虑惯性力，这类成形过程则 是动力问题，必须进行动力分析。此时，应采用包括惯性力的运动方程( 也可 称为动力平衡方程) ，由虚功原理建立的有限元方程应该含有惯性力项，我们可 以简单的把惯性力作为体力的一部分来考虑。在实际测量结构的动力响应时可 观测到，振动时能量是有损耗的，在动力分析中通常用与速度有关的阻尼力来 考虑这些损耗，可把阻尼力作为体力的一部分。本节说明用有限元法对金属塑 性成形过程进行动力分析的基本原理和方法，对弹塑性变形体建立动力分析的 有限元方程。 2 2 1 虚功率方程 设在t 时刻的物体现时构形为k 其表面积为五s = s ，+ 疋+ 瓯其中& 为 外力只已知的表面；只是与另一个物体接触的表面，记接触表面力为q ；e 为 位移约束表面，其位移是给定的，一般也称为位移面。物体v 发生弹塑性变形 时满足下列基本方程 平衡方程： 矿g 。+ b 。一p a l 一i = 0 在v 中 应力边界条件： 14 ( 2 1 ) 南京航空航天大学研究生学位论文 o q j = p ， 在瓯上 仃f h j = q 。在s 。上 位移边界条件： ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) “，= 乏在e 上 ( 2 4 ) 式中，为阻尼系数：i 是给定的位移。 设由运动学允许的任一虚速度场曲，( z ，z 2 ，筋，f ) 在微小时间间隔d t 内引 起的相应虚位移为审( 而，扔，屁，f ) 上述运动方程和应力边界条件可集合成如 下积分形式 i ( p a l + 弦l 一。l i j b _ ，) c y u f l v + t 扣q n j p 6 u l d s + k ? 如j q o 跏 d s ( 2 5 ) 在式( 2 1 ) 和式( 2 - 5 ) 中，口，是加速度；我们把“质量与加速度的乘积并带 上负号”( - p a ) 称为作用于质点上的惯性力；同理，称( 一m ) 为阻尼力。利用 高斯散度定理和下式 j p = 寺( 面u + 西巾) ( 2 6 ) 有 i & u ；d v = k 叩j 6 u $ 一1 i 5 ；g 押( 2 - 7 1 将式( 2 6 ) 代入式( 2 4 ) 得 1 6 ；ud y = 0 b 却i 种+ k p f l u f l s + lq 6 u 。d s 一0 觯? 8 0 t d v 一0 p 加椰 ( 2 - 8 ) 式( 2 8 ) 是弹塑性问题的动力虚功率方程。将它与弹塑性问题的静力虚功率方 程比较可知，动力虚功率方程比静力虚功率方程只是增加了惯性力和阻尼力功 率项，反映了物体系统的惯性效应和物理阻尼效应。在式( 2 8 ) 中，体力功率 项i ，包如d 矿不再包含惯性力和阻尼力的作用。 2 2 2 有限元方程 从虚功方程出发建立弹塑性有限元方程，对于动力分析，从式( 2 8 ) 出发 即可建立弹塑性有限元方程。把整个物体离散成若干个有限单元，对任一个单 基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究 元e 由虚功率方程建立有限元方程，所有单元方程的集合即可形成整体有限元 方程。 对任一单元e ，选取其形函数矩阵为 n ，单元内任一点的位移、速度相加， 速度向量分别记为、如) 和扛) ，单元节点位移、速度和加速度向量分别记为 每 。、如j 。和缸 。，对三维问题有 缸) = 【 ，= i 如r ，缸) = f ) 。 6 _ 【6 lb 2b 3 7 纠= kp ：p 3 r 斟= k ：g ：豹r 并记 口 = b l l口2 2仃孙盯”仃2 3仃3 i r 阱l 。s ：。“e ：2 乞：玎 任一点的应变速率列阵 奇中的分量邑为 弓= 圭以+ 0 j 。) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 这样。由式( 2 - 5 ) 可写出单元e 的动力虚功率方程的矩阵式为 f ) 。) r p r 扫扣y ；f 。 ) r 【8 】r b a v 十l ：怖 ) r 【】r 扫洒+ 晒 r 【r 碍沁一。临 守【l r | p 【 。d v l 怖) 亨【】7 ， d f ( 2 1 7 ) 从而有 16 南京航空航天大学研究生学位论文 f 。户【】r f k 矿矗r + f 。y f r 【k y y = f 。 】，秘拉y + f ：【】7 p d s + l ! 【】r q d s f ，旧 o d v ( 2 1 8 ) 式( 2 一1 8 ) 即是单元有限元方程。将单元方程集合，即得到整体有限元方程 ( f p 【r 【k 矿) 函 + ( ，y 【r 【p 矿) p = 。i n 7 b a v + z i n l p d s + f r q d s 一f 。扭l r p p 矿 ( 2 1 9 ) 记 阻】= f p i n 7 i n l a y ( 2 2 0 ) 【c 】= f 。，【rj u i c y ( 2 - 2 1 ) f p 】= f 。时韬渺+ 时扫洒+ 研扫沁( 2 - 2 2 ) 【f 】= f 。阱p 炒 ( 2 - 2 3 ) 则式( 2 - 1 9 ) 可写成 阻】p 卜【c 】矽 = 【p 】一i f 】 ( 2 2 4 ) 式( 2 2 4 ) 是动力分析的有限元方程的一般形式。口 是整体节点加速度列阵； u 是整体节点速度列阵；】是整体质量矩阵：【c 】是整体阻尼矩阵；【p 1 是外 力节点力列阵；i f 是内力节点力列阵。 有限元方程式( 2 2 4 ) 的求解方法也有多种方法。保持式( 2 - 2 4 ) 方程形 式不变，不把它变换成另一种形式，而进行积分计算，这种积分解法称为直接 积分法。在下面所述的显式积分方法则是应用相当广泛的一种直接积分方法。 直接积分法通常采用逐步进行数值积分的过程，对一个动力问题用式( 2 - 2 4 ) 进行求解时，若需求从已知初始状态的，= ，。= 0 时刻至f = t 。时刻的解，是把时 间全程区间划分成若干时间段，逐步进行数值积分求得若干时刻和时刻的数 值解。 由于隐式积分计算工作量大，计算时间长，目前在求解实际工程问题的动 l7 基于特征的汽车覆盖件冲压成形性研究 力分析中则较为广泛地应用下述的显式积分法。 2 2 3 显式积分方法 如上所述，对动力分析有限元方程式( 2 2 4 ) 的直接积分方法，是根据已 知的t 时刻的解( 或初始条件) ，求出t + & 时刻的解，通过逐步积分的过程， 而获得所需分析的时间全过程中的一系列数值解。在数学上，式( 2 2 4 ) 是一 个二阶微分方程组。如果式( 2 - 2 4 ) 是一个常系数的微分方程组，便可以用任 何一种适当的有限差分格式通过位移来近似表示速度和加速度，使它成为未知 变量为”“妙 的显式线性方程组，从而可直接解出“ u 。考虑物体有限元系 统在t 时刻的平衡，就可以实现这一设想。对t 时刻写出式( 2 2 4 ) ，有 阻】。函h 咕】，】西) = p - 扩) ( 2 2 5 ) 采用适当的有限差分格式通过位移来表