基于CADCAE的拼焊板桶形件冲压成形工艺设计开题报告

南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名： 学 号：专 业 ： 机械工程及自动化设计 (论文 )题目 ： 基于 CAD/CAE 的拼焊板桶形件冲 压 成 形 工 艺 设 计指 导 教 师 : 2013 年 3 月 22 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3 “文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15 篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞典、手册） ；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009 年 3 月 15 日”或“2009-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 介绍了拼焊板冲压成形的研究意义，并概述了拼焊板桶形工件的成形特点，比较了较为广泛使用的用于材料成形的 CAE 工具，最后决定了课题研究方案，选取 DYNAFORM作为研究工具，以有限元仿真作为分析方法对拼焊板桶形工件冲压成形工艺进行研究。关键词 拼焊板冲压成形 桶形工件 有限元 DYNAFORM 1 概述1.1 研究意义目前，环保、能源和安全是世界迫切要解决的三大问题。减轻汽车质量、节能降耗减排和提高汽车安全性能己成为汽车工业发展的三大主要方向 1。据统计，汽车质量每减少 50kg，每升燃油行驶的距离可增加 2km;汽车质量每减轻 1%，燃油消耗下降 0.6%-1.0%2。汽车的轻量化设计不仅可以降低生产成本，而且可以节约燃料和改善风阻系数。因此，早在 1994 年国际钢铁协会专门成立了由 18 个国家 35 家钢铁公司组成的 ULSAB(ultra light steel auto body)项目组，该项目组在 1998 年提出了 ULSAB-AVC(ultra light steel auto body-advance vehicle concept)项目 3，4 认为除结构优化外，成形新工艺(拼焊板技术)和新型超轻材料(如镁铝合金)的应用是汽车最主要的减重方法，而且在成形工艺方面，30%以上的零件采用了拼焊板技术，旨在通过车辆的整体设计来实现车身的轻量化。目前，拼焊板在汽车工业 5,6和航天制造业中得到了广泛的应用。尤其是在汽车工业，由拼焊板生产的汽车零部件已经成功地应用于车身骨架件、外覆盖件，内覆盖件，如位于车门两侧的 A、B 立柱，车门内板，纵梁，底板，轮置，内后挡板，横梁缓冲器等，如图 1 所示。图1 采用拼焊板的汽车部件1.2 拼焊板的特点按零件不同的性能要求，将不同厚度、形状、成分、性能、材质以及不同表面涂层的板料焊接在一起形成冲压成形前的毛坯，然后经冲压成形后获得高性能冲压件即获得拼焊板 (Tailor-welded blank，TWB)冲压成形件 7。拼焊板冲压成形技术克服传统成形工艺（分离成形和整体成形）的缺点，减轻质量，加强零件局部抗腐蚀能力，提高强度和刚度。它的主要优点如下：（1）满足产品各部分对材质、厚度、涂层、性能等不同的要求，提高了产品设计的灵活性，缩短了设计和开发的周期；（2）减少零部件的数量，减少车身重量，减少模具数目，降低材料消耗，减少了大量冲压加工的设备和工序，缩短了模具的安装过程，简化车身制造过程；（3）提高产品结构整体性能，改善装配精度；（4）大大提高了原材料的利用率，降低了成本；（5）解决了板材宽度的限制问题，为尺寸较大的产品如宽体车的生产提供可能。2 研究方法2.1 研究对象桶形件由于属于轴对称件，是研究复杂几何形状件的冲压成形工艺的基础。本课题首先选取了简单的轴对称件桶形件作为研究起点，针对智能数控冲压机床对压边力控制的要求，借助 CAE(DYNAFORM)手段通过改变模具、压边力方式和材料差厚，进行拼焊板的成形性能的有限元分析仿真，探讨拼焊板桶形件冲压成形工艺。2.2 拼焊板桶形件拉深特点一般桶形件的拉深过程如图 2 所示。一般面临起皱、破裂和回弹三大问题。（1）桶形件在拉深过程中 , 法兰变形区由于切向压应力的作用,可能会发生塑性失稳而起皱 8。影响起皱的因素很多 , 如材料性能参数 (硬化指数 n、塑性切线模量 D、强度系数 K、各向异性参数 R) 、法兰瞬时半径、拉深系数以及板料厚度对拉深时是否起皱都有影响。（2）毛坯在拉应力作用下产生塑性变形时，一方面承载面积在减小，另一方面材料的应变强化效应增加，当材料硬化的应力增量足以补偿承载面积的减小而保持稳定变形所需要的应力增加值时，拉深变形可以稳定的进行下去；当两者相等时，拉深变形处于临界状态；当材料硬化的应力增量小于承载面积的减小所需要的应力增加值时，毛坯失稳直至破裂。拼焊板焊缝两侧厚度不同，薄侧角部都容易产生应力集中从而导致破裂。（3）产生回弹的原因主要由两个:一是因为当板料内外缘表面纤维进入塑性状态，而板料中心仍处在弹性状态，这时当凸模上升去除外载后板料产生弹性回跳；二是金属塑性变形时总是伴有弹性变形，当凸模上升去除外力后，弹性变形消失，也会出现弹性回弹。影响拼焊板回弹的因素有:板宽、母材厚度比、凸模圆角半径以及凸凹模间隙等。1.凸模 2.压边圈3.毛坯 4.凹模图 2 圆桶形零件拉深过程拼焊板相对于普通光板具有焊缝、板厚不等、材料性能不同等特点，给拼焊板冲压成形带来了一些缺陷，如焊缝的不均匀移动、起皱、破裂、回弹等。此外，还带来了材料的冲压成形性能降低，冲头易磨损，压边圈需改型等问题。影响拼焊板冲压质量因素非常多，如毛坯几何参数(如焊缝位置、拼焊板母材的厚度比及板料的初始外形和尺寸)、模具几何参数、板材性能参数（如拼焊板的强度比)、工艺条件(如压边力、冲压速度、模具和板料的润滑条件等)等等。由上可知，对于拼焊板桶形件冲压成形工艺的研究十分重要，但由于所涉及的工艺参数较多，而传统的反复试模的方式显然耗时耗力，成本太高，因此目前普遍采用有限元仿真技术和传统的实验方法相结合的方法进行冲压成形工艺的研究，可以大幅度减少试验次数，更直观的、更量化的找出影响因素。2.3 板料成形仿真方法随着计算机技术的飞速发展和有限元技术的日趋成熟，采用 CAE 仿真分析金属塑性成形过程中的变形规律在实际生产中得到了越来越广泛的应用 9。CAE 技术的应用大大缩短了模具和新产品的开发周期，降低了成本，提高了企业的市场争力，从而推动现代制造业快速发展。目前，国内外应用较为广泛的板成形分析软件主要有以下几种。（1）AutoForm 是由 Autoform Engineering 公司开发的，它是一款采用静态隐式算法求解和全拉格朗日理论的弹塑性有限元分析软件，主要包括一步法模块、增量法模块、模具设计模块以及优化设计模块，其增量法求解模块可以精确的模拟板料冲压成形过程。（2）SheetForm 是由北京航空航天大学与中国第一汽车集团公司合作开发的冲压成形模拟分析系统软件，由四个模块组成，网格剖分、前置处理、分析计算和后置处理，可以预测板料的起皱和破裂，确定毛坯形状与尺寸，进行回弹计算 10。（3）PAM-Stamp 是 ESI 集团公司于 1992 年正式推出的板成形分析软件，主要功能模块包括对模面与工艺补充面进行设计和优化的 PAM-DIEMAKER，为研究工件而进行快速评估的工具 PAM-QUIKSTAM 以及验证成形工艺和冲压件质量的 PAM-AUTOSTAMP。PAM-Stamp所有的模块都集成在统一的操作环境中，模块间可以交互操作，并以完全一致的方式共享 CAD 资料。（4）DYNAFORM 是由美国 ETA 公司和 LSTC 公司联合开发的用于板成形模拟的专用软件包，可以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间及试模周期，不但具有良好的易用性，而且包括大量的智能化自动工具，可方便地求解各类板成形问题。DYNAFORM 可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助；DYNAFORM 专门用于工艺及模具设计涉及的复杂板成形问题；DYNAFORM 包括板成形分析所需的与 CAD 软件的接口、前后处理、分析求解等所有功能。DYNAFORM 作为板料冲压成形的专用软件，和其他几个比较流行的软件相比，在易操作性、前处理、后处理和模拟的准确性上都具有很大的优势，主要表现在以几个方面:（a）DYNAFORM 具有功能丰富的前处理器。它具有强大的图形文件导入功能，能够方便而无数据丢失地读入 IGES 格式文件以及 UG、Pro-E、CATIA 等主流 CAD 软的图形文件，同时用户也可以在 DYNAFORM 中很方便地创建点、线、面等几何模型（b）DYNAFORM 的求解器采用了业界非常著名的非线性动力显式有限元软 Ls-dyna。Ls-dyna 是采用显隐结合的算法进行板料成形模拟的最具有代表性的软件，计算稳定，效率高，模拟结果准确性很好。虽然 Ls-dyna 也能够进行仿真，但是其材料库相对DYAFORM 而言就有一些欠缺，软件的易操作性也较差。（c）DYNAFORM 具有强大的后处理功能。eta-Post 是 ETA 公司开发的一款专门对DYNAFORM 的后处理软件，它可以方便用户直观地得到求解结果。在 eta-Post 中增加的GRAPH 模块中，用户可以利用曲线图表功能来显示拉深过程中各种参数随间变化的曲线。综上所述本课题选取 DYNAFORM 作为有限元仿真软件。3 总结通过对有关拼焊板冲压成形、桶形工件拉深的特点及有限元仿真软件 DYNAFORM 的特点的了解，确定了本课题的研究对象和研究手段，即选取了简单的轴对称件拼焊板桶形件作为研究起点，借助 PRO-E/DYNAFORM 手段通过改变压边力、焊缝位置、板厚比及凹模圆角半径，进行成形性能的有限元仿真分析, 找出这些因素对拼焊板桶形件冲压成形的基本影响规律;寻找合适的拼焊板桶形件冲压成形工艺参数，为后续的实际加工奠定基础。参 考 文 献l 余淑荣，樊丁，熊进辉，等.汽车用铝合金拼焊板技术研究现状J.电焊机，2006，36(8):2831.2 谭善馄，张亚峰.高强度冷轧钢板在奇瑞轿车上的应用研究J.汽车工艺与材料，2003，8(6):1014.3 田浩彬，林建平，刘瑞同，等.汽车车身轻量化及其相关成形技术综述J.汽车工程，2005，27(3):381384.4 余海燕，孙成智，陈关龙，等.新型骨架式轿车车身开发研究进展J.机械设计与研究，2003，19(5):7577.5 李淑慧，林忠钦，倪军，等.拼焊板在车身覆盖件冲压成形中的研究进展J.机械工程学报，2002，38(2):17.6 姜银方，杨继昌，陈炜.铝拼焊板在车身覆盖件冲压成形中的应用研究J.江苏大学学报:自然科学版，2003，24(2):2832.7 朱传敏，王锡浩.拼焊板技术在车身制造中的应用J.制冷空调与电力机械，2005，102(26):8182.8 姜奎华. 冲压工艺与模具设计M. 北京: 机械工业出版社,1999.9 王良新.方盒形拉深成形工艺分析及变压边力预测D.南京:南京理工大学，2007.10 冯天飞，施法中.冲压成形模拟技术与 SheetForm 软件J.机器工人（冷加工） ，2002，9(26)：4850.11 张如华，赵向阳，张跃荣，等.冲压工艺与模具设计M. 北京:清华大学出版社,2006.12 薛啓翔.冲压工艺与模具设计实例分析M. 北京: 机械工业出版社，2008.13 吴诗惇. 冲压工艺及模具设计M. 北京：西北工业大学出版社.2002.14 姜雷,陈君若,沈选举,孙东明. 圆筒形零件拉深压边力的数值模拟J.机械.2004, 9(5):8182. 15 张士宏，许沂，王忠堂,等.拼焊板料冲压成形技术(I)J.金属成形工艺2001，19（4）：13. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题首先选取了简单的轴对称件桶形件作为研究起点，针对智能数控冲压机床对压边力控制的要求，借助 CAE 手段通过改变压边力方式和材料差厚，进行拼焊板的成形性能的有限元分析仿真，探讨拼焊板桶形件冲压成形工艺。首先通过文献查阅分析确定影响拼焊板桶形件冲压成形前的主要可选择变化因素:压边力、焊缝位置、板厚比及凹模圆角半径；继而运用 DYAFORM 对它们对拼焊板桶形件冲压成形的影响进行单因素的仿真分析；找出这些因素对拼焊板桶形件件冲压成形的基本影响规律；进而了解有限元分析在冲压工艺中的实际运用，探讨拼焊板桶形件冲压成形工艺。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：该生通过阅读与本课题相关的参考文献，进行了总