汽车覆盖件板成形的数值模拟技术及其在车身模具开发中的应用

1、汽车覆盖件板成形的数值模拟技术及其在车身模具开发中的应用        实践表明，汽车覆盖件模具的设计制造离不开有效的板成形模拟软件。世界上大的汽车集团，其车身开发与模具制造都要借助于一种或几种植成形模拟软件来提高其成功率和确保模具制造周期。东风汽车模具厂从2001 年5 月开始探讨AutoForm 在解决汽车覆盖件模具创造中的应用，经过各个阶段的重点攻关，实现了:对汽车冲压零件产品的可冲压成形性进行分析，判定成形的难点和关键域;对汽车冲压零件产品实现毛坯展开计算;对模具和工艺方案的确认进行有选择性和针对性的模拟分析，给模具调试提供量

2、化的分析判断数据，对可进行的模具调试方案进行判别，并对可行的调试方案提供具体技术参数;对模具和工艺方案进行反复优化的多次模拟，用先于现场模具调试的模具CAE 技术，对拉伸模设计的可行性和可靠性进行量化的分析和判断，对有欠缺的设计提出优化改进方案。        1  AutoForm 与板料成形技术        AutoForm 的目标是解决"零件可制造性、模具设计、可视化调试"，约90% 的全球汽车制造商和100 多家全球汽车模具制造商和冲压

3、件供应商都使用它来进行产品开发、工艺规划和模具研发。    AutoForm 的特点:它提供从产品的概念设计直至最后模具设计的一个完整解决方案，其主要模块有User-Interface (用户界面)、Automesher (自动网格划分)， Onestep (一步成形)、DieDesigner (凸模设计)、Incremental (增量求解)、Trim (切边)、Hydro (被压成形).支持Windows 和Unix 操作系统;特别适合于复杂的深拉伸成形模的设计，冲压工艺和凸模设计的验证，成形参数的优化，材料与润滑剂消耗的最小化，新板料(如拼焊板、复合板)的评

4、估和优化。    AutoForm 的前处理:从数据输入到后处理结果的输出， AutoForm 融合了一个有效开发环境所需的所有模块。其图形用户界面(CUI) 经过特殊裁剪更适合于板成形过程，自前处理到后处理的全过程与CAD 数据的自动集成，网格的自动自适应划分;所有的技术工艺参数都已设置且易变更，设置的过程易于理解且符合工程实际。    AutoForm 的求解器: AutoForm-Incremental 采用基于拉伸件的增量算法，目标是对模具和工艺方案进行反复优化的多次模拟或为了确认模具和工艺方案而进行的有选择性的模拟，全面讨论

5、模具和工艺设计。它使用许多现代模拟技术，如应用新的隐式有限元算法保证求解的迭代收敛;采用自适应网格、时阶控制、复杂工具描述的强有力接触算法、数值控制参数的自动决定和使用精确的全量拉格朗日理论等保证求解快而且准确。它同时融于了许多工程应用技术，如考虑了加工硬化和应变率效应(strain-rate effect) 的各向异性材料模型;等效拉延筋阻力模型。    它可以模拟整个冲压过程:板料的重力鼓应，压料圈成形，拉伸成形。    AutoForm 对模拟结果融合了许多有效和宜人的解释:可以实时地观测计算结果。可观测应力、应变和厚度分布、材

6、料流动状况，可计算工具应力、冲压力，可实现材料标记、法向位移的标识，可生成对破裂、起皱和回弹失效进行判定的成形质量图以及成形极限图。还可进行动画显示和截面分析等。        2 问题的提出        东风汽车模具厂在2002 年承接了东风汽车有限公司车身厂的EQ4160 车身覆盖件模具的设计与制造工作，为保证模具的制造质量和周期，我们对其主要零件进行了成形模拟分析，取得了良好的应用效果。     2.1 产品介绍  &

7、#160;    前顶盖料厚: 0.9-GB708-88 ，材料:08AI II HFGB710-88;坯料尺寸:0.9x 1520x2650mm。制件最大深度为368.3mm。法兰边都最小园角为R3mm。如图1所示。其冲压工艺是:剪片料、拉伸、修边、斜模修边整形、斜棋翻边吊模.    2.2 拉伸形模凸模设计情况   凸模/拉伸件设计:车身大型覆盖件的冲压拉伸塑性成形性涉及到产品设计、冲压工艺、冲压设备、模具结构、冲压材料等诸多因素。凸摸设计是根据冲压工艺和模具设计知识，完成如压料面的形状及拉伸筋的布置等，他们按

8、掌握的经验和知识，以获得最佳的材料流动补充，达到拉伸出合格的拉伸件的目的。计算机模拟分析就是对凸模设计的可靠性和可行性进行分析验证和更改，其凸模如图2 所示。法兰平面圆角R80mm ， 拉伸深度383mm 。        我厂曾做过EQ153 顶盖， EQ153 顶盖没有分成2块，一是因其平面尺寸较小，有相应的压力机和板料实现冲压;二是伸压深度要由100mm 左右E 三是角部球形R 较大。        CAE 模拟分析被解决的问题:凸摸面设计的模拟与优化，评估其成形可行性

9、并探索可能的模面修改方案。具体讲:没有破裂和皱纹等外现成形缺陷，拉伸件要有一定的刚性。        3 顶盖的变形特点分析        顶盖属方盒形件的拉伸成形，其变形特点是:直边相当于弯曲变形;圆角相当于圆筒拉伸;拉伸时圆角的金属向直边流动，使直边产生横向压缩。其拉伸成形深度与法兰角部的平面圆角r 和材料有关，如图3 所示。    变形区(法兰部分):从应力分析看，径向受拉(径向应力x>0)和切向受压(切向拉应力y<O) ，正向

10、受压(正向拉应力 z<0) ，若z很小可近似认为正向压力z为0 ，即呈平面应力状态;从应变分析看，可认为没有正向变形(正向压应变实际上也是远小于切向压应变),可看作平面应变状态，根据塑性变形的体积不变条件z+y+x=0 ;由z 0,z -y即径向的拉伸变形几乎全部转变为材料的变厚，所以在变形区既要"开流"也要"限流"。    传力区(侧壁部分):在拉伸过程中，径向和切向均受到拉应力的作用(zy0)，产生径向和切向拉应变。从应力分析看，危险断面主要受径向应力z和切向拉应力y，可认为正向压力z近似为0 ，即平面应力状态;从

11、应变分析看，切向变形不大(在接近拉伸下死点时可认为切向应变y近似为0) ，可看作平面应变状态，根据塑性变形的体积不变条件z+y+x=0; 由yO知z -x，即径向的拉伸变形几乎全部转变为材料的变薄，所以传力区径向容易失稳破裂，切向容易失稳皱折.成形时易出现的主要问题是:法兰角部在切向压应力下的起皱，它与凸模圆角、凹模圆角以及法兰角的平面圆角有关;凸模圆角rp处和凹模圆角rd处的裂破坏以及侧壁转角处的壁裂，直壁松弛(有的还会现大波纹起伏状的成形缺陷)和直壁破裂。解决措施: 为解决角部开裂，可以降低压料力、使用p，较小和i较大的材料、增加料厚以减少材料的变薄量;原则是"在圆角开流，直边限

12、流"，若为开流可以增大圆角处的凹模圆角半径rd、加大间隙和润滑减少摩擦;若为限流则反之，增大摩擦的最直接措施就是增加拉伸筋。        4 成形模拟分析        通过标准的ICES 数据转换接口，将工具和坯料几何模型读人有限元分析系统中进行网格划分，对覆盖件成形模拟分析可用BT 壳单元对几何模型进行离散，建立零件的有限元网格模型，如图4 所示。并进而建立-个模具的有限元网格模型的装配，如图5 所示o    

13、     4.1 材料性能参数    材料力学性能试验采用标距为80mm*20mm 的试样，在电子拉伸试验机和成形试验机上进行试验，测得的材料性能参数如下。屈服强度1: 147. 9OMPa; 抗拉强度吼b:295.44MPa; 均匀延伸率% :26.37; 总延伸率%:45.06; 强度系数k :540 .5 5MPa; 硬化指数n:O.256；O°、45°90°方向上的厚向异性指数r分别是:1.863、1.179 、2.531.    4.2 前顶盖拉

14、仰凸模的成形模拟和拉伸模的虚拟调试        (1)第1 阶段的模拟分析(在原始模面设计和造型的基础上，以调毛坯和成形参数为主)。通过调节压料力和摩擦系数等冲压成形工艺条件和参数，经过多次模拟分析直至得到此条件下的最佳拉伸成形效果的板料毛坯和成形参数，结果如图6 所示。可以看出:A 区破裂， B 区接近破裂， C 区变形刚性不足。    (2)第2 阶段的模拟分析(目标是减少第一轮模拟分析的缺陷)。    为消除A 处、B 处破裂:优化毛坯即减小毛坯，局部修模以

15、利于材料流动。由于拉伸筋在增加进料阻力、防止起皱方面有着至关重要的作用，而且调整拉伸筋可以迅速调整进料阻力和进料量，所以为消除C处变形刚性不足，采取增加拉伸筋"限流"并采取其它综合措施以减少或消除法兰皱纹。图7所示为在模具下侧中部增加2/3 总长和2/5总长的另2条拉伸筋，增加2条等效拉伸筋，减少摩擦、并对压料力和毛坯尺寸进行调整后模拟分析结果。        5 现场调试与结束语        根据上述拉伸成形模拟分析的结果，按照CAE 意见对前顶盖凸模进行了修改，修改后的实际模拟分析结果如图8 所示，并根据修改后的拉伸模的凸模数学模型对实物模具进行数控加工，模具实际制造装配后按CAE 提供的冲