数值模拟在汽车板成形中的应用

1、数值模拟在汽车板成形中的应用吴 华 , 蒋浩民 , 汪承璞(宝钢股份公司 技术中心 , 上海 201900 摘要 :在汽车和冶金工业中 , 板成形数值模拟广泛地应用于零件的选材和模具的设计 。 文 章论述了板成形数值模拟的基本方法及其发挥的重要作用 , 并采用动力显式有限元软件 DY NA3D 对轿车顶板的冲压成形过程进行仿真计算 , 分析了成形安全裕度 。 关键词 :板成形 ; 数值模拟 ; 有限元分析 ; 静力隐式算法 ; 动力显式算法中图分类号 :O242 文献标识码 :B 文章编号 :1008-0716(2002 01-0048-03Application of Numerical S

2、imulation in Sheet MetalWU Hua , J IANG Hao 2pu(B aosteel T , metal forming numerical simulation has been and die design. This paper summarizes the basic approaches of sheet numerical simulation and describes its great potentialities of it , meanwhile a calculation of the stam ping process of car ro

3、of panel is carried out by dynamic explicit finite element analysis s oftware DY NA3D ,and the forming safty margin is analyzed.K ey Words :Sheet metal forming ; Numerical simulation ; Finite element analysis ; Static im plicit alg orithm ;Dynamic explicit alg orithm1 引言近年来 , 我国汽车工业的迅速发展带动了汽 车钢板的大量使

4、用 , 为适应现代汽车对高品质钢 板的使用要求 , 针对不同特点的汽车钢板进行使 用技术研究是汽车和钢铁企业都必须面临的重要 课题 。 板料冲压成形作为车身内外覆盖件和其它 冲压件最为常用的成形方式是一个十分复杂的力 学过程 , 零件的起皱 、 破裂 、 回弹等缺陷与原材料 的成形性能 、 坯料的几何形状 、 冲压方向 、 拉延筋 的布置 、 摩擦润滑及压边力的大小等众多因素有 密切关系 1。 在汽车整车产品中 , 作为汽车覆盖 件一部分的车身部分的市场生存周期最短 , 变化 最频繁 ; 同时传统的模具设计和板材使用方法具 有强烈的经验依赖性 , 极大地制约了产品生产和吴 华 硕士 1974年

5、生 1999年毕业于上海交通大学 现从 事钢板成形专业 电话 56780880-2902 生存周期 2。板成形数值模拟是金属塑性加工领域中的前 沿课题之一 。 伴随计算机技术的迅速发展和有限 元理论的不断成熟 , 数值模拟技术在工业中的应 用愈来愈广泛 。由于在实际的模具设计 、 制造和 产品生产过程中 , 通过计算机进行仿真能及时发 现问题并作出修改 , 提高模具的设计和制造质量 , 缩短开发周期 , 降低制造成本 , 因而国外各大汽车 厂都把板成形数值模拟作为新车型开发的必要分 析工具 。 与此同时 , 一些钢铁厂为了提高汽车钢 板的市场竞争力 , 采用先期介入的模式积极参与 汽车厂新车型

6、的开发和研制 , 通过计算机模拟了 解零件对钢板的成形性要求 , 并根据自身的产品 特点指导汽车厂合理化选材 。笔者在论述板料成形数值模拟基本方法的基 础上 , 采用动力显式有限元软件 DY NA3D 对轿车 顶盖冲压过程进行仿真计算 , 分析零件的成形安 84 宝 钢 技 术 2002年第 1期全裕度 。2 板料成形数值模拟基本方法板料成形过程是一个初始的金属平板到目标 形状的变形过程 。从理论上分析 , 板料成形过程 是一个极其复杂的力学过程 , 同时包含几何非线 性 、 材料非线性和接触非线性 。 随着有限元理论 、 塑性成形理论和计算机能力的发展 , 以及对冲压 过程愈来愈深刻的理解

7、, 板料成形数值模拟技术 正逐步完善 , 国外许多比较成熟的商业化有限元 软件 可 用 于 板 成 形 的 数 值 模 拟 , 如 Autoform 、 Dynaform 、 PamStam p 、 Marc 等 。 就算法而言 , 主要分 为静力隐式算法和动力显式算法 。2. 1 板料成形数值模拟中的基本算法塑性成形一般为准静态过程 , 传统的模拟计 算方法采用静力隐式算法 。 静力隐式算法在理论 上是严格的 ,法 。:首 先 , 塑性成形问题是涉及几何 、 材料和接触的强非 线性问题 , 隐式算法在计算中不易收敛 , 往往得不 到问题的解 ; 其次 , 隐式算法要直接求解线性方程 组 ,

8、对于大规模工程问题 , 随着尺度的变大 , 计算 量和 CPU 求解时间会成倍地增加 , 对问题的解决 十分不利 。 考虑到静力隐式算法存在求解困难 、 效率低的缺点 , 近十年来 , 动力显式算法在板成形 工程领域中得到广泛应用 , 并得到充分发展 3,4。 就材料模型的本构方程 、 单元类型的选择 , 动 力显式算法和静力隐式算法基本相同 。 动力显式 算法基于动态平衡方程 , 对空间域进行有限元离 散化 , 对时间域的离散采用中心差分法 , 建立显式 的有限元方程 , 无需迭代求解 。根据中心差分法 稳定性条件 , 时间步长需满足下式 5:t t =2/m式中 :t 为时间步长 ; t

9、为临界时间步长 ; m 为 系统的最高圆周频率 。动力显式算法的这种特性使其在计算时消除 了收敛性问题 ; 由于不必直接求解线性方程组 , 当 问题的尺度变大时 , 计算成本一般不会成倍增长 , 而只随尺度线性增加 , 不易造成硬件瓶颈 ; 同时对 大变形 、 滑动和接触的处理相对较容易 。动力显式算法强大的非线性大规模工程问题 解决能力 , 使得它在板成形领域内获得较静力隐 式算法更为成功的应用 。 但动力显式算法由稳定 性条件决定的 t 很小 , 当运算板材回弹时 , 为完 成整个卸载过程所需的时间 t 和 t 的比值是个 极大的数值 , 造成完成卸载的运算步数远远大于 加载步数 。 实际

10、上 , 回弹过程主要是一个线性问 题 , 并可以不考虑接触 , 为使用无条件稳定的隐式 算法提供条件 。目前 , 加载过程采用动力显式算 法 , 卸载 (回弹 过程采用静力隐式是国际上板成 形模拟软件开发的主要方向 6。2 . 2 接触和摩擦处理一般情况下 , 板料成形是在冲头运动的过程 中完成的 。 随着冲头的运动 , 。 正确的处理边界的接 触和摩擦是得到可信分析结果的关键因素之 一 2,5。常用的接触力算法为 :拉格朗日乘子法和罚 函数法 。 在拉格朗日乘子法中 , 接触力是作为附 加自由度来考虑的 , 通过将接触界面的滑动约束 以乘子的形式列入有限元列式 。 拉格朗日乘子法 不允许接触

11、边界的互相穿透 , 能准确描述几何约 束条件 , 是一种精确的接触力算法 。但是拉格朗 日乘子法在每个接触点需引入一个乘子 , 增加了 系统自由度 , 提高了计算费用 , 并且与显式算法不 相容 。 罚函数法是一种近似方法 , 在罚函数法中 允许接触面之间的互相穿透 , 并通过罚因子将接 触力大小和接触边界的穿透量联系起来 , 接触力 正比于边界穿透量 。 采用罚函数法得到的方程不 包括拉格朗日乘子 , 节点位移为基本未知量 , 系统 自由度没有增加 , 数值求解比较方便 。但要强调 的是罚函数法的精度对罚因子有着强烈的依赖 性 , 当罚因子较大时收敛性较差 。摩擦力的计算需要选定一个适合接触

12、界面摩 擦特性的摩擦定律 , 目前常用的摩擦定律是基于 经典的库仑摩擦定律 , 但是为了数值计算的稳定 性作了一些修正 。在经典的库仑摩擦定律中 , 当 接触物体间的切向摩擦力 f t 小于临界摩擦力 f tc 时 , 两接触面间的相对滑移为 0; 当 f t 等于 f tc 时 , 94吴 华等 数值模拟在汽车板成形中的应用相对滑移是不定的 , 需由外界条件和约束决定 。 由于在板成形分析中 , 经常会出现局部相对速度 很小或相对速度方向突变 , 因此产生的接触面切 向突变会导致摩擦力大小和方向的突变 , 造成计 算不稳定 。 目前较多采用光顺函数来修正库仑摩 擦定律 2, 使迭代容易收敛

13、, 但一定程度上降低了 有效摩擦力 。 3 计算实例某轿车的车顶外板原采用进口材料 , 为了降 低生产成本 , 现拟用国产汽车钢板替代 。为了保 证所选材料在该零件成形中具有一定的安全裕度 和刚度 , 宝钢技术人员对该零件的成形过程进行 了数值模拟 。通过标准数据交换接口 , 将数据输入车顶外 板的凹模和板坯的 C AD 模型 。如图 1为车顶外 板的冲压关系 C AD 模型 称性 , , 束 , 分原则 , 采用 Belytschko 2Tsay 单元将车顶外板凹模 模型离散为有限元计算模型 , 如图 2。图 1 车顶冲压关系 C AD 模型Fig. 1 C AD m odel for st

14、amping relation of roof panel计算所用材料力学性能如表 1所示 , 模具和板料之间的摩擦因数 =0. 15, 采用修正库仑摩 擦定律 , 模具间隙为 0. 9mm 。表 1 车顶外板用钢板力学性能T able 1 Mechanical property of roof panel板厚 mm 屈服强度MPa 抗拉强度 MPa 延伸率%n 值r 值0. 8162313490. 231. 69图 2 车顶外板冲压成形有限元模型Fig. 2 Finite element m odel of roof panel图 3为车顶零件拉延成形后的厚度分布 , 图 4为车顶零件成形极

15、限图 。图 3 车顶零件厚度分布图 Fig. 3 Thickness distribution of roof parts图 4 车顶零件成形极限图Fig. 4 F orming limit diagram of roof parts从计算结果看 , 板料最大变薄量为 11. 70%,变形剧烈部位在零件的周围 , 零件成形安全裕度 为 17. 54%, 材料能满足零件的冲压成形要求 ; 由于顶盖中央变形较小 , 为了增加零件的刚度 , 可适(下转第 54页 5 宝 钢 技 术 2002年第 1期利用请求记录功能 , 可以随时了解设备在某一段 时间里各指标的变化情况 。 4 报警提示系统的应用案

16、例系统应用于现场之后 , 已有多项成功诊断案例 , 以下仅以 “轧线主马达电流值 (RMS 值 超限 运行” 的实例作说明 。 当带钢进入轧机时 , 轧机主 马达的电流值 (RMS 值 会迅速增大 , 正常情况下 RMS 值不会超过定额值的 100%, 但目前 RMS 值 在超限的情况下工作时有发生 , 这容易造成设备 磨损 , 降低使用寿命 , 对带钢的质量也有不良影 响 。 因此 , 对主马达电流值超限运行应及时监视 、 提早预报警 , 进而诊断异常原因 , 是件非常重要的 工作 。 过去当 RMS 值超限时 , 现场操作人员总是 拿着故障报警信息去请教现场技术人员 , 通过现 场技术人员

17、分析 、 处理后 , 才能解决问题 。 这样既 费时 , 又不能及时处理现场问题 , 示系统能及时解决问题 。 现场操作人员只要对准报警信息双击鼠标 , 在主画面上就会弹出解决此 问题的方案 , 为使用者提供提示 。 另外 , 通过对主 马达异常趋势分析确定了主马达的维护周期 , 合 理地分配了 RMS 的定额值 , 从而避免了设备的损 坏 , 保证了带钢的质量 。 5 结论自报警提示系统开发成功投入运行以来 , 陆 续协助现场操作人员解决了设备异常问题 。 有多 项实例可以证明 , 该系统确能迅速有效地反映设 备的状况 , 并能掌握其劣化倾向 , 因而可以避免主 马达电流值超限运行引起的设备

18、磨损 。 对确保设 备的正常运行 , , 提供了相当 马凯利(改稿日期 :2001-11-01 (上接第 50页 当提高材料的强度等级 。 4 结束语经过 20多年的努力 , 板材成形数值模拟技术 得到了很大发展 , 并在实际的冲压工业中得到了 广泛的应用 。在汽车钢板选材分析过程中 , 应用 板材成形数值模拟技术能方便地观测到零件的冲 压成形过程 , 了解其成形缺陷 , 从而在模具的工艺 参数 、 坯料的尺寸形状和汽车钢板性能特点之间 获得最佳的匹配 。 随着板材成形数值模拟技术的 进一步成熟 , 可以说 , 板材成形数值模拟技术正推 动汽车和冶金企业的模具开发和汽车钢板的选材 问题由传统的试错法向科学计算的变革 。参 考 文 献1 康永林 . 现代汽车板的质量控制与成形性 . 北京 :冶金工业出版社 ,1999:2412502 沈启 . 金属板料成形的数值模拟技术及其在汽车覆盖件成形工艺设计中的应用研究 . 上海交通大学博士论文 ,1999:573 董湘怀 , 郑莹 . 金属塑性成形计算机模拟的若干进展 . 金属成形工艺 ,2000;18(1 :1 44 印雄飞 , 阮雪榆 . 板料成形过程的数值