基于AUTOFORM的冲压件成型仿真分析

基于AUTOFORM的冲压件成型仿真分析
一、AUTOFORM简介
AUTOFORM主要有以下特点：
1. 全自动网格划分
传统意义上的分析师，都在对几何的网格划分上具有较深的造诣，在一个方案的整个分析过程中，网格的处理，往往占据了70%的精力。

资深分析师的匮乏，严重影响了CAE 分析在工业界的推广应用。

AUTOFORM 由于在接触算法上的重大突破，从而在根本上改变了网格划分对技术人员所要求的内涵，其整个划分过程全自动，无需用户干预，具有快速、准确、稳定和简单的特点，不占用使用人员的精力。

全自动网格划分，使得CAE 分析的瓶颈问题得到解决，对普通技术人员而言，CAE 分析不再是一个神秘领域，使得CAE 工业应用的普及化真正成为现实。

2. 全程工艺设计辅助
3. 计算速度快
AUTOFORM 对板冲压成型过程的仿真模拟计算速度超越了传统意义上对板冲压成型过程进行模拟所需时间的理解。

其计算速度是同类CAE 软件的几倍甚至几十倍。

绝大部分制件的仿真分析计算都能在几十分钟内完成，有些甚至只需几分钟。

4. 模拟精度高
AUTOFORM 不仅在瑞士设有研发部门，而且在德国还专门设有工业应用部门，其与欧洲的一些著名的汽车生产商和模具生产商之间也已建立了良好的联系和反馈机制。

经过多年的工业应用反馈积累改进和版本升级，目前，AUTOFORM 的模拟精度已经在世界范围内得到了广泛认可，这一点也已经在NUMISHEET’2002 的试题结果中得到了很好的反映。

5. 模拟结果稳定性高
AUTOFORM 诸多内置参数来源于工业实际，无需用户外部干预。

与传统CAE 软件比较，其计算结果不依赖于操作者的FE 经验，不会因人而异，稳定性非常好。

这一点已经在NUMISHEET’2002 的试题结果中得到了很好的反映。

6. 界面简洁，操作性好
AUTOFORM 的前、后处理所有功能都集成于一个界面之中，但整个界面简单明了，给人以井井有条之感。

其所有模块都兼具向导功能，用户只须按部就班将设置填好即可。

若用户有错误或疏漏的地方，AUTOFORM 会以警示颜色标出，方便用户检查及修改。

7. 全参数化驱动，各模块无缝集成
AUTOFORM 中的所有涉及模面设计及几何操作的地方，都是参数化驱动，用户修改任意一处，相应的其它地方都自动改变。

不同模块无缝集成，在任意一模块中都可调用其它模块中所获得的结果。

二、发动机罩内板冲压工艺设计
2.1、工艺补充及压料面设计
根据发动机罩内板模型，该冲压件的成型工序为：拉延、切边冲孔、整形三序，根据不同的工序设定工艺补充和压料面，拉延时凹凸模需要工艺补充和压料面，而整形时压块和顶起选取发动机罩内板模型上比较平坦的地方，凹模需要单独的工艺补充，凹凸模和工艺补充设计可以在CATIA 中完成，然后导入AUTOFORM 中，也可以在AUTOFORM 直接完成，此次仿真选择在AUTOFORM 中直接完成。

需要指出的是，发动机罩内板模型上需要很多孔，而且冲压方向不一致，有的需要正冲，有的需要侧冲，所以可以根据需要选择在其他工序中对一些孔进行冲压，如在拉延时可以冲出某些孔，本文为了方便，将所有孔都选择在切边冲孔工序中完成。

拉延工序的凹凸模和压料面如图1所示。

2.2、冲压方向的确定
冲压方向的确定要满足四个原则：保证能将冲压件的全部形状一次冲压出来；使冲压深度差最小；保证凸模与板料有良好的初始接触状态；有利于防止表面缺陷。

此次冲压方向选择Z 轴，图2为拉延时冲压件的负角检查，可以看出不存在冲压负角。

图1 拉延凹凸模及压料面
2.3、板料初始轮廓的确定
板料轮廓既要大于冲压件的展开尺寸，又要达到板料的利用率要求。

板料轮廓的确定可以在CATIA 中完成，也可以在AUTOFORM 中完成，然后再利用CAD 软件进行编辑。

此次仿真的板料初始轮廓在AUTOFORM 中完成，再导入CATIA 中进行编辑，最终结果如图3所示。

2.4、冲压工艺参数初始确定
压边力：压边力是影响冲压件冲压成型的重要工艺参数，与材料的流动息息相关。

此次仿真的压边力根据经验，设置压边力为常量，取压强值23/N mm ,结合压料面面积,可确定压边力为250t 。

间隙：此次仿真凹凸模间隙选为0.1mm ，发动机罩内板板厚为1mm ，所以凹凸模实际间隙为1.1mm 。

摩擦系数：摩擦系数也是冲压件冲压成形中一个比较重要的工艺参数，摩擦图2 负角检查
图3 板料初始轮廓线
图4 硬化曲线
系数过大，可能会引起冲压件开裂；摩擦系数过小，可能引起冲压件起皱。

此次仿真拉延工序的摩擦系数选择为0.12，整形工序摩擦系数选择为0.15。

2.5、冲压件材料的选择
此次仿真冲压件材料选择为DC01,其各种性能如下所示：
弹性模量：2.1e+05pa ；
泊松比：0.3；
硬化指数：0.15；
晶向综合指数：1.45；
屈服强度：200Mpa 。

DC01的硬化曲线如图4所示。

2.6、网格划分
如前所述，AUTOFORM 中采用全自动网格划分，无需用户设定。

板料网格划分如图5所示。

2.7、拉延筋布置 拉延筋广泛应用于冲压件冲压成型，是调节和控制压料面的一种强有力的方法，拉延筋的主要作用有：增大进料阻力、调节进料阻力分布等，在布置拉延筋的时候应该遵循一个原则，在曲率较小即曲面较为平缓的地方布置较小的拉延筋，在曲率较大即曲面较陡的地方布置较大的拉延筋。

此次仿真拉延筋的布置如图6所示，图中曲线即为布置的拉延筋。

图5 网格划分
图6 拉延筋的布置
三、冲压仿真计算
设定完前面所述的工艺面及压料面，并将各种工艺参数导入之后，开始对发动机罩内板的成型进行仿真，观察计算过程，图7为拉延结果。

图8为切边冲孔结果。

图9为翻边结果。

图7 拉延结果
图8 切边冲孔结果
图9 整形结果
图10 基于应变的成型极限图
图11 基于应力的成型极限图
四、仿真结果分析
仿真结束后，可以对该冲压件的成型性进行分析。

4.1、成型极限图FLD
成型极限图FLD （Forming Limited Diagram ）是冲压成型性能发展过程中的较新成果，用来预测板料成型，其两个数据轴分别代表主应变和次应变，连接材料发生颈缩或者断裂时对应的应变状态所得的点，就是成型极限图。

成型极限图主要有基于应变的成型极限图和基于应力的成型极限图，用的较多的是基于应变的成型极限图，但是对于有些冲压件来说，其成型过程处于基于应变成型极限图安全区内，但是可能超过基于应力成型极限图之外，所以，对于一些复杂的冲压件，有必要对其进行应力成型极限图和应变成型极限图。

此次仿真基于应变的成型极限图如图10所示。

从图中可以看出，大部分成型处于极限图安全区内，一小部分厚度比较小，有破裂的危险，另有一小部分厚度较大，有起皱危险，需要进一步找到这些危险存在的地方，查明区域大小，进行进一步分析。

进 基于应力的成型极限图如图11所示，从该图中可以看出，成型过程都在曲
线以内，故成型安全。

4.2、FLD分布图
FLD分布图可以直观的显示出可能发生各个成型情况分布的区域，如安全区、起皱区、破裂区等。

图12为此次仿真的FLD分布图，从该图可以看出，此次仿真冲压件模型上大部分呈绿色即安全状态，证明此次冲压大部分是安全的；一小部分处于灰白色区域即拉伸不足区；更小部分处于蓝色区域即压应力起始区，代表在这部分存在压应力；极小部分处于材料增厚区，代表材料厚度增加，有起皱趋势，但是这部分区域相对较小，只占发动机罩内板上极小一部分，并且观察冲压件成型过程，并无起皱现象发生，所以可以认为此次冲压件成型不存在起皱现象；另外有小部分区域呈黄色状态即过度变薄区，代表在这个区域内冲压件厚度变薄，但是在可接受范围内。

综上所述，此次发动机罩内板成型安全，虽有一些小瑕疵，但是都在可接受范围内。

图12 FLD分布图
4.3、厚度分布图
图13为此次仿真的厚度分布图，从图中可以看出，成型后大部分区域厚度
在1mm左右，在AUTOFORM中测量，最大厚度为1.08mm，最小厚度为0.86 mm，在可接受范围内，故认为此次仿真冲压件厚度分布均匀，满足成型性要求。

由以上分析可以得出，该发动机罩内板在冲压过程中无起皱、开裂等重大缺陷产生，故可认为其成型性良好。

五、结论
本报告对仿真软件AUTOFORM进行了简单介绍，以前面设计出的发动机罩内板为例，详细介绍了运用AUTOFORM进行冲压件仿真的方法和流程，对一些重要的仿真参数进行了详细介绍，并对仿真结果进行分析，主要有FLD成型极限图和厚度分析等方法，得出分析结果为此冲压件成型性良好。