CAE技术在汽车覆盖件模具设计中的研究与应用

CAD/CAE/CAPP/CAM现代制造工程2009年第10期
CAE技术在汽车覆盖件模具设计中的研究与应用
刘细芬1,黄华艳2
(1广西工学院机械工程系,柳州545006;2柳州六合方盛机械有限公司,柳州545006)
摘要:简要介绍板料成形CAE技术的发展概况,阐述有限元模拟分析软件AUT OF OR M的特点和功能。

以某汽车覆盖件为例,利用AUT OF OR M软件实现汽车覆盖件的模具设计,包括模具压料面、工艺补充面以及拉延筋设计,对覆盖件的成形过程进行模拟和分析,为完善模面设计方案提供依据。

数值模拟技术的应用改变了传统的在有限元模拟后依靠C AD 软件频繁进行模具修改的方法,在有限元软件内部实现了模具的参数化设计,既缩短了模具设计时间,又提高了模具设计的可靠性。

关键词:计算机辅助工程(CAE);覆盖件;模具设计;板料成形数值模拟
中图分类号:TP39117　文献标识码:A　文章编号:1671—3133(2009)10—0045—05
Study and appli ca ti on of d i e CAE technology to d i e desi gn
for the autom ob ile body panel
L IU Xi2fen1,HUANG Hua2yan2
(1Guangxi University of Technol ogy,L iuzhou545006,Guangxi,CHN;
2L iuzhou L iuhefangsheng Machine Co.L td.,L iuzhou545006,Guangxi,CHN) Abstract:The general situati on of the CAE technol ogy for sheetmetal f or m ing and finite ele ment si m ulati on s oft w are AUT OF OR M with features and functi ons are intr oduced.Taking the aut omobile body panel as an exa mp le,the design of the dies f or the aut omo2 bile body panel,including the design of the binder surface,addendu m surface and dra wbead,and the si m ulati ons of the for m ing p r ocess of the aut omobile body panel are i m p le mented with the s oft w are AUT OF OR M,which p r oviding the f oundati on of the op ti2 mal scheme for die design.CAE technol ogy changs the traditi onal method that needs frequent modificati on of the dies with a C AD s oft w are after finite ele ment si m ulati on.Para meterized design of the die is realized in the finite ele ment s oft w are,which shortens the die designi m g ti m e and increases the reliability of the design.
Key words:CAE;aut omobile body panel;die design;sheet metal f or m ing si m ulati on
0　引言
汽车覆盖件具有结构尺寸大、形状复杂、材料薄及精度高等特点,从产品设计、工艺分析及确定、模具设计、制造、调试到最终的生产都相当复杂。

通常覆盖件大都采用薄板冲压而成,而模具制造周期影响汽车的制造成本以及新产品开发的周期,其中一个重要环节就是降低车身覆盖件模具的制造费用和减少生产周期。

冲压工艺与模具设计是薄板冲压成形技术的关键,从力学角度而言,冲压成形是一个包含几何非线性(冲压中板料产生大位移、大转动和大变形)、材料非线性(又称物理非线性,指材料在冲压中产生的弹塑性变形)和边界非线性(指模具与板料产生的接触摩擦引起的非线性关系)等问题的非常复杂的物理过程,这些非线性的综合,加上不规则的工件形状,使覆盖件的冲压工艺与模具设计成为非常复杂的工程计算问题。

传统的覆盖件冲压模具生产多是通过试模法进行逐步修改,直到满足要求为止,这种方法生产周期长,效率低,消耗大量人力和物力,而且对工人技术水平和经验要求比较高,无法解决复杂的非线性工程计算问题[1,2]。

随着非线性理论、板料成形有限元理论的完善和计算机技术的迅速发展,薄板冲压成形的计算机仿真技术日渐成熟,使零件在批量生产前,对其成形过程进行模拟成为了可能,并在制定工艺和模具设计中发挥越来越大的作用。

冲压成形有限元模拟技术已经成为覆盖件冲压工艺设计的重要辅助手段。

通过对板料变形全过程的数值模拟,判断模具设计和工艺方
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案的合理性,每次仿真模拟就相当于一次试模过程。

因此成熟的仿真模拟技术不仅可以减少试模次数,在一定条件下还可使模具和工艺设计一次合格,避免修模。

这样大大缩短了新产品开发周期,降低了开发成本,提高了产品品质和市场竞争力[3,4]。

1　板料成形模拟技术的发展和软件介绍
板料成形数值模拟研究始于20世纪60年代[528],之前主要采用试验分析的方法了解塑性成形的性能,为设计提供依据。

1967年,弹塑性有限元方法被首次提出。

在20世纪70年代中期到80年代中期,主要是建立一些简单的有限元分析模型和应用。

包括二维平面问题和轴对称问题,这阶段大多采用薄膜单元。

20世纪80年代中后期开始三维板料成形分析研究,各种板壳单元被应用于成形分析。

1973年,Kabayashi采用刚塑性有限元法模拟板料冲压成形过程。

一些国家的优秀学者在H ill有限元变形理论基础上采用La2 grange描述建立了大变形弹塑性有限元理论。

1976年,W eifi用弹塑性有限元法模拟圆形板料在半球形凸模作用下的胀形和拉延过程。

1978年,W ang和Budi2 ansky采用完全球冲头胀形及冲压成形过程,计算得到的应变分布与实验结果吻合较好。

它标志着这一领域应用研究的开始。

1980年,OH1S1I用刚塑性有限元法对成形中的拉弯进行分析。

此时,人们从简单的轴对称胀形分析开始发展到三维形状零件的拉延分析,从薄膜单元发展到一般单元和蜕化壳单元,发展了材料模型,如:刚2(粘)塑性、弹2(粘)塑性、结晶2塑性和速度敏感材料模型,从粗糙到逐步精确的接触摩擦模型,有限元显式积分算法也开始应用。

20世纪80年代,板料冲压有限元数值模拟得到迅速的发展,8O年代末开始重视软件在解决实际冲压问题上的应用能力。

如Lee等于1982年开发出一套预测板料成形成败的软件;福特汽车公司的研究人员也从1980年开始就覆盖件成形分析的弹塑性有限元法展开研究,研制了MT LFR M系统,并在实践中应用。

20世纪90年代中期以后,人们除了继续以往的研究之外,很大部分注意力转向解决实际加工中的工艺和技术问题,如多工步成形、回弹模拟、起皱模拟、压边控制、坯料形状设计、工艺设计及优化和复杂零件成形等。

目前世界各大汽车公司对板料冲压成形模拟都相当重视,欧、美和日本等发达国家在汽车主要覆盖件开发过程中100%要经过仿真检验。

很多实用的商业化模拟软件也在实践中得以应用。

通用板料成形模拟软件如:ANSYS、ABAQUAS、PRO/MECHAN I CA、MARC、ALG OR;专用板料成形模拟软件如: DY NAF ORM、DY NA23D、AUT OF OR M、ROBUST、P AM2 ST AMP等,可以直观地了解材料变形过程、材料流动、厚度变化、破裂及起皱和残余应力分布,从而进行有效的预测和优化。

本文采用AUT OF OR M软件对板料进行成形模拟分析。

AUT OF ORM软件是由AUT OF ORM工程股份有限公司专门针对汽车工业和金属成形工业中的板料成形而开发的,用于优化工艺方案和进行复杂型面的模具设计,它在工艺切口和修改凹模圆角方面有其独到优势。

特别适合于复杂的深拉延和拉深成形模的设计、冲压工艺和模面设计的验证、成形参数的优化、材料与润滑剂消耗的最小化和新板料(如拼焊板、复合板)的评估和优化[6]。

全球众多汽车制造商、汽车模具制造商和冲压件供应商都使用它来进行产品开发、工艺规划和模具研发。

AUT OF OR M的主要模块有用户界面、自动网格划分、一步成形、模面设计、增量求解、切边和液压成形,支持W indows和Unix操作系统。

AUT OF ORM对模拟结果融合了许多有效的解释。

可以实时观测计算结果;可观测应力、应变和厚度分布、材料流动状况;可计算工具应力、冲压力;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　模面设计
211　产品形状和特点
以某汽车覆盖件为研究对象,采用NX410进行三维数据模型的构建。

该零件的CAD造型如图1所示。

零件料厚115mm,外形不规则,曲面比较明显,拉延面比较深,侧面垂直平面与曲面的转角处以及垂直与侧面封闭的面形成区域链接部分,圆角半径很小,平面度要求高,零件有三个长腰孔,一个不规则孔,一个六边形孔,整个零件精度要求高。

图1　某汽车覆盖件三维图
为尽量减少可能产生的数据错误和丢失,在NX410软件中抽取出零件数据信息并以.iges格式文
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件导出,通过标准的.iges 格式数据转换接口,将几何模型读入AUT OF OR M 软件,用板壳单元对几何模型进行离散和网格划分,建立零件的有限元网格模型。

212　拉延成形模面设计
模面设计是根据冲压工艺和模具设计知识进行冲压方向确定、压料面形状确定、工艺补充面设计以及拉延筋设计和布置等,依据设计者的经验和掌握的理论知识,以获得最佳的材料流动,达到拉延出合格
拉延件的目的[9,10]。

21211　冲压方向的确定
冲压方向的确定是拉延工序设计中的重要参数。

它表示拉深件在模具中的空间位置,它不但决定能否拉延出合格的覆盖件,而且影响到工艺补充部分的多少、压料面的形状以及拉延后各个工序(如整形、修边、翻边等)的设计方案。

图2为该零件在拉延模中确定的冲压方向。

图2　冲压方向
21212　建立压料面与工艺补充部分
为了实现拉延,需要对零件进行工艺补充(即在
零件以外增加而又在后续工序中切掉的部分),工艺补充是零件成形的必不可少的手段,它不仅决定了零件能否成形(要求拉延成形时材料变形充分),又不能拉裂,导致零件的报废或因起皱而导致零件不光滑、不平整,这就要靠工艺补充来进行控制。

压料面
图3　工艺补充数模图
是工艺补充的另一部分。

建立压料面时,要保持原零件部分压料面与工艺补充部分压料面的光顺。

使材料在拉延过程中便于向凹模内流动,并防止毛坯在压料过程中就产生起皱现象。

确定的工艺补充数学模型如图3所示。

21213　建立拉延筋
如果覆盖件形状比较复杂,拉延成形难度大,在拉延模设计中,广泛采用在压料面中设置拉延筋,调节各部位的进料阻力,减少凹陷波纹等缺陷产生。

考虑到此零件形状较简单,先不设置拉延筋,待进行冲压成形有限元模拟后,若出现起皱或成形不良现象时再根据情况设置。

3　成形模拟结果与分析
该覆盖件要经过拉延、切边、翻边、整形和冲孔等工序,要求几何精度高、表面粗糙度值低。

因此在全套模具设计中拉延工序最为重要,也是难度最大的。

工艺设计不当常常会产生拉裂、起皱等缺陷,给模具调试造成较大的难度。

本文采用AUT OF ORM 仿真软
件模拟板料成形的全过程[1,11216]
,及时预测可能出现的拉裂、起皱缺陷,为完善模面设计方案或修模提供依据。

图4为建立的成形模拟几何模型。

根据所构建
的模型,并结合实际工艺参数进行成形模拟仿真。

图4　成形模拟的几何模型
1)图5为凹模与压料圈闭合时板料的形状,此阶
段成形冲压件凸缘处。

从图5中可见,板料光顺,没有
皱纹,说明压料面的形状设计合理,压料面的形状对拉延成形十分有利。

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图5　凹模与压料圈闭合时板料的形状
2)图6为拉延过程中的板料形状。

从图6可以
看出板料变形均匀,没有出现大的皱纹,没有破裂现
象发生。

通过观察拉延过程中每瞬间的状态,可判断材料的流动趋势,对确定冲压工艺参数(如毛坯的大小,拉深筋的形状和位置等)起到十分重要的作用。

图6　拉延过程中板料的形状
3)图7为拉延结束时,拉延件的成形性云图。

颜
色较深之处表示变形充分,成形性好;颜色较浅之处
表示变形不充分;而箭头所指零件凸缘两个凸角处容易发生拉裂,其他大部分区域成形性良好。

图7　拉延结束时拉延件成形性云图
4)图8为拉延件的厚度变化云图,分析每一点厚
度的变化率,即板料厚度变化值与料厚的比值。

如图
8所示修边线以内的区域变薄率小于21%,非常安全,不会破裂。

拉延件变薄率最大为2014%(在凸缘凸角处)。

由图8可以看出,零件材料厚度有变化。

而拉延模只是初成形工序,所以在制作拉延模时,为了避免或减少拉延件的拉裂(此区域厚度变薄),可以在容易拉裂的区域通过修改拉延件的数学模型,稍微放大该处的圆角半径,问题就可以解决。

5)图9为覆盖件分析结果的成形极限图(F LD )。

F LD 综合反映了板料在复杂应力状态下产生塑性失稳断裂破坏的情况。

根据有限元模拟结果显示的F LD 图,可以迅速找出破坏的区域,采取相应措施改变局部受力状态,提高其成形性能。

由图9可以看出
绝大部分的点都在曲线的下方,且有一定的距离,说明这些区域没有破裂的情况发生,处于安全变形区;但仍有少量点在曲线上方附近(靠近曲线),说明此处存在破裂可能,分析后此处为凸缘凸角处,主要原因为角部应变较大,表明在现有工艺条件下圆角半径不合理,通过修改模具结构,破裂问题可以解决。

图8　
板料厚度变化云图
图9　成形极限
4　结语
汽车覆盖件拉延成形是一复杂的塑性成形过程,应用数值模拟软件模拟拉延成形的全过程,及时预测可能出现的拉裂和起皱缺陷,为完善模面设计方案或修模提供依据,并通过仿真计算进行验证,提高了冲压工艺和模具设计质量。

在模具设计中应用CAE 技术,实际上是对模具设计方案进行评估优化的过程,不但可以缩短模具的设计制造及调试周期,还可大幅度降低模具生产成本。

因此,CAE 技术在汽车覆盖件制造及模具设计中,发挥了重要的作用。

(下转第119页)
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　设备设计/诊断维修/再制造现代制造工程2009年第10期
2)在西门子S72300P LC上完成单神经元P I D控制器的编程[8],并通过对真实液位系统的控制,实现了控制目的,达到了控制要求,有较好的实际应用价值。

3)原水箱控制系统是由智能仪表实现P I D控制。

经过改造,由P LC取代智能仪表,实现了先进控制算法的应用。

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作者简介:徐凌桦,讲师,主要研究方向:工业自动化及智能控制。

E2mail:linghuaxu@
收稿日期:2009206217
(上接第48页)
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作者简介:刘细芬,副教授,研究方向:材料成形方面的研究。

E2mail:liuxifen2000@
收稿日期:2009204216
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