基于Dynaform的覆盖件冲压成形性工艺分析

机械 2008年第3期 总第35卷 机械制造技术 ·41·———————————————收稿日期：2007－12－24 作者简介：谢斌斌（1986－），男，浙江温岭人，硕士研究生，主要研究方向为数字化设计制造。

基于Dynaform 的覆盖件 冲压成形性工艺分析谢斌斌，丁国富，黎荣（西南交通大学 先进设计与制造技术研究所，四川 成都 610031）摘要：覆盖件成形难点在于工件数模复杂，工艺性难以确定。

而采用计算机数值模拟技术有效地调整工艺方案，可以获得较合理的成形结果。

论文基于Dynaform 研究数值模拟技术在模具工艺设计中的应用及相关技术问题，对较为复杂的覆盖件成形进行仿真分析，通过实例进行阐述，设计出一整套完整的覆盖件模具，为模具数字化设计与制造提供了思路。

关键词：覆盖件；冲压成形；Dynaform ；数值模拟；网格划分中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1006－0316（2008）03－0041－04Forming analysis for automobile covering panel based on dynaformXIE Bin-bin ，DING Guo-fu ，LI Rong（Institute of Advanced Designing and Manufacturing ，Southwest Jiaotong University ，Chengdu 610031，China ） Abstract ：The difficulty of automobile covering panel forming is that the model surface is complex and the process is hard to determine. But it is capable to get high quality of forming panel with the help of computer using numerical simulation to adjust process. The application of numerical simulation in die designing and some key problem in Dynaform are researched in the paper ，and an example of a complex covering panel is presented. The forming of it is simulated and analyzed by using Dynaform. And then the die of the covering of panel is designed. The paper supplies an instruction of digital designing and manufacturing of dies.Key words ：automobile covering panel ；stamping forming ；dynaform ；numerical simulation ；meshing汽车覆盖件与一般冲压件相比，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求高、曲面多为空间曲面、配合协调高等特点。

因此工艺很复杂，设计周期长。

近年来，随着计算机技术的发展，越来越多的覆盖件模具设计开始采用CAD/CAM 技术，大大提高了模具设计的效率。

但是在整个模具开发过程中，工艺参数的选择仍是按经验来决定的，从而在完成模具设计中需要不断的试模、修模[1]。

板料数值模拟技术及分析软件，就是对成形过程进行仿真模拟，通过对仿真模型的分析，判断工件早期制造的工艺性，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。

另外还可择优选择材料，并对各种成形参数进行优化，提高产品质量。

这样不仅弥补了应用工艺资料方面的不足，还可通过虚拟冲压模拟，提高工艺人员的设计经验[2]。

尽管材料成型数值分析得到了研究，但在应用中还存在诸多问题，本文试图在探索模具数字化设计与制造的基础上详细研究Dynaform 在模具成型工艺设计过程中的技术问题及求解思路。

1 冲压成形的数字化设计与制造过程模具的数字化设计制造就是通过逆向工程技术将零件模型转化为数字模型，运用三维设计软件设计模具的结构，并通过有限元分析软件对成形过程进行仿真模拟，从而改进模具结构，然后利用计算机辅助制造（CAM ）在数控系统上加工模具[3]。

如图1为数字化设计与制造的一般流程。

其中，点云数据的获取可以通过诸如三坐标测·42· 机械制造技术 机械 2008年第3期 总第35卷量机等接触式测量和非接触式测量仪获得。

在这些数据在进行曲面反求前，还需要进行精简冗余数据和数据分块等预处理。

然后运用反求软件（Imageware 、Surfacer 等）建立曲面模型。

完成曲面反求后，运用三维设计软件（如UG 、PRO/E 、CATIA 等），初步设计工艺补充面、压边面等，并转换成IGES 格式导入DYNAFORM 中进行数值模拟。

参照模拟结果确定的工艺参数设计模具结构。

最后在数控系统上加工模具表面。

图1 模具数字化设计与制造过程2 基于DYNAFORM 的数值模拟技术冲压变形过程就是金属板料在冲压力的作用下，其应力超过屈服极限而产生塑性变形，从而获得一定形状和尺寸要求的制件。

在数值模拟过程中，模具、板料等各部件模型被离散化，分为有限个单元，单元用节点连接，单元之间的作用由节点传递，并根据弹塑性及相关理论建立物理方程，通过计算机按照特定算法，求解出各单元成形后的应力及应变等状态，然后建立计算结果的仿真模型，反映板料在成形后的拉裂、起皱等现象及应力应变等情况。

在DYNAFORM 的实际应用中，计算结果的仿真模型是确定合理的工艺参数，指导模具设计的依据。

因此，计算结果的准确性是数值模拟技术的首要问题。

而计算结果的准确性主要是由有限元模型的准确性决定的。

有限元建模过程包括选择适当的网格单元对几何模型进行离散化，以获得有限元网格模型；以合理的方式获得仿真分析中准确的材料参数、摩擦润滑参数、工艺条件和各种约束条件等，建立一个可直接用于仿真计算的完整有限元模型[4]。

其中，有限元网格质量是决定计算效率和计算精度的主要因素。

网格单元小则结果精确， 但单元数目越多计算量越大， 浪费计算时间；网格尺寸大则计算量小，但误差较大，不能真实反映模型特征。

根据模具与板料在数值模拟中的不同特点，网格划分原则分为如下两种：（1）在冲压成型的仿真模拟过程中，由于模具变形量很小，因此模具被视为刚体。

在显示算法中，这些单元都不参与运算，也不保存其历史信息。

因此模具单元的大小不会影响求解运算的时间[5]。

另一方面，模具表面比较复杂，曲面较多，如果网格单元尺寸过大，则网格模型无法表现模具的表面特征，造成与实际生产中的误差，如图2。

因此在实际应用中，应将模具的网格尺寸设置的小一点，要充分表现零件的几何形状， 例如在模具圆角处至少要有3～5个网格单元过渡[6]。

图2 网格模型与模具圆角不匹配（2）在成型过程中，板料要经历弹性变形和塑性变形过程，因此被视为弹塑性模型。

板料单元尺寸越小，结果误差越小，使板料完全成形后对模具有理想的贴模性。

然而板料网格单元是参与运算的主体，是影响数值计算时间的主要因素。

由于有限元控制方程的中心差分算法解的稳定条件为：cr t t l ∆≤∆= （1）式中：ρ为材料密度；E 为材料杨氏弹性模量；Δt 为时间步长；Δt cr 为临界时间步长。

由式（1）可知，板料网格尺寸增大n 倍，则临界时间步长增大n 倍，相应地计算时间缩短n 倍。

而且过小的临界时间步长将导致稳定条件的不成立，使求解运算无法进行。

因此在实际应用中，板料网格尺寸的大小应在满足精度要求的前提下尽量大，并尽可能采用自适应网格划分[7]。

3 基于DYNAFORM 的数值模拟技术实例针对DYNAFORM 成形分析，相关的模具工艺模具网格参数主要有压边力、拉延筋和冲压方向。

下面以一个覆盖件冲压成形的有限元仿真分析为例，如图3，研究Dynaform 在模具成型工艺设计过程中的应用过程和解题思路。

（1）分析该零件工艺性。

如图3所示，零件曲面形状复杂，一小部分曲率变化较急，但零件大部分表面平坦，拉深深度较小。

故此零件的拉深工艺性较好。

（2）划分网格。

网格的划分应该正确反映结构的受力和变形情况，粗细稠密选择要适当，网格划分完后，需要对网格进行检查，并对有缺陷的网格进行修补。

如图4为凹模和板料的网格模型。

图3 覆盖件的3D 模型图4 凹模和板料的网格模型（3）冲压方向的选择。

冲压方向的选择一般根据用户的经验决定，也可以参考TIPPING 命令中的最小拉伸深度和最小过切来调节冲压方向，或者运用Auto-Tipping 命令自动调整方向。

（4）工艺参数的选择。

冲压方向的选择可按照DYNAFORM 中Auto-Tipping 命令自动调整方向。

先不布置拉延筋，可等第一次分析后，根据模拟结果，决定是否需要加拉延筋，拉延筋的位置和尺寸参数。

压边力的设置可按照式（2）计算。

Q F Ap =（2）式中：A 为在压边圈下的毛坯投影面积；P 为单位压边力，MPa 。

（5）分析模型的建立。

将各单元集分别定义为凹凸模、板料和压边圈。

设置好模具、板料和压边圈之间的相对位置，并定义它们之间的接触类型、参数和运动曲线，设置必要的工艺参数。

板料厚度为1.5 mm 。

材料选用材料库中的material type36，材质为08F 钢，其弹性模量E =2.07×105 MPa ，泊松比为μ=0.28，屈服应力σs =648 MPa ，Lankford 系数r 0=1.87，r 45=1.27，r 90=2.17，硬化指数n =0.22。

压边力为F Q =A p =279348 N 。

（6）运算求解。

DYNAFORM 携带的求解器 LS-DYNA 可自动进行计算，不需要用户的干预。

如果发现计算过程中长时间停滞不前，则需要强制中止程序。

然后，分析程序产生的相关文件，确定问题所在，重新计算。

（7）分析计算结果。

计算正常结束后，生成一个d3plot 文件和dynain 文件。

利用EtaPost 读取d3plot 文件进行后处理，可以观察部件运动情况，分析拉裂和起皱的情况，检查危险部位。

图5为数值模拟结果的FLD 图。

图5 第一次模拟结果的FLD 图如图5所示，板料成形结果质量较好，零件没有出现破裂，但在1和2区域起皱明显。