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·

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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）03－0041－04

Forming analysis for automobile covering panel based on dynaform

XIE 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

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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