汽车冲压件成形过程中的应用研究

板料成形是一个具有几何非线性、材料非线性、 边界条件非线性等多重非线性的非常复杂的力学过 程 . 由于影响成形过程的因素很多, 因此人们不能精 确控制材料的流动 . 成形过程中会产生各种各样的 缺陷, 其中最主要的有起皱和破裂, 不仅影响零件的 几何精度, 还对零件的表面质量和力学性能有很大 影响 . 在预防成形缺陷的研究中, 通常采用实验和理 收稿日期: 2 以y7 一03 一16 ‘金项目: 黑龙江省科技攻关项目 作衡简介: 安爱民( 198 0 一) , 男, 哈尔滨理工大学砚士研究生 . 论研究相结合的方法 . 但是对于板料成形过程, 特别 是汽车冲压件成形过程而言, 以上方法存在明显的 局限性川 . 近年来, 随着数值分析技术、塑性成形理 论、 冲压技术和计算机技术的不断发展完善, 为分析 板料成形过程的成形缺陷问题提供了一种崭新而有 效的方法, 世界各大汽车公司在汽车冲压件开发过 程中已将成形数值模拟作为必要的环节, 已开发出 哈尔滨理工大学学报第12 卷 许多比较成熟的专用商业化软件 . 而国内在此项研 究方面相对落后, 因此, 本文应用在冲压成形分析技 术上占有主导地位的比一DYN A 软件, 对复杂的汽 车冲压件进行了数值模拟的应用研究 . 能, 它包括丰富的材料模型和单元模型 , 用户可以根 据实际冲压的材料选择合适的材料模型和单元 模型[sJ . 1 数值模拟的基本算法 各种板料成形数值模拟软件就算法而言主要有 静力隐式算法和动力显式算法 . 两种算法既有优点 也有缺点 , 静力隐式算法的最大优点是具有无条件 稳定性, 即时间步长可以无限大, 并且在分析较为 简单的二维问题时, 在计算精度和时间方面均优于 显式算法, 但在实际工程中, 冲压件成形大多为复杂 的三维问题, 静力隐式算法在解决这些间题时 , 具有 不易收教、计算t 大、求解困难、效率低等缺点 . 动力显式算法在求解板材成形问题时, 没有迭 代计算和收敛性间题, 也不需要求解非线性联立方 程组 . 它和隐式算法在材料模型的本构方程、单元类 型的选择方面是相同的 . 而且, 动力显式算法基于动 态平衡方程, 为了保证算法的稳定性, 对时间域一般 采用中心差分法进行离散 , 建立显式的有限元方程, 不孺迭代求解, 采用中心差分法, 选择的时间步长必 须满足条件:

2 数值模拟实例分析 图l 零件为汽车后地板前角封板, 长度约为 5 20 ~ , 尾部与前端高度相差102 ~ , 为左右对称 件, 零件厚度1. 5~ , 型面比较复杂, 局部高度差变 化剧烈, 板料厚度较大, 因此, 成形比较困难, 根据零 件形状, 考虑模具的成本等多种因素, 制定了拉延 修边冲孔剖切冲孔翻边整形等四道工序 , 在本文中 只讨论拉延工序, 因为最终零件的质盆如何, 关键在 第一步的拉延工序 其中: 山为时间步长; 山。为临界时间步长。 为系 统的最高回周频率[z] . 在实际生产中, 汽车冲压件 板材的冲压过程是一个瞬态冲击的过程, 变形时间 短而变形t 很大, 动力显式算法非常适合解决此类 间恶 动力显式算法的缺点是时间步长不能超过系统 的临界时间步长, 因此给某些问题的计算, 如卸载后 的回弹间题带来困难 . 在计算工件的回弹量时, 显式 算法播要很大的计算工作t 因此, 将静力隐式和动 力显式结合可以解决以上两种算法存在的缺点 . 巧一D Y NA 软件就采用了显式和隐式相结合的 算法, 从理论和算法而言, 它采用动力显式求解器模 拟冲压成形过程, 计算稳定, 效率高, 无收敛问题, 可 以解决大规棋动力非线性问题, 广泛用于成形过程 模拟, 如: 冲压、液压等方面 . 同时近几年来加强了隐 式算法的开发, 并且实现了显、隐式无缝集成的功 圈1 后地板前角封板傲学棋型

2 . 1 数值模拟过程的物理描述 在数值模拟成形分析中, 凸模、凹模和压边圈在 冲压过程中的变形量很小, 因此可以作为刚体处理, 对于本例中的单动拉延, 凹模在上部, 凸模在下部, 工作时凹模下行, 和压料面接触后 , 压住毛坯一起向 下运动, 直到凸凹模充分闭合, 整个过程中凸模处于 静止状态 . 压边通过给定凹模与压边圈的间隙来实 现 . 在模具各部件( 通常是凸模、凹模和压料板) 的 共同作用下, 板料作为变形体板料发生大变形, 板料 成形的变形能来自强迫模具部件运动外功, 而能盆 的传递完全靠模具与板料的接触和康擦 . 由此可见, 对于成形过程的模拟, 软件的接触( con ta ct ) 算法的 理论和精度决定程序的可靠性, 除此之外, 由于板料 的位移和变形很大, 用来模拟板料的单元类型应满 足这一要求 . 由于该零件为左右对称件, 因此, 为了 提高板料的利用率, 在拉延工序中, 将两个零件旋转 一定角度做成一个整体, 在以后的工序中将其剖切 分离, 零件的数学模型在U G 软件中建立, 把此数学 模型转换成IG Es 格式文件导人到Ls 一DYN A 软件 中, 并定义为凹模, 之后从凹模中分离出压边圈以及 凸模等, 建立的数值模拟有限元模型如图2 所示 . 第5 期安爱民等: LS 一DYN A 在汽车冲压件成形过程中的应用研究 板料 压边圈 圈2 数值模拟有限元模型

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2 . 2 材料模型的选择 由于汽车覆盖件具有结构尺寸大、形状复杂 、 冲 压质量要求高等特点, 这些特点都对成形性能提出 了很高的要求, 而如果材料的成形性能差, 就不能生 产出合格的冲压件 . 因此, 在数值模拟过程中, 采用 能够准确模拟汽车覆盖件材料力学性能的材料模 型, 才能保证数值模拟结果的可靠性 , LS 一DYN A 中 提供了幕指数塑性材料模型、分段线形材料模型以 及厚向异性弹塑性材料模型等, 由于在板料冲压成 形中 . , 厚向异性对冲压成形的影响很大 . 因此, 本文 中采用37 号材料模型即厚向异性弹塑性材料模型 , 该模型采用Hi u 屈服准则〔4 〕, 因此称为Hm 厚向异 性材料模型, 其模型的本构方程为 是和材 料屈服性能有关的各向异性常数 . 该模型考虑了厚向异性对材料屈服面的影响, 既可以利用线性硬化塑性应力应变关系作为材料的 硬化模型 , 又可以利用适合于厚向异性系数大于1 的板料的冲压成形分析 . 因此, 应用HI U. 厚向异性 材料模型, 可以准确模拟和预测起皱和破裂现象的 发生川 . 2 . 3 单元公式的选择 在汽车冲压件成形时, 板料有可能产生大位移、 大转动和大变形, 因此对板料单元公式的选择就显 得很重要 . 目前常用的单元公式有Hu gh es 一U u( 简 称H L) 薄壳单元和Be ly ts ch ko 一Ts ay ( 简称BT ) 薄壳 单元, H L 壳单元公式比较复杂, 而且计算t 很大, 在求解复杂冲压件成形时需花费较长的时间, 而BT 壳单元是对H L 壳单元计算效率的一种修正, 它采 用基于随动坐标系的应力计算方法, 采用单点积分, 使得计算过程相当简单, 有很高的计算效率, 目前成 为显式有限元分析最有效的单元 . 2 . 4 接触类型的选择 比一DYN A 提供约4 0 种接触方式, 本文采用 FO R MIN G _ O N E _ WA Y 二SU R FA CE _ T O _ S UR F AC E ( 成形单向面到面) 这种接触能计算模具的曲率信 息, 还可用于网格自适应划分, 坯料和模具表面之间 的摩擦润滑状况是油膜厚度、模具和板料粗糙度、模 具几何轮廓、压力、滑动速度等因素相互作用的复杂 动态效应 . 本例中罚函数刚度因子S巧FA C 参数取 0 . 01 , 检查结果在高压力区或小半径区是否有明显 的穿透, 若有则增加该因子的大小( 10 倍的方式) . 2 . 5 本擦力的处理 在板料成形中, 摩擦力不仅影响冲压过程中成 形力的大小和能量消耗, 还直接影响板料的成形性 能和零件的表面质量, 板料成形数值模拟中通常采 用理想化的经典库仑摩擦模型来计算摩擦力, 但经 典库仑摩擦模型的纯粘附状态的假设与实际情况不 大相符, 为了克服经典库仑摩擦模型的不足 , 以及考 虑到摩擦力与相对滑动速度之间的关系, 提高有限 元计算的稳定性, 在璐一DYN A 软件中, 采用修正 的库仑摩擦模型[6] , 本例的静态摩擦系数为0 . 12 5 , 粘性摩擦系数和动态摩擦系数都取为0 . 3 冲压模拟结果分析 3 . 1 冲压成形极限图《F L D ) 分析 冲压成形极限图( FL D ) 是判断和评定板料成形 性能的最为简单和直观的方法, 是解决板料成形问 题的一个有效的工具, 对于预测板坯的起皱和破裂 起着十分重要作用, 以下是后地板前角封板的F LD 图, 如图3 所示 . 呱妙一 变形不充分区 00 On40 口旧S才崖万台 刁.5 Mi 圈3 成形极( F L D )圈 根据成形极限图, 可以直观地看出有很小的域 处于危险区域, 在边缘法兰区域起皱, 起皱域不在零 件内部, 在后序中可以将其切掉, 所以不影响零件的 使用; 零件上部存在变形不充分区域, 这可以通过增 大压边力来改善, 另外可以增大凹模圆角, 减小板料 哈尔滨理工大学学报第12 卷 成形的阻力, 本例康擦系数取0 . 125 , 在实际生产当 中, 可以适当改善润滑条件, 使成形效果更好[,] . 蕊2 厚度圈《n 血匕岭. ) 分析 根据厚度分析图4 可以着到, 右边柱状图上部 分区城厚度约为0 . 340 ~ , 表明此处实际变薄了 1. 16 , 变薄率为7 务, 这与F L D 图中显示的区域一 致; 在厚度图中标出的最大厚度处约为1. 7 价, 增厚 0 . 2 0 7 , 增厚率为13 . 8 % , 一般认为在成形部分增厚 不超过l % , 减薄不超过30 % , 都是可以接受的 . 通 过分析可知, 在本例厚度图所示位! 处, 无论是增厚 率还是减薄率都超过了要求, 但是面积较小, 对于减 薄区城 , 可以适当加大拉深筋的圆角半径和凹模的 圆角半径, 对于增厚区域, 可以研修模具, 调整拉深 间隙, 使间隙变得均匀 . 经过现场实际调试加工, 拉 延出的零件 , 如图5 所示 . 4 结语 通过数值模拟分析得到的F LD 图可以比较直 观地分析在冲压成形后板料的状态, 出现起皱和拉 裂缺陷的区域 , 为模具的设计及工艺方案的确定提 供了依据 . 板料厚度图直观地显示出冲压后板料的 厚度变化, 为模具的调试过程提供了参考, 使工人在 研修模具时能有的放矢 . 综上, 对汽车冲压件加工前进行成形过程数值 模拟预分析, 为模具设计提供了理论依据, 提高模具 设计效率和质量, 减少设计缺陷, 同时, 降低了试模 成本, 缩短了模具制造周期 . 因此, 对于模具制造行 业, 起着重要的作用。