車門沖壓成形過程仿真與坯料設(shè)計說明

車門沖壓成形過程仿真與坯料設(shè)計說明1導(dǎo)言1.1研究背景車身覆蓋件成形是一個復(fù)雜的變形過程，成形質(zhì)量受多種因素影響。傳統(tǒng)的沖壓工藝主要依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗來設(shè)計加工工藝和模具，然后通過試模生產(chǎn)來檢驗面板是否滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求。這種產(chǎn)品不僅設(shè)計周期長，而且耗費(fèi)大量的人力物力。隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)、圖形技術(shù)、人工智能技術(shù)、板料塑性變形理論和數(shù)值計算方法等的發(fā)展。通過與傳統(tǒng)工藝/模具設(shè)計技術(shù)的交叉融合，開創(chuàng)了利用CAD/CAM/CAPP技術(shù)和CAE數(shù)值模擬分析技術(shù)進(jìn)行覆蓋件成形工藝設(shè)計的新領(lǐng)域。近年來，隨著計算科學(xué)的快速發(fā)展和有限元技術(shù)的日益成熟應(yīng)用，模擬和分析金屬塑性變形過程中流動規(guī)律的CAE技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。CAE技術(shù)的成功應(yīng)用不僅大大縮短了模具和新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的市場競爭力，而且有助于將有限元分析與傳統(tǒng)的實(shí)驗方法相結(jié)合，從而促進(jìn)了現(xiàn)代模具制造業(yè)的快速發(fā)展。國外很多學(xué)者都做過這方面的研究[1]。傳統(tǒng)的汽車覆蓋件模具由于體積大、工作面復(fù)雜、設(shè)計周期長，已經(jīng)成為開發(fā)新車型的瓶頸。目前多采用鋼模生產(chǎn)鈑金和面板類零件，帶來了沖壓模具制造周期長、成本高、加工困難等一系列問題，尤其是在零件中小批量生產(chǎn)和新產(chǎn)品試制中，這些缺點(diǎn)更加突出。對于成熟的零件，探討了基于Dynaform的CAE技術(shù)來模擬分析汽車覆蓋件及其沖壓模具的設(shè)計過程[2]。在板料成形生產(chǎn)中，采用傳統(tǒng)工藝試制模具需要花費(fèi)太多的時間，不能適應(yīng)競爭日益激烈的現(xiàn)代市場，對成本、產(chǎn)品開發(fā)周期和產(chǎn)品質(zhì)量提出了越來越迫切的要求。在傳統(tǒng)的模具設(shè)計制造過程中，過多的時間浪費(fèi)在“設(shè)計→試制→找問題→再設(shè)計→試制→再找問題”的循環(huán)中，因此成本較高。面對現(xiàn)代市場對產(chǎn)品升級的需求，原有的方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決問題。相比之下，在模具設(shè)計過程中使用CAD/CAM/CAE技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯。雖然國內(nèi)很多企業(yè)都采用了這種技術(shù)，并獲得了一些經(jīng)驗和技巧，但真正能利用UG、Pro/E、Deform、Dynaform進(jìn)行三維參數(shù)化模具設(shè)計制造，并進(jìn)行沖壓仿真來指導(dǎo)設(shè)計的企業(yè)很少。鑒于傳統(tǒng)拉伸模型設(shè)計存在的各種問題，世界發(fā)達(dá)國家都在大力發(fā)展該技術(shù)在模具型設(shè)計中的應(yīng)用?？梢哉f，該技術(shù)的采用是提高模具制造質(zhì)量和效率，改變落后的模具設(shè)計和制造方式的關(guān)鍵。隨著非線性理論、有限元方法和計算機(jī)軟硬件的快速發(fā)展，汽車覆蓋件沖壓仿真技術(shù)逐漸從實(shí)驗室階段走向工業(yè)實(shí)用階段，成為國外發(fā)達(dá)汽車制造商縮短汽車覆蓋件開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本的利器。為了保證產(chǎn)品設(shè)計的正確性和可行性，在產(chǎn)品設(shè)計階段利用DYNAFORM軟件同時預(yù)測產(chǎn)品成型過程中可能出現(xiàn)的問題，并在設(shè)計過程中進(jìn)行修改，從而有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本。因此，開展汽車覆蓋件成形的理論和實(shí)踐研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和世界經(jīng)濟(jì)的一體化，對產(chǎn)品的要求越來越多樣化，市場競爭日益激烈。為了生存，制造商必須在市場上提供適銷對路的高質(zhì)量產(chǎn)品；同時，為了適應(yīng)瞬息萬變的市場，企業(yè)必須不斷推出新產(chǎn)品，大大縮短產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期。對于現(xiàn)代制造企業(yè)來說，要求企業(yè)在最短的時間內(nèi)完成新產(chǎn)品的設(shè)計、試制、定型和生產(chǎn)，從而與時俱進(jìn)地推向市場，在競爭中具有先發(fā)優(yōu)勢[4]。一系列有限元軟件迎合了人們的要求。通過使用有限元軟件，可以幫助工程師和設(shè)計師:①設(shè)計工具和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場試驗費(fèi)用；(2)提高工具設(shè)計效率，降低生產(chǎn)和材料成本；③縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期。DYNAFORM不同于一般的有限元程序。它是專門為金屬板成型設(shè)計的。它有一個非常友好的圖形用戶界面，可以幫助用戶方便地準(zhǔn)備數(shù)據(jù)和表格分析。這樣，工程師可以專注于過程分析，而不是學(xué)習(xí)繁瑣的計算機(jī)系統(tǒng)。DYNAFORM為大變形問題設(shè)計了全自動優(yōu)化網(wǎng)格系統(tǒng)。它是一個高度模塊化和集成化的有限元仿真系統(tǒng)，主要包括前處理器、模擬器和后處理器三個模塊。預(yù)處理器處理模具和毛坯的材料信息和幾何信息的輸入，成形條件的輸入，并建立邊界條件。它還包括一個自動有限元網(wǎng)格生成器。模擬器是集彈性、彈塑性、剛(粘)塑性和熱傳導(dǎo)于一體的有限元求解器。后處理器將仿真結(jié)果可視化，支持0PGI圖形模式，輸出用戶所需的仿真數(shù)據(jù)。DYNAFORM允許用戶操作其數(shù)據(jù)庫，修改系統(tǒng)設(shè)置，并定義他們自己的材料模型[5]。1.2成形過程模擬研究的意義在汽車門板翻邊工藝模擬試驗中，提出了通過毛坯反算確定修邊線的方法。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用表明，該方法是可行的。不同于以往確定修邊線的方法，從解析模式入手，僅從理論角度進(jìn)行分析。因為影響翻邊工藝的因素很多，包括材料的力學(xué)性能、模具與工件的摩擦力、翻邊高度等。，理論分析中很難建立能充分考慮這些影響的模型，所以只能分析一些簡單的翻邊零件。但在仿真分析中，可以很容易地綜合各種因素的影響，通過毛坯反求的方法確定翻邊零件的修邊線。整個過程由計算機(jī)模擬，可以節(jié)省大量的人力物力，對更好地指導(dǎo)切邊模具的設(shè)計，縮短模具的開發(fā)周期具有重要意義。1.3國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢“有限元”一詞最早出現(xiàn)于1965年。如今，有限元已廣泛應(yīng)用于工程中。經(jīng)過30多年的發(fā)展，理論和算法日趨完善。有限元法的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，即把實(shí)際結(jié)構(gòu)假想離散成有限個規(guī)則的單元集合體。可以對實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)進(jìn)行分析，得到滿足工程精度的近似結(jié)果，而不用對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以解決許多實(shí)際工程中需要解決而理論分析無法解決的復(fù)雜問題，。早在20世紀(jì)60年代初，全球就開始投入大量的人力物力開發(fā)有限元分析程序，但真正的CAE軟件誕生于70年代初，近15年一直是CAE軟件商業(yè)化的發(fā)展階段。為了滿足市場需求，適應(yīng)計算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，CAE開發(fā)商在大力推廣其軟件產(chǎn)品的同時，對其軟件的功能、性能、用戶界面和前后處理能力進(jìn)行了極大的改進(jìn)和擴(kuò)展。這使得市面上知名的CAE軟件在功能、性能、易用性、可靠性以及對運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性等方面基本滿足了用戶當(dāng)前的需求，從而幫助用戶解決了成千上萬的實(shí)際工程問題，為科技發(fā)展和工程應(yīng)用做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。目前流行的CAE軟件主要有DYNAFORM、NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。由于與美國航天局的特殊關(guān)系，MSC-NASTRAN軟件公司在航空航天領(lǐng)域具有很高的地位。MSC-NASTRAN軟件在最早主要用于航空航天的線性有限元分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，合并了PDA公司的PATRAN，在DYNA3D的基礎(chǔ)上組織開發(fā)了DYTRAN，專門研究沖擊和接觸。最近，非線性分析軟件MARC被合并成為世界上最大的有限元分析系統(tǒng)。ANSYS軟件致力于耦合場的分析計算，可以計算結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁四個場，贏得了全球成千上萬用戶的青睞。ADINA非線性有限元分析軟件是在著名的有限元專家麻省理工學(xué)院的K.J.Bathe教授[8]的領(lǐng)導(dǎo)下開發(fā)的，其單一系統(tǒng)可用于計算結(jié)構(gòu)、流體和熱的耦合。同時，它具有隱式和顯式時間積分算法。因其在非線性求解和流固耦合分析方面的強(qiáng)大功能，迅速成為有限元分析軟件的后起之秀，現(xiàn)已成為非線性分析計算的首選軟件。Dynaform軟件是比較成功的一個。它將LS-DYNA和LS-NIKE3D的強(qiáng)大分析功能與eta/FEMB的前后處理功能相結(jié)合。通過該軟件的數(shù)值模擬，可以全面了解板料在變形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布，并預(yù)測各種成形缺陷。縱觀當(dāng)今世界CAE軟件的發(fā)展，可以看到有限元分析方法的一些發(fā)展趨勢:與CAD軟件的無縫集成，更強(qiáng)的網(wǎng)格處理能力，從求解線性問題到求解非線性問題，從求解單一結(jié)構(gòu)場問題到求解耦合場問題，以及程序?qū)τ脩舻拈_放性。1.3.1與CAD軟件的無縫集成現(xiàn)在有限元分析軟件的一個發(fā)展趨勢是與通用CAD軟件集成，即在用CAD軟件完成零部件的造型設(shè)計后，可以直接將模型轉(zhuǎn)移到CAE軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格生成和分析計算。如果分析結(jié)果不符合設(shè)計要求，將重新進(jìn)行設(shè)計分析，直到滿意為止，從而大大提高設(shè)計水平和效率。為了滿足工程師快速解決復(fù)雜工程問題的要求，許多商用有限元分析軟件都開發(fā)了與著名CAD軟件(如Pro/ENGINEER、Epigraphic、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley、AutoCAD等)的接口。).一些CAE軟件采用CAD建模技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)與CAD軟件的無縫集成。比如ADINA軟件就因為采用了基于Para-solid的實(shí)體建模技術(shù)，所以可以與以para-solid為核心的CAD軟件(如Epigraphic、Solid-Edge、Solid-Works)實(shí)現(xiàn)真正的無縫雙向數(shù)據(jù)交換。1.3.2更強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力有限元法解決問題的基本過程主要包括三個部分:分析對象的離散化、有限元求解和計算結(jié)果的后處理。由于離散結(jié)構(gòu)后網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響求解時間和求解結(jié)果的正確性，近年來，各軟件開發(fā)商都加大了對網(wǎng)格處理的投入，大大提高了網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率，但也有一些方面沒有得到改善，如三維實(shí)體模型的六面體網(wǎng)格自動生成和根據(jù)求解結(jié)果對模型的自適應(yīng)網(wǎng)格生成。除了一些商業(yè)軟件，大部分分析軟件仍然不具備這一功能。六面體網(wǎng)格自動生成是指通過三維實(shí)體模型程序自動生成六面體網(wǎng)格單元?，F(xiàn)在大多數(shù)軟件都可以通過映射、拖動、掃掠等功能生成六面體網(wǎng)格單元，但這些功能只能應(yīng)用于簡單的規(guī)則模型，而對于復(fù)雜的3D模型，四面體網(wǎng)格自動生成只能用于生成四面體單元。對于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點(diǎn)，在很多問題中會產(chǎn)生不正確的結(jié)果。如果使用中間節(jié)點(diǎn)，會引起求解時間、收斂速度等一系列問題。因此，人們迫切希望自動六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。自適應(yīng)網(wǎng)格生成是指在已有網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元計算結(jié)果，估計計算誤差，重新劃分網(wǎng)格，重新計算的循環(huán)過程。對于許多實(shí)際工程問題，在整個求解過程中，模型的某些區(qū)域會產(chǎn)生很大的應(yīng)變，從而引起單元的畸變，導(dǎo)致求解失敗或結(jié)果不正確。所以需要自動重新網(wǎng)格化。自適應(yīng)網(wǎng)格常常是裂紋擴(kuò)展和板料成形等許多工程問題的大應(yīng)變分析的必要條件。1.3.3從解決線性問題到解決非線性問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)不能滿足設(shè)計要求。許多工程問題，如材料的損傷和失效、裂紋擴(kuò)展等。，不能單靠線性理論來解決，必須用非線性分析來解決。比如板材成形，要求同時考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變(幾何非線性)和塑性(材料非線性)。在分析塑料、橡膠、陶瓷、混凝土、巖土或考慮材料的塑性和蠕變效應(yīng)時，必須考慮材料的非線性。眾所周知，非線性問題的求解是非常復(fù)雜的。它不僅涉及到很多專業(yè)的數(shù)學(xué)問題，還需要一定的理論知識和解題技巧，學(xué)習(xí)難度較大。因此，國外一些公司花費(fèi)了大量的人力物力開發(fā)非線性求解和分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點(diǎn)是擁有高效的非線性求解器，豐富實(shí)用的非線性素材庫，ADINA同時擁有隱式和顯式的時間積分方法。1.3.4從單結(jié)構(gòu)場的解到耦合場問題的解。有限元分析方法最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用于解決線性結(jié)構(gòu)問題。實(shí)踐證明，這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上證明了只要用來求解離散對象的單元足夠小，得到的解就可以接近精確值。目前，用于求解結(jié)構(gòu)線性問題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動力學(xué)和耦合場問題的求解。比如金屬成形中摩擦接觸引起的熱問題和塑性功引起的熱問題，都需要通過結(jié)構(gòu)場和溫度場有限元分析結(jié)果的交叉迭代來解決，即熱力耦合問題。當(dāng)流體在彎管中流動時，流體的壓力會使彎管變形，而管道的變形又會反過來影響流體的流動...需要對結(jié)構(gòu)場和流場的有限元分析結(jié)果進(jìn)行交叉迭代，也就是所謂的“流固耦合”問題。隨著有限元的應(yīng)用越來越深入，人們關(guān)注的問題越來越復(fù)雜，耦合場的求解必將成為CAE軟件的發(fā)展方向。1.3.5程序?qū)τ脩舻拈_放性隨著商業(yè)化程度的提高，為了擴(kuò)大自己的市場份額，滿足用戶的需求，各種軟件開發(fā)商在軟件功能和可用性上花費(fèi)了大量的投資。然而，由于用戶的要求千差萬別，無論他們?nèi)绾闻?，都無法滿足所有用戶的要求。因此，必須給用戶一個開放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對軟件進(jìn)行擴(kuò)展，包括用戶自定義的單元特性、用戶自定義的材料本構(gòu)模型(結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型、熱本構(gòu)模型、流體模型)重視有限元的理論發(fā)展，采用最先進(jìn)的算法技術(shù)，擴(kuò)展軟件的能力，提高軟件性能以滿足用戶日益增長的需求，是CAE軟件開發(fā)商的主要目標(biāo)，也是其產(chǎn)品不斷占領(lǐng)市場、生存發(fā)展的根本途徑[8]。1.4研究能力、方法和手段本課題的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:1.利用有限元軟件DYNAFORM模擬沖壓過程，選擇合適的材料。2.使用DYNAFORM的BSE模塊精確計算毛坯的外形尺寸。3.分析車門外板沖壓過程中可能出現(xiàn)的局部減薄、開裂、增厚、起皺等現(xiàn)象。通過預(yù)測，可以有效提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，降低單件生產(chǎn)成本。本文采用DYNAFORM軟件模擬車門沖壓過程，因為DYNAFORM對用戶的工程背景和理論知識要求不高，具有界面友好方便、操作過程自動化的特點(diǎn)。圖1.1是利用DYNAFORM進(jìn)行車門沖壓仿真分析的方法和過程。從PRO/E軟件讀入幾何模型(IGES)↓有限元網(wǎng)格劃分和模型檢查(M0dd檢查)↓定義成型工具↓生成空白↓設(shè)置成型參數(shù)↓求解器計算↓后處理，分析計算結(jié)果，得到布局、應(yīng)力應(yīng)變和厚度云圖。圖1.1DynaForm軟件車門外板成形分析流程圖板料成形有限元模擬的基本理論和方法2.1引言有限元法是隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種有效的離散數(shù)值計算方法[10]。目前已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，從力學(xué)到電磁學(xué)、熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)、材料科學(xué)。板料塑性成形是利用板料在固態(tài)下的塑性，通過模具在外力的作用下制造零件的一種加工方法。與切割等方法相比，板料塑性成形不僅生產(chǎn)效率更高，而且可以獲得更高的材料利用率。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法正顯示出巨大的優(yōu)越性。為分析板料成形過程中的成形缺陷提供了一種新的有效方法。2.2板料成形有限元模擬的基本方法數(shù)值模擬方法是基于塑性成形過程的力學(xué)分析。目前塑性成形的工藝分析方法可分為兩大類:一類是近似解析計算方法，包括主應(yīng)力法、滑移線法、邊界法、功平衡法等。這種方法一般用于計算成形過程中所需的力和能量。它的優(yōu)點(diǎn)是簡單可行，可以得到問題的解析解，但只適用于簡單的成形問題。另一種數(shù)值成形方法包括有限差分法、有限元法和邊界元法。這類方法可用于獲得金屬塑性成形過程中應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布和成形缺陷的詳細(xì)數(shù)值解，可用于非常復(fù)雜的成形過程。有限元法是目前非線性分析最有力的工具，因此已成為金屬塑性成形過程模擬中最受歡迎的方法。2.2.1塑料材料的基本假設(shè)在金屬塑性成形過程中，材料塑性變形的物理過程相當(dāng)復(fù)雜。所以我們必須做一些假設(shè)，也就是把變形中的一些過程理想化，這樣才能在數(shù)學(xué)上處理。剛性塑料/剛性粘塑性材料的基本假設(shè)如下:(1)忽略變形材料的彈性變形；(2)材料是均勻的和各向同性的；(3)材料的體積不變；(4)不考慮體力和慣性力；(5)材料的變形流動服從Levy-Mises流動定律。2.2.2鈑金成形的理論計算過程汽車門板成形過程主要包括翻邊和沖壓，翻邊時的載荷曲線可以從保證板料邊緣危險截面變形速度恒定的條件下計算。該過程可分為兩個階段:①圓柱體邊緣形成之前；②形成邊的圓柱段。此時假設(shè)變形源沒有延伸到板坯與沖頭的接觸區(qū)域，但第一階段的摩擦傳遞區(qū)域可以保持原來的板坯輪廓。類似地，假設(shè)邊的總線長度在整個過程中是恒定的。所采用的假設(shè)和以此為基礎(chǔ)的翻邊計算公式得到了實(shí)驗結(jié)果的證實(shí)。在理論分析的基礎(chǔ)上，得到了以下關(guān)系式，這些關(guān)系式可以確定變形速度V、應(yīng)變力E、變化速度和沖頭幾何參數(shù)之間的關(guān)系:第一階段:………………2.1對于第二階段:……………..2.2式中，r為-預(yù)鉆孔半徑h——沖壓行程——h=()lnrR——翻邊后的半徑——描述穿孔總線函數(shù)的反函數(shù)。圖1顯示了用不同形狀的沖頭車削孔時的載荷曲線。在對參數(shù)H和R求解方程2.1和2.2之后，當(dāng)應(yīng)變速度恒定時，可以通過優(yōu)化沖頭端部的形狀來實(shí)現(xiàn)恒定的變形速度。敬。圖2顯示了描述不同速度條件下沖頭最佳母線的函數(shù)。圖2.1不同形狀沖頭翻邊載荷曲線圖2.2描述了沖頭最佳母線的作用。有限元軟件dynaform3概述3.1基本介紹目前有很多針對板料成形分析的CAE軟件，包括美國最大的有限元分析軟件公司之一ANSYS開發(fā)的ANSYS，可以與大多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。它是由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)的，然后建立了AUTOFORMENGINEERIN開發(fā)的AUTOFORM。它是一個采用靜力隱式算法和全拉格朗日理論的彈塑性有限元分析軟件。它是用汽車覆蓋件成形技術(shù)研究所和我校金格模具工程研究中心開發(fā)的KMAS軟件，與美國ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開發(fā)的板料成形模擬專用軟件開發(fā)的。選用DYNAFORM軟件進(jìn)行車門沖壓數(shù)值模擬。DYNAFORM不需要用戶的工程背景和理論知識，具有界面友好方便、操作過程自動化的特點(diǎn)。Eta/dynafORM軟件是ETA公司開發(fā)的基于LS-DYNA的鈑金沖壓分析軟件包。它將LS-DYNA和LS-NIKE3D的強(qiáng)大分析功能與eta/FEMB的前后處理功能相結(jié)合。eta/DYNAFORM分析的求解器是LS-DYNA和LS-NIKE3D。這兩個程序是通用的、非線性的、動態(tài)的有限元分析程序，采用顯式和隱式計算方法解決結(jié)構(gòu)、流體等問題，已成功應(yīng)用于板料沖壓數(shù)值模擬。DYNAFORM的主要功能包括分析板料成形中的拉延、成形、彎曲、翻邊、切邊等不同工序，也可以分析多步成形(或多工序加工)。通過用戶定義的沖壓工藝和模具表面形狀來預(yù)測成形狀態(tài)，包括減薄、開裂、起皺和回彈等各種問題。同時可以分析成形力、壓邊力、拉伸筋、模具磨損等各種工藝問題，以優(yōu)化工藝和模具設(shè)計。DYNAFORM的核心技術(shù)包括以下幾個方面:①動態(tài)顯式積分算法；②板殼有限元理論研究；③本構(gòu)理論和屈服準(zhǔn)則(材料模型)；④接觸判斷算法和網(wǎng)格細(xì)化自適應(yīng)技術(shù)；⑤多步成形模擬技術(shù)；⑥用于成形過程模擬的CAD/CAM軟件與CAE軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)；⑦建立有限元模型的一些技巧；⑧板料沖壓仿真的一般過程。其主要特點(diǎn)包括預(yù)處理、求解器和后處理。DYNAFORM預(yù)處理DYNAFORM具有豐富的前處理功能。首先，它具有強(qiáng)大的圖形文件導(dǎo)入功能，可以輕松、無數(shù)據(jù)丟失地讀入UG、PRO/E、CATIA等主流CAD軟件的IGES格式文件和圖形文件。同時，用戶可以在DYNAFORM中輕松創(chuàng)建點(diǎn)、線、面等幾何模型。從幾何模型的引入到計算結(jié)果的獲取，都可以很方便的完成，不需要借助其他工具。其次，DYNAFORM具有強(qiáng)大的網(wǎng)格自動生成功能。它不僅可以獲得高精度的工具網(wǎng)格，還可以生成用戶需要的四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格。用戶只需要輸入簡單的控制參數(shù)，就可以快速獲得復(fù)雜的幾何曲面網(wǎng)格，并且獲得的網(wǎng)格質(zhì)量非常高，用戶不需要花費(fèi)更多的時間去修復(fù)網(wǎng)格，節(jié)省了大量的時間。再次，DYNAFORM中最重要的產(chǎn)品曲面，DFE模塊，可以完成網(wǎng)格生成、網(wǎng)格邊界自動平滑、對稱性定義、凸緣展開、沖壓方向調(diào)整、局部孔自動補(bǔ)孔、各種復(fù)雜壓制面生成、壓制面切割、各種工藝補(bǔ)面設(shè)計、拉延筋設(shè)計及網(wǎng)格生成、載荷曲線定義、模具定位等一系列功能。方便用戶在獲得分析結(jié)果后反復(fù)修改產(chǎn)品零件。最后，DYNAFORM中的BSE模塊可以幫助用戶快速設(shè)計毛坯形狀，并根據(jù)用戶要求提供實(shí)際應(yīng)用中常用的各種排樣結(jié)果報告，從而充分利用材料，提高材料利用率，節(jié)約成本。DYNAFORM求解器DYNAFORM的求解器采用了業(yè)界知名的非線性動態(tài)顯示有限元分析軟件LS-DYNA。LS-DYNA是最具代表性的板料成形模擬軟件，采用顯式和隱式算法。它采用動態(tài)顯示求解器來模擬沖壓過程，計算效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)。同時，LS-DYNA近年來加強(qiáng)了隱式算法的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了顯式和隱式的無縫融合。完成沖壓分析后，LS-DYNA自動切換到隱式求解器進(jìn)行回彈分析。在回彈分析過程中，可以采用較大的時間步長來提高回彈的計算效率。LS-DYNA包含豐富的材料模型和單元模型，用戶可以根據(jù)實(shí)際沖壓材料選擇合適的材料模型和單元類型。此外，LS-DYNA具有強(qiáng)大的接觸分析功能，現(xiàn)在有40多種接觸類型可以解決以下接觸:變形體到剛體、變形體到變形體、變形體到剛體、剛體到剛體、板殼結(jié)構(gòu)單面接觸、與剛性壁接觸、變形體到剛體、剛體到剛體、板殼結(jié)構(gòu)單面接觸等。所以借助LS-DYNA強(qiáng)大的求解能力，顯式加載隱式卸載等。LS-DYNA是金屬板料成形模擬最精確的軟件之一[13]。3.1.3DYNAFORM后處理ETA-POST是ETA公司開發(fā)的后處理軟件，專門用于爭奪DYNAFORM。方便用戶直觀地得到求解結(jié)果。用戶可以顯示板料變形后的應(yīng)力應(yīng)變信息，材料的厚度分布信息等。有了云圖。您可以定義任何部分來獲取該部分的各種結(jié)果信息。ETA-POST中新增的GRAP模塊使用戶可以顯示拉深過程中各種參數(shù)隨時間的變化曲線，如界面力的變化、拉延筋阻力的變化、拉深力曲線等。，通過使用曲線圖功能。4汽車車門外板毛坯展開模擬工藝設(shè)計4.1車門外板結(jié)構(gòu)及加工工藝簡介車門外板是一個扁平的淺拉延件。材料一般為08AI或合金鋼，材料厚度小于1mm。要求外表面光滑，脊線清晰，周邊尺寸精度0.7mm，剛性好。產(chǎn)品的輪廓如圖4.1所示，因為零件成形時凸模表面與毛坯在大平面內(nèi)接觸，平面上的拉應(yīng)力很低。材料不能得到充分的塑性變形，這對零件的剛性是不利的。在產(chǎn)品A處，為汽車外觀設(shè)置的裝飾線在成型過程中容易使零件的表面邊緣不平整。在產(chǎn)品B處，由于邊緣翻邊較高(H=20mm)，如果不采取措施直接翻邊成形，該處零件表面容易出現(xiàn)凹凸不平；在門把手處c.因為深度和形狀是決定周圍表面質(zhì)量的主要因素，而這里的成形過程中材料的變形屬于鼓包，如果外部材料補(bǔ)圖4.1門的外形圖如果填充不充分，此處零件表面容易開裂。在靠近窗口的下部A處，增加了反向拉伸坑，可以吸收多余的材料，有助于消除零件的表面松弛。在零件下邊緣的翻邊處，如果拉伸時材料變形不充分，翻邊后零件表面會不平整。綜上所述，汽車外門成形工藝的研究主要是翻邊，即利用模具將鈑金件的孔邊或外緣變成豎邊的沖壓工藝。翻邊工藝可以加工形狀復(fù)雜、剛性好的垂直零件，也可以制作與其他零件裝配的零件(如螺紋孔、軸承孔等。)在沖壓件上。翻邊可以代替一些復(fù)雜零件的拉深工藝，改善材料的塑性流動，避免開裂或起皺。用翻邊代替“先拉延后切底”制作無底零件，可以減少加工次數(shù)，節(jié)省材料。圓孔翻邊的工藝參數(shù)和翻邊底孔的粗糙度直接影響工件的質(zhì)量。如果孔的邊緣有毛刺，會導(dǎo)致翻邊斷裂。因此，沖壓方向直接影響翻邊的工藝性。門板的沖壓翻邊工藝會出現(xiàn)很多問題，直接影響產(chǎn)品的成型性。翻邊工藝的模擬主要是模擬產(chǎn)品生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，通過模擬實(shí)驗來改進(jìn)生產(chǎn)工藝和模具，從而有效避免設(shè)計不當(dāng)?shù)陌l(fā)生。實(shí)驗研究的主要內(nèi)容是根據(jù)DYNAFORM軟件中成形工件的成形極限云圖和厚度變化圖，以及應(yīng)力分布情況，檢驗門的外觀、選材和成形參數(shù)是否合理。然后確定毛坯尺寸。4.2具體的研究方法4.2.1建立汽車外門板的幾何模型。根據(jù)車門的整體尺寸，用三維軟件Pro/E畫出車門外板的模型，車門靠近輪胎處沖壓翻邊深度如圖A所示為20mm，車窗和把手如圖B所示沖壓翻邊深度為5mm，翻邊方向相同。該模型如圖4.2所示:圖4.2車門外板模型模型繪制完成后，轉(zhuǎn)換為曲面IGES格式保存，文件名為CHEMEN_MODELL.iges4.2.2導(dǎo)入動態(tài)表單軟件在DYNAFORM軟件中打開空白工程模塊，導(dǎo)入文件CHEMEN_MODELL.iges，該文件被自動識別為當(dāng)前層。打開的界面如圖4.3所示，門法蘭A部分自動初步網(wǎng)格化，數(shù)據(jù)保存到指定工作目錄。選擇文件另存為，輸入CHEMEN_MODELL.df，然后保存并退出對話框。圖4.3導(dǎo)入IGES格式文件后的當(dāng)前界面4.2.3編輯數(shù)據(jù)庫中的零件層。在DYNAFORM中，給定的部分名稱是任意的。為了便于識別設(shè)置，將當(dāng)前零件圖層名稱改為空白，并保存編輯后的零件圖層。具體方法如圖4.4所示:圖4.4編輯和修改零件層名稱網(wǎng)格劃分網(wǎng)格生成的質(zhì)量對模擬的精度和計算時間有一定的影響。一般來說，彎曲變形大的部分網(wǎng)格生成比較密集，變形小的部分網(wǎng)格生成比較稀疏。車門翻邊部分的彎曲度為90度直角。為了更好的反映數(shù)據(jù)變化，尺寸參數(shù)設(shè)置為20，曲面的邊界裂紋為5。網(wǎng)格生成的具體界面如圖4.5所示:圖4.5門的網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置工件網(wǎng)格化后，檢查網(wǎng)格質(zhì)檢結(jié)果，記錄單位和質(zhì)量信息。該產(chǎn)品型號總臺數(shù)為2480臺，不合格臺數(shù)為217臺，不合格臺數(shù)比例為8.7%。如果產(chǎn)品的失效單元數(shù)小于10%，可以進(jìn)行模擬分析，如圖4.6所示。圖4.6網(wǎng)格質(zhì)量結(jié)果檢查信息網(wǎng)格檢查為了防止網(wǎng)格中的一些潛在缺陷影響模擬，有必要檢查網(wǎng)格的質(zhì)量。檢查項目包括檢查元素的翹曲角度、顯示模型邊界和自動確定平面法線方向。檢查元素翹曲角度的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為3.0度。模型邊界顯示功能檢查網(wǎng)格上的間隙、孔和退化元素，然后在顯示突出顯示的邊界后保存數(shù)據(jù)。具體檢查項目如圖4.7所示。圖4.7網(wǎng)格邊界檢查界面4.2.6MSTEP模塊的參數(shù)設(shè)置打開MSTEP模塊，選擇sheet鍵進(jìn)行設(shè)置，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)加載物料。A引用的行在定義前為紅色，加載后為綠色，如圖4.8所示:圖4.8MSTEP模塊界面選用36#合金板材，材料厚度分別為0.8mm和1mm。36#材料考慮了材料的各向異性，回彈過程一般不存在收斂問題。從美國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)口的厚度為0.8毫米的36#AA009薄板的材料類型如圖4.9所示。圖4.9aa009材料性能參數(shù)然后導(dǎo)入美國標(biāo)準(zhǔn)材料類型36#厚度1mm的DQSK模型鋼的性能參數(shù):圖4.10DQSK材料性能參數(shù)材料定義完成后，保存并啟動MSTEP求解器求解問題。坯料的展開輪廓和外形尺寸如圖4.11所示，該圖顯示了門的坯料展開圖:圖4.11毛坯展開外形圖在板料成形過程中，影響沖壓效果的因素很多，包括模具的形狀和結(jié)構(gòu)、拉延筋參數(shù)、板料的尺寸和厚度、材料流動、壓邊力、摩擦和潤滑等。其中，坯料的初始形狀對沖壓結(jié)果影響很大。當(dāng)坯料初始形狀不合適時，沖壓件容易產(chǎn)生裂紋、起皺等缺陷，甚至根本無法成形。在某些情況下，當(dāng)其他沖壓條件合適時，通過改善坯料的初始形狀，有可能使原來失效的沖壓件獲得成功。因此，在鈑金沖壓中，如何確定合理的毛坯形狀至關(guān)重要。合理的毛坯形狀不僅可以節(jié)省材料，防止沖壓和拉伸過程中的開裂、起皺等缺陷，還可以獲得均勻的板材厚度，有助于降低拉伸時所需的沖壓力，從而減少模具的磨損。通過計算出的毛坯尺寸，有效地指導(dǎo)生產(chǎn)。啟動后處理點(diǎn)擊DYNAFORM的后處理鍵，打開CHEMEN_MODEL.mstep文件，界面中出現(xiàn)如圖4.12所示的產(chǎn)品模型。檢查完模型后，設(shè)置相應(yīng)的顏色和大小并保存文件。圖4。12產(chǎn)品型號4.2.8成形極限圖分析(FLD)打開FLD功能鍵分析獲得的圖標(biāo)。從圖中，我們可以看到門模型的顏色變化。根據(jù)顏色的變化，我們可以模擬毛坯生產(chǎn)成成品時可能出現(xiàn)的起皺和開裂。從圖4.14中可以看出，厚度為0.8mm的AA009制成的板材，幾乎所有的接頭都集中在成形后的安全區(qū)域，只有少部分在起皺趨勢區(qū)域(A部分)，不影響產(chǎn)品外觀，開裂區(qū)域和開裂危險區(qū)域也沒有接頭。所以這種情況可以更好的應(yīng)用到量產(chǎn)中。但當(dāng)選用厚度為1.0mm的DQSK板作為材料時，成形極限圖如圖4.13所示，A部分有明顯的起皺現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的外觀，不適合產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。圖4.13厚度為1毫米的DQSK材料的FLD圖圖4.14材料厚度為0.8毫米的AA009FLD圖FLD圖中的顏色變化從上到下依次是紅、黃、綠、藍(lán)、粉。顯示顏色系統(tǒng)的意義如下:1)紅色區(qū)域-破裂2)黃色區(qū)域——有破裂危險的區(qū)域。3)綠色區(qū)域是正常變形過程，是安全變形。4)藍(lán)區(qū)——拉壓變形區(qū)的安全變形。5)粉紅區(qū)——皺紋區(qū)。圖4.15AA009厚度為0.8毫米的放大fld對于成形極限圖的分析，圖中相鄰兩種顏色之間的區(qū)域表示臨界區(qū)域，臨界區(qū)域?qū)?yīng)的曲線表示臨界曲線。成形極限圖可以有效地預(yù)測工藝規(guī)范的危險性:如果板料單元的實(shí)際變形量落在臨界區(qū)，說明是危險的，廢品率高；如果實(shí)際應(yīng)變值落在臨界曲線上，說明有相當(dāng)大的危險，所有條件都要嚴(yán)格控制；如果落在離臨界曲線很遠(yuǎn)的地方，說明太安全，有變形潛力。從圖4.15中最終變形的FLD圖可以看出，板料元件沖壓成形時，其變形區(qū)大部分落在安全區(qū)內(nèi)，仍有繼續(xù)向上拉伸變形的可能，少數(shù)元件有起皺傾向。結(jié)合產(chǎn)品模型，褶皺趨勢區(qū)域的位置不影響產(chǎn)品的成型質(zhì)量。厚度變化圖材料為AA009的成形工件的厚度變化如圖4.17所示，基本顯示了產(chǎn)品的成形結(jié)果。在板材拉伸過程中，存在局部增厚和減薄現(xiàn)象。圖中最薄點(diǎn)為A區(qū)0.74611mm的最終厚度，圖中最厚點(diǎn)為b區(qū)0.811796mm的最終厚度，拉延過程中的厚度曲線圖基本滿足汽車覆蓋件的沖壓要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過磨平邊角可以獲得合格的沖壓件。一般來說，成型件厚度不超過10%，厚度不超過30%是可以接受的。在厚度變化圖中，增厚率和減薄率均未超過要求。DQSK材料成形工件的厚度變化如圖4.16所示。A所示位置有明顯起皺，b位置有撕裂風(fēng)險，最終厚度為0.932637mm，薄了30%以上，不適合設(shè)計生產(chǎn)。圖4.16DQSK材料門外板厚度分布圖4.17aa009材料門外板厚度分布圖4.18aa009材料門第一主應(yīng)變圖圖4.19aa009材料門的應(yīng)力分布圖18中的部分b示出了具有最大第一應(yīng)變的區(qū)域，但是它都在材料的允許范圍內(nèi)，這不影響成形結(jié)果。圖A所示區(qū)域的應(yīng)變力最大，厚度圖中的這些地方也是變化最劇烈的地方，所以厚度圖中的分析結(jié)果比較吻合。產(chǎn)品布局關(guān)閉后處理界面，選擇BSE模塊的BSE開發(fā)對話框，輸入并設(shè)置生產(chǎn)數(shù)量為100件，材料價格為0.8美元/千克，板材厚度為0.8毫米，材料類型為AA009，布局如圖20所示。圖4.20布局輸出AA009和DQSK材料輸出報告表:樣本布局結(jié)果報告(表1:0.8毫米)日期:2007年6月13日文件名:CHEMEN_model.htm文件單位:毫米，千克，秒，牛頓附加說明:物料類型AA6009材料厚度0.8毫米片間距4.0毫米碎片一點(diǎn)六毫米過渡曲面0.0毫米產(chǎn)量100材料長度和重量0.0毫米和0.0毫米公斤基本材料價格0.8美元/千克材料的附加價格0.2美元/千克廢料價格0.6美元/千克消費(fèi)品價格0.5$/空白布局結(jié)果圖:一步1386.523毫米總產(chǎn)出成本373.392$條寬1230.891毫米總浪費(fèi)價值45.246$材料利用率79.544%浪費(fèi)率20.456%旋轉(zhuǎn)角90.0（同degree）度凈重/件2.932公斤毛重/件3.686公斤廢料/件0.754公斤空白周長4599.58毫米最小沖裁力36.797大量材料號0(0.0)總材料價格/件3.734$/空白報告由ETA/DYNAFORM-BSE生成。樣本布局結(jié)果報告(表21.0mmDQSK材料)日期:2007年6月13日文件名:CHEMEN_model.htm文件單位:毫米，千克，秒，牛頓附加說明:物料類型DKSK材料厚度1.0毫米片間距2.5毫米碎片1.0毫米過渡曲面0.0毫米產(chǎn)量100材料長度和重量0.0毫米和0.0毫米公斤基本材料價格0.6美元/千克材料的附加價格0.2美元/千克廢料價格0.5美元/千克消費(fèi)品價格0.41$/空白布局結(jié)果圖:一步1385.021毫米總產(chǎn)出成本444.861$條寬1229.691毫米總浪費(fèi)價值55.989$材料利用率79.708%浪費(fèi)率20.292%旋轉(zhuǎn)角90.0（同degree）度凈重/件3.665公斤毛重/件4.599公斤廢料/件0.933公斤空白周長4599.58毫米最小沖裁力45.996大量材料號0(0.0)總材料價格/件4.449$/空白報告由ETA/DYNAFORM-BSE生成。根據(jù)產(chǎn)品的布局報告，可以得出可以生產(chǎn)100個成品。如果選用0.8mm厚度的AA009材料，其生產(chǎn)成本明顯低于1mm厚度的DQSK材料，可以使單件價格低至3.737美元/件。生產(chǎn)過程中使用的最小沖裁力為36.797噸，可以降低沖壓設(shè)備的噸位，有效減少模具和設(shè)備的磨損。通過對模型的FLD圖、厚度變化圖、應(yīng)力變化圖的分析，發(fā)現(xiàn)厚度為0.8mm的AA009材料在沖壓翻邊過程中不會出現(xiàn)明顯的裂紋和褶皺，利用率高，適合批量生產(chǎn)。4.2.11車門動畫模擬過程(見視頻文件)圖4.21沖壓示意圖6摘要根據(jù)車門外板的造型特點(diǎn)和材料特性。利用DYNAFORM軟件對毛坯進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論:1.DYNAFORM的毛坯工程模塊可以精確計算出產(chǎn)品的毛坯，選用的AA009模型材料比DQSK模型材料具有更好的塑性，適用于車門外板的沖壓。2.厚度為0.8毫米的AA009材料制成的板材在沖壓過程中不會出現(xiàn)開裂、起皺等缺陷，并且比厚度為1.0毫米的DQ