汽車覆蓋件拉彎成形仿真分析

汽車覆蓋件拉彎成形仿真分析

1拉彎工藝的研究材料折疊不是一種新的彎曲方法，但材料沖程的高精度折疊技術一直是材料加工領域的研究熱點。一方面,受材料、截面、加載方式、加載過程等一系列因素的影響,目前國內外對型材拉彎工藝的研究還不及板料沖壓工藝研究成熟;另一方面,目前在航空業(yè)、汽車業(yè),發(fā)達國家的企業(yè)均把這方面的研究作為商業(yè)機密,不愿意公開研究成果,因此雖然這方面的研究已經(jīng)成為熱點,但是相關文獻卻比較少,而且研究工作比較分散,不系統(tǒng)。目前,國內外對型材拉彎工藝的研究主要圍繞下面4個方面:(1)通過解析計算法對型材拉彎成形工藝進行研究。(2)通過實驗分析法對型材拉彎成形工藝進行研究。(3)通過數(shù)值模擬法對型材拉彎成形工藝進行研究。(4)拉彎成形工藝的工業(yè)應用研究。對于型材拉彎工藝的研究,采用實驗分析結合數(shù)值模擬分析是主要的發(fā)展趨勢。借助一些有限元分析軟件建立拉彎過程的數(shù)值模型,通過單向拉伸、雙向拉伸等實驗得到材料的性能參數(shù),輸入有限元模型中,通過計算分析模型參數(shù)對相應參數(shù)的影響。數(shù)值模擬方法可以用于研究各種復雜截面、復雜加載過程、復雜接觸等的型材拉彎成形問題,而且目前計算機技術和有限元模擬技術迅速發(fā)展,硬件和軟件的成本較低,計算速度很快,可以大幅降低產(chǎn)品的研制成本和研制周期。數(shù)值模擬法研究型材拉彎的缺點是目前定位于型材拉彎的數(shù)值模擬軟件很少,國內還未見相關軟件引進或者已經(jīng)開發(fā)的信息,因此必須結合實驗分析對具體的型材拉彎成形進行研究。2拉緊技術的基本原理和工藝方法2.1坯料和拉彎成形拉彎的基本原理是在坯料彎曲的同時加以切向應力,改變坯料剖面內的應力分布情況,使之趨于均勻一致,以達到減小回彈、提高零件成形準確度的目的。坯料剖面應力見圖1。拉彎成形如圖2所示,型材固定在夾頭上,施加彎矩使其貼模彎曲,并通過拉力使截面上的應力分布趨于均勻,此方法適用于擠壓(或板彎)型材的隔框類緣條零件和管材零件。由于彎曲時,坯料內側受壓、外側受拉,在這一基礎上加以切向拉力,其結果是:對于原來受拉的外側要繼續(xù)加載;對于原來受壓的內側,由受壓變?yōu)槭芾?經(jīng)歷一個卸載和反向加載的過程。為了合理反映這種加載情況下的應力應變關系,顯然不能忽略彈性變形的影響。2.2次拉彎工藝目前生產(chǎn)中主要采用2種方案,一次拉彎和二次拉彎,一次拉彎采用先彎曲后拉伸、先拉伸后彎曲以及先拉伸后彎曲最后補拉這3種加載方式,在生產(chǎn)中,主要采用先拉、后彎、最后補拉的方案。將新淬火的坯料裝在機床上,拉至超過屈服極限(拉伸量約為0.8%～1%),使坯料平直,并減少薄壁型材彎曲過程中的內邊失穩(wěn)起皺趨勢;然后保持拉力不變,施加彎矩,使型材彎曲貼模;最后增大拉力,進行補拉,使型材最小曲率半徑處剖面的內層纖維達到拉伸屈服極限。零件在卸載后仍有少量回彈,必要時可將模具修出回彈量。當零件的相對彎曲半徑較小、彎曲角較大時,一次拉彎的效果差,彎曲后的補拉難以完全消除型材內側的壓應力,這時采用二次拉彎。二次拉彎工藝過程:退火料預拉※彎曲※淬火※新淬火狀態(tài)下二次拉彎。先用退火料進行預拉和彎曲,但不加補拉。由于坯料第二次彎曲時的變形量很小,內側所產(chǎn)生的壓應力很容易為后續(xù)的補拉所消除,零件貼模好,回彈量小,可以不修模具。實踐證明,所得到的零件回彈量很小,多數(shù)可以直接交付使用。以下主要研究一次拉彎成形方案的應用。3該模型的構建和參數(shù)定義3.1緣板及模具的設置和拉彎成型模擬型材進行拉彎成形涉及到的幾何模型主要包括型材坯料、模具和夾頭,這里以T形截面鋁型材放邊拉彎建立模型。(1)型材坯料截面。坯料為長1000mm的LY12M＿XC211＿25直型材,腹板和緣板厚度都是2mm,截面形狀如圖3。坯料將被劃分為2600個8節(jié)點6面體單元,網(wǎng)格模型截面如圖4,在軸向網(wǎng)格單元邊長5mm。(2)拉彎模具。這個模型既可以用于等曲率型材拉彎成形模擬,又可以用于變曲率型材拉彎模擬。在這里先做一個等曲率型材拉彎成形模擬。模具外形為半徑R500mm的圓弧面,弧度為π/3。為了防止拉彎時型材滑離模具,圓弧面的寬度要比型材與模具接觸面寬,取。(3)拉彎夾頭。拉彎夾頭用2個正方形平面來表示,邊長為80mm。夾頭用GLUE命令和型材粘在一起。夾頭位置通過利用邊界條件加載輔助節(jié)點和控制節(jié)點的載荷控制方式控制。整個幾何模型如圖5所示。3.2單元材料、分析方法及收斂判據(jù)型材拉彎成形的有限元模擬過程是一個復雜的非線性問題,因此,在建立型材拉彎有限元模型時,為了提高模擬的精度及計算的效率,對分析和求解的模擬參數(shù)進行了選擇。單元類型:模具、夾具都是剛體,型材用8節(jié)點等參單元,類型為7號單元,單元數(shù)2600個,節(jié)點數(shù)為5632。材料屈服準則:采用VonMises屈服準則,其屈服表面與靜水壓力無關,在金屬塑性中常用。硬化規(guī)律:采用各向同性硬化規(guī)律。分析方法:采用增量有限元分析方法,表達格式用更新Lagrange格式,問題采用靜態(tài)隱式算法。非線性方程組的解法:Newton＿Raphson方法,迭代收斂性好。非線性迭代的收斂判據(jù):用殘差檢查收斂性,度量迭代的近似位移所產(chǎn)生的內力(矩)與外載荷之間的不平衡度,殘差為0,表明內力(矩)與外力(矩)平衡,對應解是精確結果。因此,要提高近似結果精度,應使殘差足夠小,在這里取0.1。求解器的選擇:多波前稀疏求解器。4不同的加載方法和工藝參數(shù)對木材沖浪形的影響4.1預拉伸量對卸回彈性能的影響按照加載方式和次序的不同,常用的拉彎方式為一次拉彎的3種方式,現(xiàn)通過有限元軟件MSC.MARC對這3種方式進行模擬研究。圖6表示了T形截面鋁型材收邊拉彎通過3種拉彎方式成形時,總拉伸量與卸載回彈率的關系。圖6的3條折線顯示:隨著總拉伸量的增加,回彈逐漸減小;當預拉伸量,總拉伸量相同時,采用第3種拉彎方法可以顯著減小回彈;第3種拉彎方法在預拉伸量不變時總拉伸量對回彈的影響最為顯著。另外,從減輕外摩擦的影響,降低失穩(wěn)起皺的可能性和消除型材初始扭曲變形的可能性方面,第3種方法比第1種方法更為優(yōu)越。從卸載后的殘留應力來看,第3種方法比第2種方法有優(yōu)越性,因此,生產(chǎn)中廣泛采用第3種拉彎方法。4.2預拉伸量對零件成形回彈的影響在保持總拉伸量不變,通過改變預拉伸量的大小對此T形截面鋁型材收邊拉彎成形進行研究。由于總拉伸量固定,當預拉伸量變化時,補拉伸量也變化。從模擬結果看,這里補拉伸量變化較小,對回彈的影響不起主要作用,因此,預拉伸量的變化對型材拉彎成形回彈起主要作用。由圖7和圖8可知,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形時,如果預拉伸量太小,零件成形時將會發(fā)生起皺現(xiàn)象,當預拉伸量超過一定值時,零件成形過程中不再發(fā)生起皺現(xiàn)象。圖9為通過有限元軟件模擬獲得的在總拉伸量不變時的T形截面鋁型材收邊拉彎成形預拉伸量與卸載回彈率的關系。圖9顯示,當總拉伸量不變時,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形隨著預拉伸量的增加,回彈有增大的趨勢。4.3補拉伸量對裝卸回彈率的影響圖10為通過有限元軟件模擬獲得的在預拉伸量不變時,T形截面鋁型材收邊拉彎成形補拉伸量與卸載回彈率的關系。圖10顯示,當預拉伸量不變時,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形隨著補拉伸量的增加,回彈有減小的趨勢。此外,從分析結果可以了解,施加補拉可以克服輕微的起皺現(xiàn)象。補拉伸量達到一定程度后,對回彈的影響不再顯著。4.4模具速率半徑對產(chǎn)品拉彎性能的影響以建立的有限元模型為基礎,保持模面圓弧弧長不變,改變模具的曲率半徑,圓弧半徑取500、600、750、800、1000mm,此時對應的圓弧角度分別為60°、50°、40°、37.5°、30°,然后,在邊界條件中相應調整型材拉彎時的彎曲參數(shù),保持預拉伸量和補拉伸量不變,這樣共進行5次模擬,研究模具曲率半徑不同對型材拉彎回彈率的影響。由圖11可以看出,模具曲率半徑越大,卸載后的回彈率越大。由于生產(chǎn)中很多零件為變曲率彎曲件,對此問題的研究將有利于模具工程師比較準確地修模。4.5接觸因數(shù)對t形截面鋁合金拉彎回彈的影響以建立的有限元模型為基礎,保持其他參數(shù)設置不變,在模型的接觸定義時,增加摩擦參數(shù)的設置。摩擦采用滑動庫侖摩擦模型,摩擦因數(shù)取(不考慮摩擦)、0.08、0.1、0.12、0.15、0.18。模擬完成后,分析摩擦對T形截面鋁型材拉彎回彈的影響。從圖12可以看出,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形接觸摩擦因數(shù)越大,卸載后回彈有增大的趨勢。此外還可以發(fā)現(xiàn),在這里摩擦對回彈的影響并不是很顯著。5t形截面材的拉伸成形由分析結果可以看出,對于此T形截面型材拉彎成形,先拉伸后彎曲再補拉是一種更為優(yōu)越的拉彎方式。預拉伸量的大小對零件的成形質量有一定影響,預拉伸量不足時,T形型材腹板易發(fā)生失穩(wěn)起皺現(xiàn)象。在總拉伸量固定時,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形隨著預拉伸量的增加,回彈有增大的趨勢。當預拉伸量固定時,此T形截面鋁型材收邊拉彎成形隨著補拉伸量的增加,回彈有減小的趨勢。研究結果表明,對于T形截面鋁型材拉彎成形,隨著模具曲率半徑的增大,回彈率有增大的趨勢,摩擦對回彈的影響較小。例如二汽技術裝備部的熊映青等人針對EQ153車門前段框架成型難度非常高