基于Dynaform橫梁外板的數(shù)值模擬及優(yōu)化*

王鎮(zhèn)江，劉新東

(廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州 545006)

基于Dynaform橫梁外板的數(shù)值模擬及優(yōu)化*

王鎮(zhèn)江，劉新東

(廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州 545006)

以汽車散熱器下橫梁外板為研究對(duì)象，使用分析軟件Dynaform進(jìn)行沖壓成形仿真。針對(duì)成形中出現(xiàn)的起皺、破裂等問題，提出了解決方案。采用改變壓邊力的大小和設(shè)置拉延筋的方式來消除成形的缺陷，得到了較好的成形質(zhì)量，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。

數(shù)值模擬;Dynaform;優(yōu)化

1 引言

在金屬板材沖壓成形過程中，材料的塑性變形規(guī)律、模具與工件之間的摩擦現(xiàn)象、材料中溫度和微觀組織的變化及其對(duì)制件質(zhì)量的影響等，都是十分復(fù)雜的問題。傳統(tǒng)的模具與工藝設(shè)計(jì)只能以許多簡(jiǎn)化和假設(shè)為基礎(chǔ)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算，然后大量地依賴經(jīng)驗(yàn)與反復(fù)的試模、修模來保證零件的品質(zhì)［1］。而借助于軟件進(jìn)行CAE分析，它可以預(yù)測(cè)板料成形過程中的起皺、破裂等問題，評(píng)估板料的成形性能，以較小的代價(jià)，在工藝設(shè)計(jì)階段較短的時(shí)間內(nèi)找到可行的或最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，為板料成形工藝和模具設(shè)計(jì)提供幫助，顯著減少模具設(shè)計(jì)時(shí)間及試模周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力［2］。

2 零件的拉伸工藝分析

拉伸工藝是指對(duì)產(chǎn)品沖壓方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性分析。工藝方案直接影響零件的質(zhì)量、加工的性能和成本，對(duì)生產(chǎn)的成敗起決定形作用。如圖1所示，該散熱器下橫梁外板是大型的汽車覆蓋件，外形較復(fù)雜，拉伸深度較深，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)成形中易出現(xiàn)缺陷。零件加工所需要的工序有拉伸、沖孔、側(cè)沖孔、切邊、整形等。拉伸成形是主要的工序。拉伸成形時(shí)要考慮的問題較多:①拉伸件毛坯尺寸的確定;②沖壓方向的確定;③如何建立壓料面和工藝補(bǔ)充面;④零件能否通過一次拉伸成形，成形過程是否會(huì)出現(xiàn)起皺、破裂等。因此，覆蓋件的拉伸成形工藝參數(shù)的確定直接影響拉伸的工藝性和之后的工藝。針對(duì)以上成形問題，提出了采取有限元模擬的方法。

3 有限元模型的建立及結(jié)果分析

3.1 有限元模型

將UG中建好的模型以igs格式導(dǎo)出，將上述模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Dynaform軟件，利用BT殼單元對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，檢查并修正網(wǎng)格缺陷(包括網(wǎng)格邊界、單元重疊，負(fù)角等)，

基于一步逆成形法，自動(dòng)算出毛坯的外形尺寸，對(duì)模型進(jìn)行壓料面及工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)。建立板料、凸模、凹模和壓邊圈等工具并定義其屬性，設(shè)定相應(yīng)的工藝參數(shù)。在設(shè)置好參數(shù)后，提交工作到LS－DYNA進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格劃分好的模型如圖2所示。

圖1 零件幾何模型

圖2 有限元幾何模型

沖壓成形類型為單動(dòng)，即凹模在上，壓邊圈和凸模在下。有限元邊界條件，其中接觸間隙為1.1 t，板料厚度t=1 mm，毛坯與模具之間摩擦系數(shù)為0.125，初始?jí)哼吜?00 kN，沖頭運(yùn)動(dòng)速度為2 000 mm/s。

3.2 結(jié)果分析

計(jì)算完成后，將求解的結(jié)果導(dǎo)入到Dynaform的后處理中，可以通過成形極限圖和厚度變化圖來判斷成形的質(zhì)量和穩(wěn)定性。圖3為零件的成形極限圖，由圖可知，產(chǎn)品在安全范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)破裂，但是大部分區(qū)域拉伸成形不足，起皺嚴(yán)重，這樣的結(jié)果是不符合零件設(shè)計(jì)要求的。

圖3 壓邊力200 kN時(shí)成形極限圖

圖4 壓邊力500 kN時(shí)成 形極限圖

4 工藝參數(shù)的調(diào)整

零件發(fā)生起皺、變厚是因?yàn)槔幼枇Σ粔蛟斐傻?，通常，提高拉延阻力的辦法有增大壓邊力、設(shè)置拉延筋、增大毛坯尺寸等［3］。

4.1 增大壓邊力

對(duì)于材料起皺，可能是由于壓邊力過小，無法有效地控制材料的流動(dòng)，導(dǎo)致制件產(chǎn)生壓縮失穩(wěn)發(fā)生起皺、變厚［4］。將壓邊力分別增至500 kN和700 kN，沖壓速度，凸凹模間隙，摩擦系數(shù)不變，觀察其模擬結(jié)果。圖4為壓邊力為500 kN時(shí)的成形極限圖。該圖表明拉伸不足和起皺的缺陷得到部分改善，但周邊材料沒有得到有效變形，局部有輕微起皺。

圖5為壓邊力為700 kN時(shí)的成形極限圖。零件圓角處出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，這是由于其附近材料流動(dòng)不均勻造成的，遠(yuǎn)離圓角處的材料流動(dòng)速度大于圓角處材料的流動(dòng)速度，所以圓角處的材料變形量大。

因此，雖然增加壓邊力可以改善起皺和拉深不足等成形缺陷，但不能控制材料的局部流動(dòng)，得不到理想的成形質(zhì)量。如果繼續(xù)增大壓邊力，會(huì)使零件拉裂的趨勢(shì)明顯增加，同時(shí)模具和板料表面受損的可能性也增大，影響模具的壽命和成形質(zhì)量。需考慮增設(shè)拉延筋以改變進(jìn)料阻力，控制材料局部流動(dòng)，平衡坯料在圓臺(tái)處的流動(dòng)速度差異，提高零件成形質(zhì)量［5］。

4.2 增設(shè)拉延筋

在板料拉深成形過程中，一般通過設(shè)置拉延筋來改善材料流動(dòng)狀況，從而提高板料的成形性能［6］。設(shè)置一條均勻分布的等效拉延筋，采用半圓形拉延筋一周布置，并將拉延筋鎖定到凹模上。在數(shù)值分析過程中，采用的拉延筋形狀及鎖模力分布情況如圖6。

圖5 壓邊力700 kN時(shí)成形極限圖

圖6 拉延筋形狀及鎖 模力分布

圖7為壓邊力為400 kN時(shí)，零件模擬的成形極限圖，從設(shè)置拉延筋的仿真結(jié)果開看，零件的起皺拉裂的現(xiàn)象得到明顯改善，通過合理的布置拉延筋可以大幅降低壓邊力并得到較理想的成形質(zhì)量，材料基本上得到了有效形變。圖8為材料的厚度變化圖。零件圓角處的變薄最嚴(yán)重，最小厚度約為0.730 mm，實(shí)際變薄了0.27 mm(1～0.73 mm)，變薄率為27%。其它部位變薄程度很小。材料的最大厚度為1.078 mm，增厚了0.078 mm(1.078～1 mm)，增厚率為7.8%，但其處于工藝補(bǔ)充面處，沖壓完成后會(huì)切除，不影響零件的沖壓質(zhì)量。一般認(rèn)為在成形部分增厚不超過5%，減薄不超過30%，都是可以接受的［7］，因此可以安全沖出。

圖7 加拉延筋后的成 形極限圖

圖8 加拉延筋后的厚 度分布圖

5 結(jié)論

針對(duì)汽車散熱器下橫梁外板沖壓成形中可能存在的問題，提出了利用Dynaform軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬的方法進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)測(cè)了其成形過程中可能出現(xiàn)的缺陷，通過對(duì)工藝參數(shù)壓邊力大小和拉延筋的改變和設(shè)置，使其拉深成形質(zhì)量得到優(yōu)化，得到一組較好的工藝參數(shù)。對(duì)比成形結(jié)果可以看出，適度增大壓邊力可有效減少或避免起皺和拉深不足等缺陷。通過合理設(shè)置拉延筋來控制徑向拉應(yīng)力，既無須采用較大的毛坯，又可大幅度降低壓邊力，同時(shí)可以改變板材變形區(qū)受力狀態(tài)，以控制材料的局部流動(dòng)。應(yīng)用Dynaform數(shù)值模擬技術(shù)，可以為板料成形和模具設(shè)計(jì)提供參考作用，提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)量和成本。

［1］ 鐘志華，李光耀.薄板沖壓成型過程的計(jì)算機(jī)仿真與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998.

［2］ 蘇春健，于 濤.金屬板材成形CAE分析及應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2011.

［3］ 吳伯杰，黃祥煜，谷志飛.熱水器封頭零件拉深工藝研究［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2005，12(2):26－29.

［4］ Meinders T，Burchitz I A，Bonte M H A，et al.Numerical product design:springback prediction，compensation and optimization［J］.International journal of machine manufacture，2000(5):73－75.

［5］ 鄭 鵬，韓方方，姜 彤.基于Dynaform軟件的汽車內(nèi)襯板沖壓成形模擬［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(5):548－552.

［6］ 鄭 剛.汽車覆蓋件沖壓成形中的拉延筋模型及其參數(shù)反演研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2008.

［7］ 包向軍，蔣宏范，何向丹，等.材料參數(shù)對(duì)汽車覆蓋件沖壓成形性能影響的數(shù)值模擬［J］.機(jī)械工程材料，2001，25(7):15－17.

Numerical Simulation and Optimization of Beam Outer Plate Based on Dynaform

WANG Zhen－jiang，LIU Xin－dong
(Automotive and Transportation Engineering，Guangχi University of Technology，Liuzhou Guangχi 545006，China)

Shell plate of bottom end rail on the car radiator is investigated and the stamping process is simulated by using Dynaform analysis software.Solution is presented by aiming at wrinkle and fracture problems.Forming defects are eliminated by using method of changing magnitude of blank holder force and setting brake bead.A better forming quality is obtained.The present letter possesses guiding is provided for practical manufacture.

numerical simulation;dynaform;optimization

TG386

A

1007－4414(2013)05－0024－02

2013－08－28

王鎮(zhèn)江(1961－)，男，廣西柳州人，高級(jí)工程師，主要從事模具成型設(shè)備的教學(xué)和科研工作。