基于Dynaform的汽車覆蓋件拉延成形有限元模擬分析*

劉細芬

(廣西科技大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

1 前言

在汽車行業(yè)中，板料成形占據(jù)著非常重要的地位。其中，汽車覆蓋件是形狀相對復(fù)雜的沖壓件，質(zhì)量要求較高，不能出現(xiàn)任何拉裂或者起皺現(xiàn)象［1］。而這類零件結(jié)構(gòu)尺寸變化大且形狀復(fù)雜，因此成形相對較困難，模具結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜。傳統(tǒng)的覆蓋件成形工藝與模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，通常通過分析零件的工藝性和成形性得到初步的工藝方案，然后通過試沖不斷修改完善，形成最終工藝方案和模具結(jié)構(gòu)，這種方法不僅生產(chǎn)周期長成本高，而且對工人的技術(shù)水平和設(shè)計經(jīng)驗有較高的要求［2－4］。

隨著有限元技術(shù)及計算機軟硬件水平的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對覆蓋件進行有限元分析，通過模擬，分析不同工藝參數(shù)對拉延成形的影響，預(yù)測可能發(fā)生的缺陷，并得到滿足成形性要求的最佳工藝參數(shù)，為覆蓋件工藝設(shè)計、模具設(shè)計提供可靠的判據(jù)。計算機數(shù)值模擬己成為研究板料沖壓成形性能、模具設(shè)計中的一種重要手段［5］。

2 Dynaform軟件模擬拉延成形關(guān)鍵步驟

2.1 零件幾何模型的導(dǎo)入和網(wǎng)格劃分

零件幾何模型通常由CAD軟件(如Pro/E、UG)建立或者直接在Dynaform的軟件中建立(不推薦)，采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換格式igs導(dǎo)入Dynaform軟件中，利用前處理中的網(wǎng)格劃分模塊進行網(wǎng)格劃分。單元類型的選取一般采用Belytschko－Tsay薄殼單元(簡稱BT單元)。網(wǎng)格劃分前若零件存在孔洞需進行填充處理，網(wǎng)格劃分后有時也需要對零件進行光順化處理。網(wǎng)格劃分要遵循一定的原則［6］，單元尺寸過大或過小都會影響計算結(jié)果，一般曲面變化劇烈或處于圓角過渡或拐角處，單元劃分需密一些，相應(yīng)的單元尺寸較小些，這樣可保證計算精度，而曲率變化較平坦，劃分的單元數(shù)目可少些，相應(yīng)的單元尺寸較大，這樣可提高計算效率。網(wǎng)格劃分完成后，進行網(wǎng)格質(zhì)量的檢查和修改，如重疊單元檢查、法向檢查、內(nèi)角檢查和邊界檢查等。劃分網(wǎng)格以及光順化處理后(圖1中圓圈等處)的零件模型如圖1所示。

圖1 光順化處理后的零件網(wǎng)格模型

2.2 壓料面建立

壓料面是工藝補充的一個重要組成部分，對覆蓋件的拉延成形起著重要作用。壓料面設(shè)計是否合理，影響坯料向凹模流動的速度和方向，有可能產(chǎn)生拉裂、起皺等缺陷。設(shè)計時壓料面形狀應(yīng)盡量簡單，一般以水平壓料面為最好，以減少材料消耗。根據(jù)本例中零件的形狀特點，建立平面壓料面，建立及調(diào)整后的壓料面形狀如圖2所示。

圖2 壓料面形狀

2.3 工藝補充面建立

為順利拉延出合格的制件，在零件的基礎(chǔ)上添加部分材料而形成工藝補充，在修邊工序中將其切除。工藝補充是拉延模型面設(shè)計的重要內(nèi)容，對成形質(zhì)量有著重要影響。建立工藝補充面時注意主截面線參數(shù)的選擇，包括截面線的傾角、圓角等。一般考慮拐角處材料難流動而平直處需要增大阻力等，往往定義多種截面線來生成工藝補充面，并且對生成的工藝補充面進行修改使其過渡光順，否則容易產(chǎn)生缺陷。經(jīng)修改光順后的工藝補充面如圖3所示。

圖3 工藝補充面形狀

2.4 毛坯形狀尺寸估算

不同形狀尺寸的坯料在成形過程中，接觸摩擦和金屬流動情況不同。合理的坯料外形，有助于改善沖壓件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，獲得厚度變化均勻的高質(zhì)量沖壓件，改善成形性能。合理的坯料外形和尺寸，還可以提高材料的利用率。因此，確定合理的坯料形狀尺寸對產(chǎn)品成形質(zhì)量非常重要［7］。在Dynaform中，毛坯的初始形狀尺寸可通過毛坯尺寸預(yù)估(BSE)模塊獲得，利用一步模擬法計算得到毛坯輪廓，并對坯料進行優(yōu)化［8］。得到的毛坯形狀尺寸如圖4所示。

圖4 估算后的坯料形狀

圖中光順后的坯料輪廓是由零件反求并通過外形外延和優(yōu)化所得，充分考慮修邊而設(shè)計的曲線，該輪廓所用坯料面積較小，但需要一套完整落料模。由于零件拉延深度較大，為使零件變形量加大，需加大兩邊阻力，在充分考慮排樣設(shè)計的基礎(chǔ)上采用矩形坯料有利于節(jié)約成本，故最終采用矩形坯料。

2.5 拉延筋設(shè)置

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狀況，從而提高板料的成形性能［9］。拉延筋可使用真實拉延筋，也可設(shè)置等效拉延筋。真實拉延筋能更好的反應(yīng)實際生產(chǎn)中拉延筋部位的流動阻力狀態(tài)，但真實拉延筋需要額外建模以及網(wǎng)格處理，較等效拉延筋的處理復(fù)雜，影響計算效率且不容易對其修改。文中采用等效拉延筋，這種方法不用對拉延筋進行模型的構(gòu)造，只需在相應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點上設(shè)置代表拉延筋的線并施加單位長度上的流動阻力來模擬真實拉延筋。拉延筋設(shè)置如圖5所示。

2.6 定義工具并求解

筆者采用快速設(shè)置中的拉延模進行定義工具，包括拉延類型、工具定義、毛坯參數(shù)、沖壓速度行程、壓邊力控制等。所有工具定義完畢后，得到的有限元模擬模型如圖6所示，并提交求解器求解。

圖5 拉延筋布置模型

圖6 某汽車覆蓋件的模擬模型

2.7 結(jié)果顯示

將求解結(jié)果讀入Dynaform后處理器(eta/Post)中，以云圖、等值線和動畫等形式顯示數(shù)值模擬結(jié)果。

3 后處理及模擬結(jié)果分析

經(jīng)求解器計算得到的有限元結(jié)果通過后處理模塊對數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析、校核和輸出。選擇性的抽取結(jié)果中有意義的部分，將輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為幾何信息或圖形，如等值線圖、彩色云圖、曲線圖等，更直觀形象的描述板料成形過程中各個階段的變形情況，獲知板料成形中各個階段的應(yīng)力、應(yīng)變、厚度變化、變形位移等。通過結(jié)果顯示實時發(fā)現(xiàn)板料成形過程中可能存在的各種缺陷(破裂、起皺)，對板料成形參數(shù)或模具提出修改意見，指導(dǎo)實際的模具設(shè)計。

圖7為本實例中的成形極限圖，從圖中可以清晰地了解該覆蓋件在拉延結(jié)束后的成形質(zhì)量存在兩個問題:①零件中間橋部以及兩端傾斜面處均出現(xiàn)起皺現(xiàn)象;四周邊部也有起皺(這部分可以通過后續(xù)修邊工序去除)。原因是中間橋部處金屬流入凹模較快，而兩端傾斜面處由于拉延深度較淺，金屬流入也較快。為減少此缺陷需增加這兩處的金屬流動阻力。一般通過調(diào)整拉延筋參數(shù)來獲得，即要增加拉延筋的深度或條數(shù);②零件存在有拉裂傾向的區(qū)域(圖7中圓圈處)，而該區(qū)域拉延深度較大，說明此區(qū)域金屬流動阻力較大，因此需減少此處的流動阻力。顯然所設(shè)置的拉延筋或是設(shè)置的工藝補充面的主截面線參數(shù)不合理，也需要進行調(diào)整。

圖7 成形極限圖

4 工藝參數(shù)優(yōu)化

由圖7可知，中間橋部及兩端傾斜面處均出現(xiàn)起皺現(xiàn)象及圖中圓圈處存在拉裂缺陷。為減少或消除以上出現(xiàn)的兩個問題，對工藝參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化:

(1)增加進料阻力，減少中間橋部以及兩端傾斜面處的材料流入程度。拉延筋的深度由5 mm改為10 mm;并且拉延筋由原來的布置一周改為部分布置如圖8所示。

圖8 修改后的拉延筋布置模型

(2)針對拉裂傾向的區(qū)域，減少進料阻力，增加該區(qū)域的材料流入程度，撤消該區(qū)域的拉延筋，并且修改該區(qū)域工藝補充面的主截面線參數(shù)。圖9為覆蓋件拉深結(jié)束時的成形性云圖及對應(yīng)的成形極限圖。從圖中可以清晰地看到起皺現(xiàn)象大大減輕，并且已不存在有拉裂傾向的區(qū)域。表明調(diào)整后的工藝參數(shù)比較合理，可依此指導(dǎo)實際工藝設(shè)計和試模生產(chǎn)。

圖9 優(yōu)化調(diào)整后的成形極限圖

5 結(jié)語

隨著有限元模擬技術(shù)的日益成熟，對于復(fù)雜的汽車覆蓋件，采用該技術(shù)模擬材料成形時的塑性流動情況。通過對模擬結(jié)果的分析，可預(yù)測原先只有通過試模才可能暴露的成形缺陷。針對可能出現(xiàn)的缺陷，經(jīng)過反復(fù)模擬，做出對應(yīng)工藝參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整，減少缺陷的產(chǎn)生。并可將優(yōu)化的工藝參數(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，為模具設(shè)計和優(yōu)化提供參考依據(jù)，降低模具設(shè)計及加工成本，縮短制造周期。

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