基于JSTAMP/NV的汽車外覆蓋件表面缺陷仿真分析

文/李彥波，劉紅武·廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院

基于JSTAMP/NV的汽車外覆蓋件表面缺陷仿真分析

文/李彥波，劉紅武·廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院

汽車覆蓋件是典型的復(fù)雜曲面薄板沖壓件，表面缺陷問題（如面畸變）是影響其成形精度及表面質(zhì)量的重要因素之一。面畸變是汽車覆蓋件表面產(chǎn)生的局部起伏（或凸凹），其起伏高度一般在幾十到幾百微米。隨著消費(fèi)者對汽車外觀質(zhì)量、汽車經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性要求的不斷提高，生產(chǎn)商開始在車身中廣泛應(yīng)用板料厚度更小的高強(qiáng)度鋼板和鋁板，與此同時(shí)，對薄板類零件成形精度的要求越來越高，汽車外覆蓋件表面缺陷問題變得日趨突出。如圖1所示，為在制造汽車外覆蓋件過程中經(jīng)常產(chǎn)生的典型表面缺陷。因此，覆蓋件模具設(shè)計(jì)和制造中的面畸變問題開始受到工程和研究人員的極大關(guān)注。

圖1 汽車外覆蓋件上的典型表面缺陷

面畸變在生產(chǎn)上亦稱暗坑，由于直接目視觀察覆蓋件表面時(shí)很難或無法發(fā)現(xiàn)這種缺陷，車身在油漆后經(jīng)過照射才表現(xiàn)出來。面畸變問題的存在是目前轎車外覆蓋件表面質(zhì)量的重要影響因素，該缺陷的存在嚴(yán)重制約了汽車覆蓋件表面質(zhì)量的提高，顯著地增加了試、修模工作量，故在實(shí)際生產(chǎn)中迫切需要對此采取更加有效的措施。目前，部分高校和企業(yè)的工程人員嘗試采用ANSYS和LSDYNA等有限元仿真軟件對覆蓋件進(jìn)行數(shù)值模擬來預(yù)測其表面缺陷，主要通過軟件對仿真結(jié)果進(jìn)行斑馬條紋反射或光照，但是這些方法存在著不能進(jìn)行定量分析，并且大多要借助豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)才能進(jìn)行準(zhǔn)確地判斷的不足。2011年初，日本JSOL公司開發(fā)的JSTAMP/NV軟件2.5版本率先發(fā)布了分析外覆蓋件表面質(zhì)量缺陷的解決方案——油石仿真模塊，能有效地幫助工程師在模具設(shè)計(jì)階段分析凹坑等外覆蓋件表面質(zhì)量缺陷。本文首先對先進(jìn)的板材沖壓仿真有限元分析軟件JSTAMP/NV及其專用于解決覆蓋件表面缺陷問題的油石仿真模塊進(jìn)行介紹，再以某汽車門外板為實(shí)例，敘述應(yīng)用JSTAMP/NV對汽車外覆蓋件進(jìn)行表面質(zhì)量仿真分析的過程。

JSTAMP/NV軟件及其油石仿真機(jī)理介紹

JSTAMP/NV是由日本株式會(huì)社JSOL開發(fā)的基于LS-DYNA通用求解器的鈑金沖壓成形仿真軟件。JSTAMP/NV軟件能夠模擬鈑金沖壓的所有類型，包括：自重偏斜、板料夾緊、壓邊、拉深筋布置、沖壓加載、拉深成形、切邊、翻邊、液壓成形、彎管成形、熱成形及卸載回彈等；能夠精確地預(yù)測開裂、褶皺、回彈，尤其是高強(qiáng)度鋼板的回彈，是當(dāng)前市場上惟一一款可以不通過第三方軟件便可以生成高精度回彈補(bǔ)償模面數(shù)據(jù)并可直接用于CNC加工的軟件；能幫助模具設(shè)計(jì)人員顯著減少模具設(shè)計(jì)時(shí)間和修模周期，以縮短交貨工期，降低生產(chǎn)成本；目前廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、鋼鐵冶煉和家電等工業(yè)領(lǐng)域。此外，JSTAMP/NV還具有加熱成形，精確計(jì)算模具變形量，溜料仿真等功能。可簡單應(yīng)用實(shí)體單元進(jìn)行多工序拉延，提供豐富的材料數(shù)據(jù)庫、拉深筋數(shù)據(jù)庫。

JSTAMP/NV軟件的油石仿真模塊可以基于產(chǎn)品三維掃描數(shù)據(jù)或仿真分析后得到的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，在軟件中模擬油石的測量功能，對存在表面缺陷的汽車外覆蓋件進(jìn)行檢測與評價(jià)。該油石仿真模塊再現(xiàn)了在板料表面使用油石打磨的過程，其仿真計(jì)算的機(jī)理如圖2所示，按照指定的檢查方向移動(dòng)面板，同時(shí)計(jì)算油石分析面的橫截面與油石間的距離，并以分布云圖的方式表示出來以幫助工程師確認(rèn)覆蓋件的表面質(zhì)量是否存在缺陷及其具體位置和嚴(yán)重程度。對油石仿真的結(jié)果進(jìn)行凹、凸分布的判斷機(jī)理如圖3所示，即在油石結(jié)果的分布云圖中顯示表現(xiàn)為：若該點(diǎn)的數(shù)值較大而周圍的數(shù)值較小，則該點(diǎn)為凹陷；反之，若該點(diǎn)的數(shù)值較小而周圍的數(shù)值較大，則該點(diǎn)為凸起。油石仿真模塊已在多家企業(yè)的生產(chǎn)過程中得到了成功應(yīng)用，受到用戶的好評。

圖2 基于JSTAMP/NV油石仿真計(jì)算機(jī)理

圖3 基于JSTAMP/NV油石仿真中凹、凸分布的判斷機(jī)理

■ 表1 材料的力學(xué)參數(shù)

汽車門外板油石仿真分析案例

以某汽車門外板為研究對象，運(yùn)用JSTAMP/NV對其進(jìn)行油石仿真分析，仿真過程為：首先通過顯式算法模擬動(dòng)態(tài)拉延成形過程，然后利用隱式靜態(tài)算法模擬回彈變形，在精確預(yù)測出回彈變形的基礎(chǔ)上執(zhí)行油石仿真計(jì)算以預(yù)測汽車外覆蓋件表面質(zhì)量的缺陷。在JSTAMP/NV前處理中采用對稱模型建立的仿真分析模型，如圖4所示，包括凸模、凹模、板料和壓邊圈，模具采用倒裝結(jié)構(gòu)，以單動(dòng)拉延方式成形。材料牌號為DX53D，其力學(xué)參數(shù)見表1。應(yīng)用JSTAMP/NV對該汽車外覆蓋件沖壓過程進(jìn)行仿真分析，工序包括自重、拉延、回彈和油石。

圖4 某汽車門外板有限元仿真模型

在獲取精確的回彈仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用JSTAMP/NV的油石仿真功能按照以下四個(gè)操作步驟所述對此案例進(jìn)行表面質(zhì)量仿真分析：⑴準(zhǔn)備形狀數(shù)據(jù)：首先在回彈工序的后處理窗口中，把分析得到的結(jié)果數(shù)據(jù)另存為用于油石仿真計(jì)算的網(wǎng)格文件，并在新窗口中打開該文件；⑵油石仿真參數(shù)設(shè)定：指定油石仿真區(qū)域和油石仿真參數(shù)；⑶進(jìn)行油石計(jì)算：指定單獨(dú)文件輸出的輸入文件夾和計(jì)算結(jié)果輸出文件夾，設(shè)定 LS-DYNA求解器用于油石計(jì)算，并執(zhí)行油石仿真計(jì)算；⑷ 查看油石計(jì)算的結(jié)果：打開后處理窗口，輸入油石分析結(jié)果文件并利用分布圖查看計(jì)算結(jié)果。

該汽車門外板油石仿真分析結(jié)果如圖5所示，在門把手輪廓附近出現(xiàn)了凹陷表面缺陷，其中有2處尤其明顯（紅色區(qū)域）。經(jīng)驗(yàn)證，此仿真預(yù)測的結(jié)果與試模結(jié)果非常吻合。

圖5 基于JSTAMP/NV的某汽車門外板油石仿真分析結(jié)果

結(jié)束語

凸起和凹坑是汽車外覆蓋件成形過程中常見的表面缺陷，解決此問題的傳統(tǒng)方法是通過不斷試模、修模來進(jìn)行控制和修復(fù)，因此耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，造成了極大的浪費(fèi)。而利用JSTAMP/NV有限元分析軟件率先提出的油石仿真功能模塊對汽車外覆蓋件可能出現(xiàn)的表面缺陷進(jìn)行仿真分析和預(yù)測，可以真實(shí)地模擬出零件的實(shí)際沖壓過程，并在試模前能準(zhǔn)確預(yù)測出汽車外覆蓋件可能出現(xiàn)的表面缺陷問題，從而對實(shí)際生產(chǎn)中采取工藝措施來減少和控制此類缺陷的出現(xiàn)有重要指導(dǎo)意義，可大幅度減少模具返修次數(shù)及修模工作。