基于DYNAFORM的汽車車門成形模擬研究

唐凌霄 王玉勤 黃凱旋 周 革 豆忠穎 楊曉麗 杜曉陽

（1 安徽中鼎飛彩車輛有限公司，安徽 宣城 242000）（2 巢湖學院電子工程與電氣自動化學院，安徽 巢湖 238000）（3 安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000）（4 國家汽車零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（蕪湖），安徽 蕪湖 241000）（5 奇瑞汽車有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

汽車車門是金屬沖壓成形零件,由于車門需要滿足其他諸如外觀、結(jié)構(gòu)、底盤等部件的安裝要求及整車安全性要求,車門金屬沖壓零件形狀變得越來越復雜。車門零件的這種要求為其設計制造增加了約束,導致其成形困難,后期需要設計部門根據(jù)制造部門的要求不斷對零件進行修改,這在一定程度上降低了新車型的開發(fā)效率。隨著CAD/CAE/CAM技術(shù)的發(fā)展,汽車車門金屬沖壓零件結(jié)構(gòu)與工藝設計完全突破了傳統(tǒng)的設計方法,而計算機數(shù)值計算仿真技術(shù)對沖壓成形的模擬是目前金屬沖壓零件沖壓成形分析中最活躍的領(lǐng)域。車門制件沖壓成形模擬可大大地減少試模修模時間和經(jīng)費，減少模具設計周期，降低設計制造成本，對汽車覆蓋件實際投入模具制造時的工藝制定也具有重要的參考價值。

上世紀70年代以來，人們逐漸以數(shù)值模擬技術(shù)為輔助手段進行板料成形模具設計，大大降低了生產(chǎn)制造成本，雖然目前板料成形的數(shù)值模擬軟件已經(jīng)商業(yè)化，但板料成形的模擬技術(shù)還不夠完善，仍然是國內(nèi)外研究的熱點。目前研究金屬板料成形模擬主要集中于有限元算法、接觸與摩擦、成形極限圖、缺陷等幾個方面[1-2]。

以有限元為基礎的數(shù)值模擬技術(shù)越來越多應用于金屬板料成形中，大型覆蓋件拉延成形具有特別復雜的力學過程，是非常典型的非線性問題，其影響因素多種多樣的，這就給傳統(tǒng)意義上的有限元數(shù)值模擬造成了很大的挑戰(zhàn)。薄板成形有限元分析涉及數(shù)學、力學、材料學、數(shù)值方法、模具制造以及計算機科學，是一門新興的交叉學科[3-6]。從力學的觀點來看，它涉及了大位移、大應變、大轉(zhuǎn)動、彈塑性材料及摩擦接觸，是一個典型的非線性問題，因而也成為計算力學中最富有挑戰(zhàn)性的課題之一。

1 DYNAFORM板料成形的有限元理論基礎

板料成形的模擬從數(shù)值計算上分析是一個高度非線性的問題，涉及到材料、幾何和接觸非線性[7，8]。實際數(shù)值計算中一般采用更新的拉格朗日法和數(shù)率型的本構(gòu)關(guān)系去處理成形過程中的大應變和大變形問題[9，10]。這里采用逐級更新的Langange法是彈塑性有限元基礎，在xi坐標下以t時刻構(gòu)形為參考構(gòu)形的虛擬功率原理為：

式（5）中：P、Q、R 分別代表90°、45°、0°方向上的各向異性指數(shù)。

2 基于DYNAFORM的車門模面前處理

2.1DYNAFORM 初步處理

先從UG中打開汽車車門的三維模型圖，在圖層中關(guān)閉含有多余的結(jié)構(gòu)、標注尺寸等的圖層，僅需保留需要進行模擬的內(nèi)板結(jié)構(gòu)。選擇菜單“文件”→“導出” →“iges”，彈出對話框，設置好導出路徑，選擇內(nèi)板結(jié)構(gòu)導出對象，確定后，系統(tǒng)開始自動生成iges格式文件。

打開DYNAFORM軟件，通過“文件”→“導入”，在文件中選擇UG導出的iges文件，從而將零件的幾何模型導入DYNAFORM，然后創(chuàng)建DIE，完成網(wǎng)格劃分并進行網(wǎng)格檢查修補，如圖1所示。式（1）中：V，A分別為參考構(gòu)形的體積和表面積；Pi、分別為參考構(gòu)形的體積力率和面積力率；τji為第一類Kirchhoff應力率。

假設塑性變形體積是不可壓縮的，即可得到τji與Cauchy應力σij的關(guān)系，公式如下所示：

將本式和本構(gòu)關(guān)系方程式代入上式，得到單元平衡方程并按常規(guī)方法組裝總體剛度方程：

板料成形過程是大位移大變形過程，一般采用數(shù)率型的本構(gòu)方程。經(jīng)典的基于流動理論正交各項異性希爾二次屈服函數(shù)的速率本構(gòu)方程可表示為：

圖1 曲面網(wǎng)格劃分結(jié)果

完成DIE創(chuàng)建后分別進行PUNCH零件層，BINDER零件層，BLANK零件層的創(chuàng)建，并進行相關(guān)網(wǎng)格處理。

2.2 板料成形設置

創(chuàng)建完成 DIE、PUNCH、BINDER和 BLANK后，就可以進行板料成形的最后設置，主要是定義和定位凸凹模、壓邊圈，設置壓邊力等。打開菜單“設置”→“自動設置”，彈出新建模擬對話框，將模擬類型設置為板料成形，單擊確定后進入板料成形界面。

2.2.1 毛坯定位

在板料成形界面中，選擇板料選項，在零件層列表中打開BLANK零件層，再定義材料，點擊材料，從材料庫中選擇代號DDQ的材料，對應T36，系統(tǒng)會自動加載出材料特性曲線。在單擊屬性，彈出的對話框中將單元公式選項改為16，確定后可看到顯示ELFORM=16，其它項采用默認設置即可。

2.2.2 凸凹模、壓邊圈定位

打開板料成形的工序選項，將DIE、PUNCH、BINDER零件層分別對應定義到凹模、凸模、壓邊圈中，在幾何體處打開零件層列表，對應的選擇DIE、PUNCH、BINDER零件層，調(diào)整工作方向和移動距離。

因為三者均以板料作為參考面，所以凹模、凸模、壓邊圈的工作方向必須全部指向板料，按照 從 上 到 下 依 次 為 DIE、BLANK、BINDER、PUNCH的順序排開，調(diào)整距離保證四者之間無重疊部分。在定義DIE時，應通過“定位…”將die定位到on binder。設定如圖2所示。

圖2 DIE、BINDER、PUNCH 的定位

2.2.3 設置工序、控制參數(shù)

打開工序選項，將drawing選項中的壓邊力先調(diào)整為80噸。在板料拉延過程中，壓邊力的大小起到重要作用，直接影響沖壓件的質(zhì)量。

在壓邊力的設置中，如果壓邊力過小，則不能有效控制材料的流動，材料無法得到完全拉伸，可能導致板料容易起皺；而如果壓邊力過大則有產(chǎn)生拉裂的危險，而且將增加模具與板料表面受損的危險，影響模具的使用壽命和板料的成形質(zhì)量。所以，只有通過多次調(diào)試，根據(jù)成形模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果來調(diào)整合適的壓邊力，車門內(nèi)板結(jié)構(gòu)復雜，面積較大，內(nèi)部零件比較多，因此壓邊力也很大，需要經(jīng)過調(diào)試修改，查看成形結(jié)果情況，從而選擇出最合適的壓邊力大小。其余參數(shù)使用默認值即可。

再打開控制參數(shù)選項，單擊時間步長和自適應次數(shù)，軟件會自動計算出合適的參數(shù)，計算的自適應次數(shù)為300次。每次在修改了板料、工具、工序的相關(guān)參數(shù)之后，都必須重新更新一下控制參數(shù)，讓系統(tǒng)再計算一遍時間步長和自適應次數(shù)。

2.3 DYNAFORM 求解器計算

在已經(jīng)驗證工具的運動是正確的之后，就可以使用DYNAFORM軟件提供的LS-DYNA求解器進行數(shù)據(jù)的計算，將生成的dyn格式文件提交到LS-DYNA進行求解，生成板料成形的數(shù)據(jù)結(jié)果，求解計算出沖壓各階段的應力、厚薄變化等等。LS-DYNA的使用有多種方法，可以通過“文件”→“以卡片組的形式提交到Dyna”，選擇生成的dyn文件求解；也可以在生成dyn文件時直接提交到LS-DYNA。

3 DYNAFORM的后處理

3.1 成型極限圖FLD

這里為了方便分析坯料的結(jié)果情況，只需要分析成形模擬的結(jié)果圖形。

從打開的成形極限圖中可以看出板料成形結(jié)果，右上方的顏色條表示拉裂起皺趨勢情況，其中，紅色區(qū)域代表拉裂，黃色區(qū)域代表拉裂危險，綠色區(qū)域代表安全區(qū)域，藍色區(qū)域代表有起皺趨勢，粉色區(qū)域代表起皺，紫色區(qū)域代表嚴重起皺，灰色區(qū)域則代表未完全拉伸。車門是大型汽車覆蓋件，面積大，結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)部零部件很多，沖壓尺寸大且不均勻，需要多次調(diào)整參數(shù)，反復模擬才能得到理想的結(jié)果。

圖3可以看出車門存在輕微的拉裂和拉裂趨勢的區(qū)域，即紅色和黃色的區(qū)域，分布于車門的棱角、邊框等微小的地方，圖中比較大面積的紫色區(qū)域，即嚴重起皺，但是幾乎全部位于車門周圍的邊框部分，實際需要的車門結(jié)構(gòu)不包括邊框或法蘭部分，因此不影響成品的結(jié)果。因此，成形模擬基本合適，存在的輕微拉裂情況可以通過修改模型來調(diào)整，ETA/POST提供了車門模面各個點的數(shù)據(jù)參數(shù)，可以清楚看出每一點的應力大小。圖4、圖5分別為局部拉裂圖和邊框起皺圖。

圖4 局部拉裂圖

圖5 邊框起皺圖

表1和表2為相應的拉裂和起皺數(shù)據(jù)表。

表1 局部拉裂數(shù)據(jù)表

表2 起皺數(shù)據(jù)表

表1和表2為一些局部拉裂起皺數(shù)據(jù)，由于表格數(shù)據(jù)一次最多顯示10個點，所以應合理分布這十個點方便觀察。從數(shù)據(jù)表中可以看出這些點的最大最小應力、誤差等參數(shù)。DYNAFORM的計算模擬是保守計算，模擬結(jié)果里出現(xiàn)的缺陷在實際生產(chǎn)中一定會發(fā)生，所以必須進行修改參數(shù)設置，或者修改車門模型中的不合理部分，直至模擬出理想的結(jié)果，節(jié)省實際的調(diào)試時間和生產(chǎn)成本，提高工作效率。對于本課題而言，主要是熟悉DYNAFORM成形的模擬過程和數(shù)據(jù)分析，雖然存在輕微缺陷，但是模擬基本是成功的，可以稍微修改車門模型，優(yōu)化一些局部極限尺寸，擴大棱角的度數(shù)等等。

3.2 厚度變化情況

在結(jié)果菜單中可以看到板料成形厚薄的變化過程，在Current Component下拉菜單中選擇Thickness（絕對值）或者 Thinning（相對減薄率）選項，如下圖所示。同樣點擊Play按鈕可以進行動畫顯示厚度變化過程，可以通過移動Prame/Second滑塊設置動畫速度，單擊Stop按鈕終止動畫顯示。這里仍然使用動畫的最后一幀進行模擬，Single Frame中選擇最后一幀打開，即第37幀，可以看到板料的厚度變化顏色，如圖6所示。

前處理中已經(jīng)設定毛坯的厚度為0.8mm，對于板料成形而言，一般認為變薄率在30%以內(nèi)都是可行的，只要不低于0.56mm就比較合適，如表3和圖7所示：

表3 前處理中變薄率

圖7 局部厚度參數(shù)

從表3中參數(shù)可以看出，在車門局部邊緣部位沒有拉裂和明顯起皺，厚度在正常范圍內(nèi)，最小值為0.620195＞0.56，而邊框的部分如5、6兩點的參數(shù)分別對應0.802683、0.804416，但是邊框部分在成形后會沖裁掉，因此輕微的起皺可以忽略不計，不影車門的情況，相對減薄率如表4和圖8所示。

表4 相對減薄率

圖8 局部相對減薄率

4 結(jié)論

4.1 使用DYNAFORM對汽車車門進行沖壓成形數(shù)值模擬，模擬顯示壓邊力是影響成形質(zhì)量的重要參數(shù)。因此可以根據(jù)制件質(zhì)量作為評價依據(jù)選定最佳沖壓力。

4.2 通過DYNAFORM對汽車車門的成形模擬數(shù)據(jù)顯示，變薄率在30%內(nèi)對汽車車門不產(chǎn)生嚴重影響。

4.1 利用板料成形模擬可及時發(fā)現(xiàn)問題，進行優(yōu)化修改，大大減少模具調(diào)試周期，降低制模成本，對工藝的改良有著重大影響。

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