汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE技術(shù)分析

孫子祥

摘 要：該文在概述汽車覆蓋件特點(diǎn)要求和CAE技術(shù)基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，給出了汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE技術(shù)的一般過程，并結(jié)合轎車頂蓋形件模具設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE的實(shí)例，具體分析了CAE技術(shù)在汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車覆蓋件 模具設(shè)計(jì) CAE技術(shù) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0039-01

1 汽車覆蓋件和CAE技術(shù)概述

汽車覆蓋件是指構(gòu)成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內(nèi)部零件。汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)必須采取較高的尺寸精度，保障焊裝或組裝時(shí)的準(zhǔn)確性和互換性：形狀上要保證質(zhì)量，不出現(xiàn)壓凹痕、褶皺、擦傷等，棱線應(yīng)清晰、平直，曲線應(yīng)圓滑、過渡均勻；材料要足夠塑性；零件要足夠剛性。

CAE技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，能夠貫穿汽車開發(fā)全過程，包括結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化；噪聲、振動(dòng)與不平順分析；汽車碰撞模擬分析；覆蓋件成形性模擬分析等，應(yīng)用十分廣泛，但CAE技術(shù)難度大，深度深。

2 汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE技術(shù)的一般過程

應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)制造需要反復(fù)設(shè)計(jì)，其一般的理論過程主要是：（1）設(shè)計(jì)零件幾何模型。即應(yīng)用CAE技術(shù)，首先要在根據(jù)金屬塑性成形過程的材料流動(dòng)規(guī)律，在三維CAD軟件中設(shè)計(jì)出零件的幾何模型，并設(shè)計(jì)出壓料面和工藝補(bǔ)充面。（2）建立有限元模型。根據(jù)上述的成形模具的幾乎模型建立有限元模型，進(jìn)行有限元計(jì)算。（3）分析試運(yùn)行結(jié)果。如果不滿意分析結(jié)果，就需要重新返回三維CAD軟件中重新修改零件的幾何模型，并將修改或模型再次進(jìn)行CAE分析，這其中離不開生產(chǎn)有限元網(wǎng)格和設(shè)置成形參數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例介紹

以一輪廓尺寸為164 cm×88.5 cm的轎車頂蓋形件為例，以此來說明如何應(yīng)用材料成形沖壓CAE技術(shù)在汽車覆蓋件沖壓拉深成形數(shù)值模擬仿真過程及其工藝參數(shù)優(yōu)化的應(yīng)用。

3.1 設(shè)計(jì)車蓋幾何模型

進(jìn)行工藝補(bǔ)充面初步設(shè)計(jì)，采用平面坯料一次拉伸成形，在UG軟件①中建立蓋形件三維立體模型，后進(jìn)行抽面處理，并將添加補(bǔ)充面后的曲面模型（見圖1：車蓋曲面模型）導(dǎo)入到?jīng)_壓仿真Dyanform軟件中。

3.2 建立有限元模型并分析

采用自適應(yīng)網(wǎng)格，劃分坯料網(wǎng)格，可以采用自適應(yīng)網(wǎng)格或者曲線劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的單位數(shù)越小，模擬運(yùn)算板料變形精確度越高，但所需的計(jì)算時(shí)間也相應(yīng)地增長(zhǎng)。通過網(wǎng)格劃分，建立三維零件曲面的有限元模擬模型（見圖2：有限元模型）。

3.3 試運(yùn)行結(jié)果分析

采用1/2模型模擬，由于采用平面坯料一次拉伸成形，因此坯料在壓邊過程出現(xiàn)深度達(dá)10 cm以上的嚴(yán)重內(nèi)凹（見圖3：嚴(yán)重內(nèi)凹），導(dǎo)致過多材料積聚于坯料中間部位，成形車蓋中間部位材料變量過小，其剛度會(huì)受到嚴(yán)重影響。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)汽車頂蓋件設(shè)計(jì)出現(xiàn)的上述內(nèi)凹問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)可以考慮先預(yù)成形，后拉深成形，通過計(jì)算，最大主應(yīng)變值為0.72%，預(yù)成形后各板料部位應(yīng)變量較小，對(duì)后續(xù)拉深成形影響可以忽略不計(jì)，因此，此方案可行。

3.4.1 優(yōu)化工藝補(bǔ)充面

通常，設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面需要相同化板料拉延深度，促使板料均勻流動(dòng)。針對(duì)在此拉深成形模擬中出現(xiàn)的中部板料嚴(yán)重變形問題，可考慮增加中部拉延深度，以避免車蓋模具中間位置面積大而曲率小的缺陷，以從其他臨近位置補(bǔ)充中間板料?；蛘邔毫厦嬷虚g位置改為平面，進(jìn)一步加大中部拉延深度，結(jié)果表明，明顯改善了成形效果，相應(yīng)位置模具圓角的修改也很好地解決了模具出現(xiàn)的開裂問題。

3.4.2 優(yōu)化模具圓角和坯料幾何

要提高汽車覆蓋件成形效果，采用修改模具圓角是常用方式，但要保障覆蓋件的基本性能，本例主要修改了工藝補(bǔ)充面的圓角特征來解決開裂實(shí)效問題。而優(yōu)化坯料的幾何形狀，則包括優(yōu)化其尺寸，切開位置，并借助逆向法有限元計(jì)算進(jìn)行估算，以估計(jì)出復(fù)雜邊界零件的坯料幾何。轎車頂蓋覆蓋件由于其邊界接近矩形，因此，可以用矩形的板料作為坯料的基本形狀并對(duì)其進(jìn)行局部修改以最終實(shí)現(xiàn)成形要求。

結(jié)果證明，案例中的轎車頂蓋覆蓋件在應(yīng)用CAE技術(shù)并進(jìn)行坯料幾何和模具圓角的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，明顯改善了轎車頂蓋的成形條件并提高了汽車頂蓋的沖壓成形效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳劍鶴.汽車覆蓋件沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 曹振雨.淺談汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)與制造[J].精密制造與自動(dòng)化，2013（2）：54-58.

注釋

① 三維建模軟件（如Pro/e，UG、CATIA等）的一種。

摘 要：該文在概述汽車覆蓋件特點(diǎn)要求和CAE技術(shù)基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，給出了汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE技術(shù)的一般過程，并結(jié)合轎車頂蓋形件模具設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE的實(shí)例，具體分析了CAE技術(shù)在汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車覆蓋件 模具設(shè)計(jì) CAE技術(shù) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0039-01

1 汽車覆蓋件和CAE技術(shù)概述

汽車覆蓋件是指構(gòu)成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內(nèi)部零件。汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)必須采取較高的尺寸精度，保障焊裝或組裝時(shí)的準(zhǔn)確性和互換性：形狀上要保證質(zhì)量，不出現(xiàn)壓凹痕、褶皺、擦傷等，棱線應(yīng)清晰、平直，曲線應(yīng)圓滑、過渡均勻；材料要足夠塑性；零件要足夠剛性。

CAE技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，能夠貫穿汽車開發(fā)全過程，包括結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化；噪聲、振動(dòng)與不平順分析；汽車碰撞模擬分析；覆蓋件成形性模擬分析等，應(yīng)用十分廣泛，但CAE技術(shù)難度大，深度深。

2 汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE技術(shù)的一般過程

應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)制造需要反復(fù)設(shè)計(jì)，其一般的理論過程主要是：（1）設(shè)計(jì)零件幾何模型。即應(yīng)用CAE技術(shù)，首先要在根據(jù)金屬塑性成形過程的材料流動(dòng)規(guī)律，在三維CAD軟件中設(shè)計(jì)出零件的幾何模型，并設(shè)計(jì)出壓料面和工藝補(bǔ)充面。（2）建立有限元模型。根據(jù)上述的成形模具的幾乎模型建立有限元模型，進(jìn)行有限元計(jì)算。（3）分析試運(yùn)行結(jié)果。如果不滿意分析結(jié)果，就需要重新返回三維CAD軟件中重新修改零件的幾何模型，并將修改或模型再次進(jìn)行CAE分析，這其中離不開生產(chǎn)有限元網(wǎng)格和設(shè)置成形參數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例介紹

以一輪廓尺寸為164 cm×88.5 cm的轎車頂蓋形件為例，以此來說明如何應(yīng)用材料成形沖壓CAE技術(shù)在汽車覆蓋件沖壓拉深成形數(shù)值模擬仿真過程及其工藝參數(shù)優(yōu)化的應(yīng)用。

3.1 設(shè)計(jì)車蓋幾何模型

進(jìn)行工藝補(bǔ)充面初步設(shè)計(jì)，采用平面坯料一次拉伸成形，在UG軟件①中建立蓋形件三維立體模型，后進(jìn)行抽面處理，并將添加補(bǔ)充面后的曲面模型（見圖1：車蓋曲面模型）導(dǎo)入到?jīng)_壓仿真Dyanform軟件中。

3.2 建立有限元模型并分析

采用自適應(yīng)網(wǎng)格，劃分坯料網(wǎng)格，可以采用自適應(yīng)網(wǎng)格或者曲線劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的單位數(shù)越小，模擬運(yùn)算板料變形精確度越高，但所需的計(jì)算時(shí)間也相應(yīng)地增長(zhǎng)。通過網(wǎng)格劃分，建立三維零件曲面的有限元模擬模型（見圖2：有限元模型）。

3.3 試運(yùn)行結(jié)果分析

采用1/2模型模擬，由于采用平面坯料一次拉伸成形，因此坯料在壓邊過程出現(xiàn)深度達(dá)10 cm以上的嚴(yán)重內(nèi)凹（見圖3：嚴(yán)重內(nèi)凹），導(dǎo)致過多材料積聚于坯料中間部位，成形車蓋中間部位材料變量過小，其剛度會(huì)受到嚴(yán)重影響。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)汽車頂蓋件設(shè)計(jì)出現(xiàn)的上述內(nèi)凹問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)可以考慮先預(yù)成形，后拉深成形，通過計(jì)算，最大主應(yīng)變值為0.72%，預(yù)成形后各板料部位應(yīng)變量較小，對(duì)后續(xù)拉深成形影響可以忽略不計(jì)，因此，此方案可行。

3.4.1 優(yōu)化工藝補(bǔ)充面

通常，設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面需要相同化板料拉延深度，促使板料均勻流動(dòng)。針對(duì)在此拉深成形模擬中出現(xiàn)的中部板料嚴(yán)重變形問題，可考慮增加中部拉延深度，以避免車蓋模具中間位置面積大而曲率小的缺陷，以從其他臨近位置補(bǔ)充中間板料?；蛘邔毫厦嬷虚g位置改為平面，進(jìn)一步加大中部拉延深度，結(jié)果表明，明顯改善了成形效果，相應(yīng)位置模具圓角的修改也很好地解決了模具出現(xiàn)的開裂問題。

3.4.2 優(yōu)化模具圓角和坯料幾何

要提高汽車覆蓋件成形效果，采用修改模具圓角是常用方式，但要保障覆蓋件的基本性能，本例主要修改了工藝補(bǔ)充面的圓角特征來解決開裂實(shí)效問題。而優(yōu)化坯料的幾何形狀，則包括優(yōu)化其尺寸，切開位置，并借助逆向法有限元計(jì)算進(jìn)行估算，以估計(jì)出復(fù)雜邊界零件的坯料幾何。轎車頂蓋覆蓋件由于其邊界接近矩形，因此，可以用矩形的板料作為坯料的基本形狀并對(duì)其進(jìn)行局部修改以最終實(shí)現(xiàn)成形要求。

結(jié)果證明，案例中的轎車頂蓋覆蓋件在應(yīng)用CAE技術(shù)并進(jìn)行坯料幾何和模具圓角的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，明顯改善了轎車頂蓋的成形條件并提高了汽車頂蓋的沖壓成形效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳劍鶴.汽車覆蓋件沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 曹振雨.淺談汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)與制造[J].精密制造與自動(dòng)化，2013（2）：54-58.

注釋

① 三維建模軟件（如Pro/e，UG、CATIA等）的一種。

摘 要：該文在概述汽車覆蓋件特點(diǎn)要求和CAE技術(shù)基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，給出了汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE技術(shù)的一般過程，并結(jié)合轎車頂蓋形件模具設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE的實(shí)例，具體分析了CAE技術(shù)在汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車覆蓋件 模具設(shè)計(jì) CAE技術(shù) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0039-01

1 汽車覆蓋件和CAE技術(shù)概述

汽車覆蓋件是指構(gòu)成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內(nèi)部零件。汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)必須采取較高的尺寸精度，保障焊裝或組裝時(shí)的準(zhǔn)確性和互換性：形狀上要保證質(zhì)量，不出現(xiàn)壓凹痕、褶皺、擦傷等，棱線應(yīng)清晰、平直，曲線應(yīng)圓滑、過渡均勻；材料要足夠塑性；零件要足夠剛性。

CAE技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，能夠貫穿汽車開發(fā)全過程，包括結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化；噪聲、振動(dòng)與不平順分析；汽車碰撞模擬分析；覆蓋件成形性模擬分析等，應(yīng)用十分廣泛，但CAE技術(shù)難度大，深度深。

2 汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)應(yīng)用CAE技術(shù)的一般過程

應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)制造需要反復(fù)設(shè)計(jì)，其一般的理論過程主要是：（1）設(shè)計(jì)零件幾何模型。即應(yīng)用CAE技術(shù)，首先要在根據(jù)金屬塑性成形過程的材料流動(dòng)規(guī)律，在三維CAD軟件中設(shè)計(jì)出零件的幾何模型，并設(shè)計(jì)出壓料面和工藝補(bǔ)充面。（2）建立有限元模型。根據(jù)上述的成形模具的幾乎模型建立有限元模型，進(jìn)行有限元計(jì)算。（3）分析試運(yùn)行結(jié)果。如果不滿意分析結(jié)果，就需要重新返回三維CAD軟件中重新修改零件的幾何模型，并將修改或模型再次進(jìn)行CAE分析，這其中離不開生產(chǎn)有限元網(wǎng)格和設(shè)置成形參數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例介紹

以一輪廓尺寸為164 cm×88.5 cm的轎車頂蓋形件為例，以此來說明如何應(yīng)用材料成形沖壓CAE技術(shù)在汽車覆蓋件沖壓拉深成形數(shù)值模擬仿真過程及其工藝參數(shù)優(yōu)化的應(yīng)用。

3.1 設(shè)計(jì)車蓋幾何模型

進(jìn)行工藝補(bǔ)充面初步設(shè)計(jì)，采用平面坯料一次拉伸成形，在UG軟件①中建立蓋形件三維立體模型，后進(jìn)行抽面處理，并將添加補(bǔ)充面后的曲面模型（見圖1：車蓋曲面模型）導(dǎo)入到?jīng)_壓仿真Dyanform軟件中。

3.2 建立有限元模型并分析

采用自適應(yīng)網(wǎng)格，劃分坯料網(wǎng)格，可以采用自適應(yīng)網(wǎng)格或者曲線劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的單位數(shù)越小，模擬運(yùn)算板料變形精確度越高，但所需的計(jì)算時(shí)間也相應(yīng)地增長(zhǎng)。通過網(wǎng)格劃分，建立三維零件曲面的有限元模擬模型（見圖2：有限元模型）。

3.3 試運(yùn)行結(jié)果分析

采用1/2模型模擬，由于采用平面坯料一次拉伸成形，因此坯料在壓邊過程出現(xiàn)深度達(dá)10 cm以上的嚴(yán)重內(nèi)凹（見圖3：嚴(yán)重內(nèi)凹），導(dǎo)致過多材料積聚于坯料中間部位，成形車蓋中間部位材料變量過小，其剛度會(huì)受到嚴(yán)重影響。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)汽車頂蓋件設(shè)計(jì)出現(xiàn)的上述內(nèi)凹問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)可以考慮先預(yù)成形，后拉深成形，通過計(jì)算，最大主應(yīng)變值為0.72%，預(yù)成形后各板料部位應(yīng)變量較小，對(duì)后續(xù)拉深成形影響可以忽略不計(jì)，因此，此方案可行。

3.4.1 優(yōu)化工藝補(bǔ)充面

通常，設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面需要相同化板料拉延深度，促使板料均勻流動(dòng)。針對(duì)在此拉深成形模擬中出現(xiàn)的中部板料嚴(yán)重變形問題，可考慮增加中部拉延深度，以避免車蓋模具中間位置面積大而曲率小的缺陷，以從其他臨近位置補(bǔ)充中間板料?；蛘邔毫厦嬷虚g位置改為平面，進(jìn)一步加大中部拉延深度，結(jié)果表明，明顯改善了成形效果，相應(yīng)位置模具圓角的修改也很好地解決了模具出現(xiàn)的開裂問題。

3.4.2 優(yōu)化模具圓角和坯料幾何

要提高汽車覆蓋件成形效果，采用修改模具圓角是常用方式，但要保障覆蓋件的基本性能，本例主要修改了工藝補(bǔ)充面的圓角特征來解決開裂實(shí)效問題。而優(yōu)化坯料的幾何形狀，則包括優(yōu)化其尺寸，切開位置，并借助逆向法有限元計(jì)算進(jìn)行估算，以估計(jì)出復(fù)雜邊界零件的坯料幾何。轎車頂蓋覆蓋件由于其邊界接近矩形，因此，可以用矩形的板料作為坯料的基本形狀并對(duì)其進(jìn)行局部修改以最終實(shí)現(xiàn)成形要求。

結(jié)果證明，案例中的轎車頂蓋覆蓋件在應(yīng)用CAE技術(shù)并進(jìn)行坯料幾何和模具圓角的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，明顯改善了轎車頂蓋的成形條件并提高了汽車頂蓋的沖壓成形效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳劍鶴.汽車覆蓋件沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 曹振雨.淺談汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)與制造[J].精密制造與自動(dòng)化，2013（2）：54-58.

注釋

① 三維建模軟件（如Pro/e，UG、CATIA等）的一種。