有限元逆正向法優(yōu)化汽車覆蓋件成形毛坯

嚴(yán)冰劍，李永華

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

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有限元逆正向法優(yōu)化汽車覆蓋件成形毛坯

嚴(yán)冰劍，李永華

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

摘要：具有合理的形狀和尺寸的毛坯能改善覆蓋件的沖壓成形性能，提高材料的利用率。為克服逆向模擬得到的毛坯精度不足和形狀誤差問題，采用逆、正模擬結(jié)合的毛坯形狀優(yōu)化技術(shù)，即反向模擬預(yù)測其初始坯料形狀，然后利用正向模擬進(jìn)行毛坯修正，最終獲得優(yōu)化的毛坯形狀和尺寸。以左、右后輪罩為例，在相同的成形工藝條件下，應(yīng)用有限元軟件Autoform模擬。結(jié)果表明，優(yōu)化后零件的成形質(zhì)量明顯提高，并節(jié)約了材料，同時也表明該技術(shù)可用于大型覆蓋件毛坯優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：車覆蓋件；逆向法；正向法；毛坯優(yōu)化

汽車覆蓋件的平截面不規(guī)則，底部不平，側(cè)壁不直，多是三維異性的立體曲面件，沖壓成形過程中易出現(xiàn)起皺、拉裂等缺陷。影響板料成形工藝的因素很多，如板料性能、毛坯形狀，模具形狀、壓邊力大小、拉延筋布置和摩擦潤滑條件等[1]。其中，毛坯形狀是覆蓋件成形工藝中的重要因素[2]。毛坯的設(shè)計是否合理直接影響到成形過程中材料的流動及可成形性。常用的毛坯展開算法主要有經(jīng)驗法、滑移線法、勢場模擬法、幾何映射法、有限元增量法和有限元逆算法[3]。這些方法各有利弊，具有一定局限性。目前對于復(fù)雜汽車覆蓋件的毛坯展開，使用最多的是經(jīng)驗法和有限元逆算法。

有限元逆算法求解速度快但精度不足，對復(fù)雜零件計算得到的毛坯存在形狀誤差，板料的成形質(zhì)量較差。為達(dá)到精度和效率的協(xié)調(diào)，克服有限元逆算法的不足，國內(nèi)外學(xué)者提出各種改進(jìn)方法。孫開勝等[4]提出了基于截面線長度變化的毛坯迭代修正方法，對初始毛坯進(jìn)行修正。蘭箭等[5]將弧長法應(yīng)用到有限元逆算法中，并證明了該方法能高效和精確地預(yù)測毛坯形狀。Parsa M H等[6]將動力學(xué)公式與理想形變理論結(jié)合，并利用有限元逆算法預(yù)測復(fù)雜零件的初始毛坯尺寸和形狀。龔科家等[7]提出將毛坯網(wǎng)格的外延方法與一步成形法結(jié)合，最終高效預(yù)測了毛坯形狀。陳巧云等[8]結(jié)合有限元逆向法和正向法進(jìn)行毛坯優(yōu)化工作，并以雙盒形件為例，證明該方法的有效性和準(zhǔn)確性。為優(yōu)化汽車覆蓋件成形毛坯，本文采用逆向模擬和正向模擬相結(jié)合的方法，即逆向模擬得到初始毛坯尺寸，對毛坯形狀進(jìn)行修正，然后用正向模擬優(yōu)化，最終得到合理的成形毛坯。

1有限元逆正向模擬的坯料優(yōu)化設(shè)計

1.1有限元逆、正向模擬原理

正向模擬也稱增量有限元法，是將板料成形過程分解為許多增量步，在全面考慮影響成形的各個因素的情況下，分析求解，最終通過迭代得到結(jié)果。由于求解過程中需要判斷每一步的接觸條件，因此，該方法的計算周期較長。有限元逆算法是基于全量理論，假定板料成形過程的成形力是比例加載的，在考慮板料成形參數(shù)的前提下，從最終構(gòu)形的三維曲面出發(fā)，將其作為變形終了的工件中面，對其進(jìn)行有限元離散；用有限元非線性分析法確定滿足一定邊界條件的沖壓件上各個節(jié)點P在初始平板毛坯中的位置P0，工件上的各個點在毛坯上的位置即構(gòu)成了坯料初始輪廓(如圖1所示)。此方法僅考慮初始毛坯和變形終了的狀態(tài)，不考慮變形的中間狀態(tài)[9]。

圖1　有限元反向法的原理

1.2零件輪廓線

覆蓋件拉延時，為滿足產(chǎn)品成形要求，往往需要增加工藝補充和設(shè)置拉延筋，修邊余量也較大，拉延后零件一般在靠近拉延筋邊緣的位置，因此，毛坯的輪廓線可用拉延筋外輪廓線橋接、光順和外延后的輪廓線[10]。零件輪廓線如圖2所示。

圖2　零件邊緣輪廓的確定

1.3毛坯形狀優(yōu)化流程

確定了拉延后零件的輪廓線，應(yīng)用有限元逆算法快速求解出平面毛坯輪廓線，然后用有限元正向法模擬，根據(jù)拉延件成形質(zhì)量，修正坯料的外輪廓，從而得到較精確的坯料尺寸。具體流程如圖3所示。

圖3　合理的毛坯設(shè)計流程圖

2左右后輪罩毛坯優(yōu)化分析

2.1零件成形分析

圖4為汽車左、右后輪罩的設(shè)計模型和拉深工藝模型，材料為DC0.7，厚度為0.7mm，成對拉深件的尺寸為896mm×815mm×179mm，具體材料性能參數(shù)見表1。左、右后輪罩的1、2處結(jié)構(gòu)不同，是非對稱件，但考慮到零件的主要結(jié)構(gòu)相同，為便于工藝補充和選擇沖壓方向及節(jié)約材料，采用成對拉深成形，生產(chǎn)效率高。

表1　DC0.7材料力學(xué)性能

圖4　汽車左右后輪罩的成對件和拉深工藝模型

2.2有限元逆、正向法優(yōu)化毛坯

在汽車覆蓋件沖壓成形中，為增大材料的流動阻力，提高零件剛度和調(diào)節(jié)坯料上各處材料的流動，使變形均勻一致，需要設(shè)置拉延筋。將拉延筋的外輪廓線外延、橋接、光順作為拉延后的外輪廓線，如圖5所示。應(yīng)用有限元軟件Auto form中的One-Step模塊快速求解，得到初始平面毛坯輪廓線，然后以初始毛坯進(jìn)行有限元增量分析，網(wǎng)格采用自適應(yīng)網(wǎng)格，壓邊力為750kN，摩擦系數(shù)為0.25，采用半圓形拉深筋。圖6為拉深成形結(jié)果和成形極限圖(FLD)。

圖5　外輪廓線

圖6　拉延結(jié)果和成形極限圖

由圖6可知，毛坯上表面成形性較好，法蘭處出現(xiàn)小范圍的起皺，但兩側(cè)的板料傳力區(qū)發(fā)生嚴(yán)重整圈拉裂，零件剩余材料過多。這是由于毛坯兩側(cè)尺寸過大，拉深后期拉延筋依然緊壓板料，拉深阻力過大，使得側(cè)壁成形時材料流動困難，進(jìn)料不充分，造成傳力區(qū)破裂。因此減少兩側(cè)毛坯尺寸，并把毛坯直線化。修改后毛坯形狀和尺寸如圖7所示。用修改后的毛坯進(jìn)行有限元增量模擬。圖8為成形結(jié)果和FLD圖。

圖7　修正后的毛坯形狀

圖8　修正后成形結(jié)果和FLD

修改毛坯后的成形結(jié)果表明，零件的成形質(zhì)量明顯改善，破裂基本消除。雖然法蘭邊緣出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，但經(jīng)過后續(xù)切邊后可以切除，不影響零件的使用，符合要求。此時最大減薄率為30%，零件厚度如圖9所示。

2.3優(yōu)化的毛坯和排樣方法

為落料簡便，對毛坯輪廓直線化處理，得到實際毛坯輪廓線。利用Autoform軟件中的OneStep模塊進(jìn)行排樣，根據(jù)毛坯形狀特點，選擇自由單排的形式，為節(jié)省材料采用連續(xù)排樣方式，最后的排樣結(jié)果如圖10所示，材料的利用率為61.3%。

圖9　零件厚度

圖10　零件排樣圖

3結(jié)論

研究有限元逆向模擬和正向模擬相結(jié)合的方法在覆蓋件毛坯設(shè)計中的應(yīng)用。對汽車左、右后輪罩的毛坯設(shè)計研究表明，應(yīng)用該方法進(jìn)行毛坯設(shè)計時，在考慮工藝條件和板料成形質(zhì)量的情況下，能快速精確地預(yù)測覆蓋件毛坯展開尺寸和成形缺陷，確定的成形毛坯只需少量切邊即可用于拉延成形，此研究可應(yīng)用到覆蓋件的早期設(shè)計和工藝參數(shù)優(yōu)化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]苗量,陳文琳,李桂蘭.基于有限元逆向法和正向法的板料成形過程中合理毛坯形狀的確定[J].鍛壓技術(shù),2006,31(2):15-18.

[2]Azizi R,Assempour A.Applications of linear inverse finite element method in prediction of the optimum blank in sheet metal forming [J].Materials & Design,2008,29(10):1965-1972.

[3]陳嵐?jié)?萬里翔,徐璋,等.有限元逆算法在汽車覆蓋件數(shù)值模擬成形中的應(yīng)用[J].電加工與模具,2011(4):33-36.

[4]孫開勝,王雷剛,黃瑤,等.截面線修正法在毛坯設(shè)計中的應(yīng)用[J].模具技術(shù),2008(2):32-34.

[5]蘭箭,張靖暹,張沔利,等.基于弧長法的有限元逆算法在板料成形中的應(yīng)用[J].熱加工工藝,2009(11):82-85.

[6]Parsa M H,Pournia P.Optimization of initial blank shape predicted based on inverse finite element method[J].Finite elements in analysis and design,2007,43(3):218-233.

[7]龔科家,胡平,聞蘊,等.基于產(chǎn)品件展開后毛坯網(wǎng)格的邊界外延方法[J].塑性工程學(xué)報,2006,13(5):61-64.

[8]陳巧玉,肖小亭,黃里成,等.基于有限元逆、正向法的雙盒形件成形毛坯優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù),2012(6):171-173,178.

[9]王雪剛,石偉.基于有限元反向法的板料成形毛坯設(shè)計[J].塑性工程學(xué)報,2004,11(3):64-68.

[10]龔志輝,楊繼濤,汪日超,等.基于沖壓效應(yīng)的汽車覆蓋件材料利用率計算[J].機(jī)械工程學(xué)報,2013,49(14):114-118.

(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Blank Optimization for Automobile Panel Based on Inverse and Forward Finite Element methods

YAN Bingjian, LI Yonghua

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Abstract：Optimal blank with reasonable shape and dimension is necessary for improvement of the stamping formability of automobile panel and utilization of blank material.In order to resolve the problems of poor precision and shape deviation of the blank obtained by inverse finite element method,the inverse finite element method combined with forward finite element method was applied to optimize the blank shape of automobile panel.Firstly,the inverse finite element simulation was applied to predict its initial blank shape.Secondly,the blank was modified by the forward simulation.Lastly,the optimal shape and dimension of the blank could be obtained.The automobile wheelhouse-RR-R/L was chosen as the example to simulate in the same process condition with the software of Autoform.The results showed that the forming quality of the part was obviously improved with saving materials.This method could be applied to the blank optimization of the large-scale cover panel.

Key words：automobile panel；inverse finite element method；forward finite element；optimum blank

中圖分類號：TG386.3+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-1251(2016)02-0096-04

作者簡介：嚴(yán)冰劍(1988—)，男，碩士研究生；通訊作者：李永華(1970—)，男，教授，博士，研究方向：特種塑性成形等。

收稿日期：2015-04-10