沖壓CAE技術(shù)在汽車開發(fā)中的應(yīng)用

文/艾樹良,年雪山,袁立峰·北京汽車股份有限公司

運用有限元軟件對汽車車身零件進行成形性分析，得到的沖壓仿真分析結(jié)果可以為車身零件的造型改進、沖壓工藝設(shè)計及模具調(diào)試提供參考依據(jù)，從而達到縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本的目的。本文介紹了薄板沖壓成形的沖壓CAE技術(shù)所涉及的核心內(nèi)容以及CAE技術(shù)在模具制造中所發(fā)揮的作用，并以AUTOFORM軟件為例從不同的角度闡述了沖壓CAE技術(shù)在沖壓工藝研究中的應(yīng)用情況。

目前，全球汽車制造企業(yè)之間的競爭越來越激烈，人們對汽車質(zhì)量和性能的要求也越來越高。為迎接挑戰(zhàn)，汽車界提出了3R戰(zhàn)略，即縮短產(chǎn)品的市場化周期，降低產(chǎn)品開發(fā)費用和減輕汽車重量。

沖壓工藝與模具設(shè)計是薄板沖壓成形技術(shù)的關(guān)鍵，涉及力學中的三大非線性問題：幾何非線性（沖壓過程中板料產(chǎn)生大位移、大轉(zhuǎn)動、大變形）、物理非線性（又稱材料非線性，指材料在沖壓中產(chǎn)生的彈塑性變形）、邊界非線性（指模具與工件產(chǎn)生的接觸摩擦引起的非線性關(guān)系）。傳統(tǒng)的沖壓工藝與模具設(shè)計只能以許多簡化和假設(shè)為基礎(chǔ)進行初步計算，然后進行大量反復(fù)試模、修模來保證零件品質(zhì)。

薄板沖壓成形的計算仿真實際上是利用數(shù)字模擬技術(shù)分析板料成形的全過程，每次仿真就相當于一次試模過程，因此成熟的仿真技術(shù)可以減少試模次數(shù)、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)和市場競爭力。

沖壓成形過程的計算機仿真原理

在薄板沖壓成形過程中，模具的剛性通常遠遠大于板料的剛性，因此模具的變形相對板料的變形來說很小，可以忽略不計。將薄板沖壓成形過程抽象成一個力學過程，它包含四種特性不同的運動物體，圖1所示為沖壓成形的典型力學模型示意圖。在這四種物體中，板料為彈塑性變形體，其余三種均可作為剛體看待，但三種剛體的運動特性各不相同。上模作為對板料加載的主動體，其運動狀態(tài)主要由壓力機控制，按一定的頻率作上下往復(fù)沖壓運動，壓板在壓邊力作用下壓住板料，下模通常是固定不動的。

圖1 沖壓成形的典型力學模型示意圖

為得到板料的彈塑性變形過程，必須求解作用在板料上的各種外力。從受力分析可知，作用于板料上的外力主要有三個來源（圖2）。其中F1為壓板對板料的作用力，F(xiàn)2為上模對板料的作用力，F(xiàn)3為下模對板料的作用力，上述作用力中又包括法向接觸力和切向摩擦力。此外板料還受到重力作用，壓板的剛體運動與板料的彈塑性變形是相互耦合的，因此必須同時求解。

圖2 作用在板料上的外力示意圖

計算機仿真技術(shù)在沖壓工藝與模具設(shè)計中所能解決的問題

拉裂的預(yù)測與消除

拉裂是薄板沖壓成形中常見的失效形式之一，利用CAE軟件成形性分析及鈑金成形極限圖的分析，對板料成形過程中的料厚變化、材料變薄率的變化狀態(tài)觀察，可以較為準確地評估板料在成形過程中開裂的部位及裂紋區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)。開裂問題通?？梢酝ㄟ^調(diào)整產(chǎn)品狀態(tài)及成形材料解決，如適當放大成形圓角，使用延伸性更好的材料等。對于有特殊要求的零件，則需要增加相應(yīng)工藝手段。當產(chǎn)品開裂區(qū)域在制件內(nèi)部，難以通過板料流動來進行補償?shù)那闆r下，根據(jù)裂紋位置，采用過拉延手段，放大其成形R角方法，再利用整形工序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的形狀控制。當形狀裂紋在制件邊緣時，可以通過改變毛坯形狀、增加切角工藝、調(diào)整拉延筋形狀等方法解決開裂問題。

起皺的預(yù)測與消除

起皺是薄板沖壓成形中另一種失效形式，計算機仿真技術(shù)能很好的預(yù)測給定條件下零件可能產(chǎn)生的起皺。沖壓成形是板料在復(fù)雜的外力條件下通過流動變形生成制件的成形方式，而成形板料的厚度尺寸相對形狀尺寸來說很小，極易在厚度方向上出現(xiàn)失穩(wěn)并產(chǎn)生皺紋，影響零件表面質(zhì)量。

利用CAE有限元技術(shù)，對相關(guān)工藝參數(shù)，如拉延筋、壓邊力、板料形狀在極限狀態(tài)下的模擬分析，得出導(dǎo)致產(chǎn)品失穩(wěn)起皺的關(guān)鍵因素，從而找到有針對性的解決辦法。在產(chǎn)品的邊界區(qū)域，可通過適當?shù)墓に囇a充形狀，改善產(chǎn)品形狀的突變狀態(tài)，調(diào)整拉延筋形狀等方法避免起皺現(xiàn)象產(chǎn)生；在產(chǎn)品的內(nèi)部形狀區(qū)域，由于特征形狀較多，可通過CAE仿真分析軟件，評估產(chǎn)品形狀在成形時的料厚及應(yīng)力、應(yīng)變的變化狀態(tài)，使其在開始成形時出現(xiàn)的皺紋，在成形結(jié)束時通過產(chǎn)品形狀的拉延消除產(chǎn)生的皺紋，從而改善產(chǎn)品的質(zhì)量。

回彈的計算

沖壓成形件在卸載后的回彈是不可避免的物理現(xiàn)象。因為回彈現(xiàn)象的存在，模具型腔表面的形狀與工件表面設(shè)計的形狀應(yīng)當不同，以補償回彈引起的工件尺寸變化。當仿真計算進行沖壓到極限位置時，模具對工件的加載過程結(jié)束，計算機會得出工件加載過程的變形輪廓。加載過程結(jié)束后，計算機便開始對卸載過程進行模擬。卸載過程中，模具對工件的作用力逐漸減小，工件隨之回彈。計算機對工件回彈中的變形進行計算，模具完全脫離工件后得到了最后形狀。通過比較卸載前后工件的形狀，可得出工件在卸載中產(chǎn)生的回彈量。

壓邊力的確定

在計算機仿真分析過程中，壓邊力太小，工件就會起皺；壓邊力太大，工件就有開裂風險。當模具方案基本確定后，可根據(jù)以往經(jīng)驗粗定壓邊力大小，再用計算機對成形過程進行仿真。若發(fā)現(xiàn)起皺，則加大壓邊力；若發(fā)現(xiàn)開裂，則減小壓邊力，最后確定一個合適的壓邊力。

毛坯尺寸的計算

采用計算機仿真技術(shù)，能夠比較準確地掌握一個零件在沖壓過程中的材料流動情況。根據(jù)零件的形狀和工藝補充需要，在仿真得到的沖壓件的最后形狀上找出一條邊界線，以區(qū)分應(yīng)當保留的部分和可以去掉的部分，再將這條分界線反射到原始毛坯上，就可得到合理的毛坯形狀和尺寸。

AUTOFORM軟件在汽車開發(fā)中的應(yīng)用

以下是利用AUTOFORM軟件對某車型側(cè)圍外板進行CAE分析的實例。

側(cè)圍外板的結(jié)構(gòu)特點、質(zhì)量要求及精度要求

圖3所示為某車型側(cè)圍外板零件形狀，側(cè)圍是由形狀復(fù)雜的空間自由曲面組成，零件的內(nèi)部還帶有門框和窗口形狀。側(cè)圍外板是汽車外覆蓋件中總體尺寸最大的零件，表面質(zhì)量要求很高，側(cè)圍的表面有三類區(qū)域：外觀表面、開門后可見表面以及不可見表面，其中外觀表面質(zhì)量要求最高，不允許有開裂、皺紋、凹凸不平、沖擊線、滑移線、壓痕等缺陷，而且產(chǎn)品特征棱線應(yīng)清晰。它與側(cè)圍有匹配關(guān)系的零件最多，包括發(fā)動機蓋、翼子板、前風窗、前后門總成、前后地板、前后輪罩、后蓋、尾燈、密封條等。對側(cè)圍要求有很高的尺寸精度，包括輪廓尺寸、孔位尺寸等，以保證焊裝和總裝的準確性、一致性，側(cè)圍還要求有很高的形狀精度。

圖3 側(cè)圍外板零件形狀

側(cè)圍外板沖壓成形的有限元模擬分析

側(cè)圍外板屬于外覆蓋件，要經(jīng)過拉延、修邊沖孔、翻邊、整形等工序完成，拉延工序是最重要的，也是難度最大的。工藝設(shè)計不當，常常會產(chǎn)生拉裂、起皺等缺陷，給模具調(diào)試造成較大的難度，采用AUTOFORM軟件的有限元模擬分析計算、深入分析側(cè)圍外板成形特征和變形過程的金屬流動、合理控制材料流動和應(yīng)力分布，以避免成形區(qū)域局部開裂和起皺的發(fā)生，同時為零件的模具調(diào)試以及沖壓成形質(zhì)量控制提供技術(shù)依據(jù)。

⑴建立側(cè)圍外板拉延件有限元模型。

1）初始拉延工藝設(shè)計。

圖4 側(cè)圍外板拉延型面幾何模型

初始型面設(shè)計主要依靠工藝設(shè)計人員的經(jīng)驗完成，圖4所示為用CATIA軟件設(shè)計完成的側(cè)圍外板型面幾何模型，它包括產(chǎn)品面、工藝補充面、壓料面和拉延筋。產(chǎn)品面是由零件的幾何形狀所決定的；工藝補充面、壓料面和拉延筋是為使產(chǎn)品面達到成形要求而需要增加的部分。設(shè)計合理的工藝補充面、壓料面和拉延筋是獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵，工藝設(shè)計中通?？紤]以下幾個方面。

①壓料面。確定沖壓方向要考慮拉延成形過程中的坯料接觸與進料情況，保證接觸面盡量大，各處拉延深度盡量均勻，拉延深度的大小決定了產(chǎn)品的成形性。成形性越好，則產(chǎn)品件剛性越好，而且回彈越小，有利于后序整形后獲得精度較高的零件，壓料面的位置是由適當?shù)臎_壓方向和拉延深度決定的。

②工藝補充面。做工藝補充面前要考慮產(chǎn)品面的翻邊部分，將需要翻邊的產(chǎn)品面展開到工藝補充面上。如后序有整形，可適當放大產(chǎn)品部分的圓角和加大立壁拔模角度，工藝補充面是指從產(chǎn)品面邊緣延伸出來到壓料面的過渡面，工藝補充面的設(shè)計要盡可能圓滑，有利于材料流動。

③拉延筋。拉延筋是用來控制和改善材料流動狀況的。初步設(shè)計拉延筋圓角半徑為6mm，高度為5mm，為保證沖壓成形性，并方便調(diào)整材料的流動速度和流入量，采用雙道拉延筋。

2）計算機仿真設(shè)置。

首先將在CATIA軟件中設(shè)計的型面幾何模型通過IGS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入AUTOFORM軟件中進行網(wǎng)格劃分及各項參數(shù)設(shè)置。AUTOFORM軟件用隱式增量有限元法迭代求解進入工序生成器，采用單動拉延工藝，材料為DC06，料厚0.7mm，定義好板料形狀（Blank）、工具 (Tool）、拉延筋 (Drawbead）、摩擦系數(shù) (Lube）、工序 (Process）。

拉延凸模、凹模、壓邊圈及板料采用殼單元進行幾何離散，自適應(yīng)劃分網(wǎng)格，并假定凸模、凹模、壓邊圈三部分為剛體，然后進入工序(Process）進行設(shè)計。拉延過程共分三步，分別是重力（Gravity）、閉合（Closing）和拉延（Drawing）。圖5所示為側(cè)圍外板拉延起始狀態(tài)下的有限元模型，凹模在上，凸模在下，三個壓邊圈在中間，行程為220mm。根據(jù)初步計算的仿真結(jié)果，反復(fù)優(yōu)化壓料面、工藝補充面及仿真參數(shù)，確定落料輪廓（圖6），同時確定外壓邊力、門框內(nèi)壓料力和拉延筋強度，為現(xiàn)場模具調(diào)試提供參考依據(jù)。

圖5 側(cè)圍外板拉延件有限元模型

圖6 側(cè)圍外板落料輪廓

⑵模擬結(jié)果分析。

參數(shù)設(shè)置完成后進行模擬分析計算，對CAE分析結(jié)果進行研究，不斷修改工藝方案，進行優(yōu)化處理。調(diào)整內(nèi)容主要包括：壓邊力、拉延筋、板料輪廓線、型面角度及圓角等。對可能出現(xiàn)的缺陷進行評估，同時提出解決預(yù)案。

1）塑性變形。

汽車外覆蓋件都具有比較平緩的曲面，通常采用一次拉延成形。為保證零件成形后有足夠的剛性和表面質(zhì)量，必須對塑性變形程度進行控制。塑性變形程度越大，其剛性越好，一般要求毛坯的最小塑性變形伸長率大于3%。圖7所示為該側(cè)圍外板的拉延成形性分布圖，從圖中可以看出，B柱上方與頂蓋搭接的上邊梁部位A區(qū)域局部成形不充分。A區(qū)域的成形不充分是由于內(nèi)、外兩側(cè)的材料流入不均勻造成的。因為B柱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的限制，內(nèi)側(cè)材料流動性差。通過調(diào)整內(nèi)外側(cè)拉延筋、壓邊力和優(yōu)化門框的工藝孔可以解決。門檻B(tài)區(qū)域表面變形不充分，原因與A區(qū)域相同，采用相同的解決措施。側(cè)圍輪罩上方C區(qū)域形狀相對平坦，位于產(chǎn)品的中部，也容易出現(xiàn)變形不充分情況，產(chǎn)生表面局部凹陷，通過工藝補償可以解決。

圖7 側(cè)圍外板拉延成形性分布圖

2）起皺分析。

圖8(a）是該側(cè)圍起皺分布圖，側(cè)圍在成形過程中，在距拉延到底前40mm時，輪罩下角產(chǎn)生皺紋，但零件最后成形時，皺紋消失，對零件質(zhì)量影響不大。圖8(a）所示的D區(qū)域后三角窗位置由于產(chǎn)品造型原因，成形有起皺的風險。在產(chǎn)品設(shè)計時，已考慮在D區(qū)域增加如圖8(b）所示的吸皺筋，這在一定程度上可以避免或減輕因材料線長變化而出現(xiàn)材料堆積的皺紋缺陷。

圖8 側(cè)圍外板拉延起皺分析

3）破裂分析。

圖9所示為該側(cè)圍減薄分布圖，減薄最嚴重的幾個區(qū)域分布在尾燈口的E區(qū)域和后門洞的F區(qū)域，局部最大減薄率達到27%。一般要求DC06材料的最大減薄率不超過20%。由于成形深度較深，側(cè)壁拔模角度和根部圓角較小，材料流動性差，材料過度減薄，成形有開裂的風險?？紤]該區(qū)域后序有整形工序保證產(chǎn)品特征，拉延工序可以放大側(cè)壁的拔模角度和根部圓角使材料容易流入，解決開裂問題。門框下角的G區(qū)域和H區(qū)域局部最大減薄率達到25.3%，根部圓角和轉(zhuǎn)角都比較小，容易使材料應(yīng)力集中，解決預(yù)案是調(diào)整內(nèi)側(cè)壓邊面上的拉延筋、優(yōu)化門框工藝孔大小。

圖9 側(cè)圍外板拉延材料變薄分析

4）滑移線分析。

汽車外覆蓋件產(chǎn)品造型時需要設(shè)計一些外觀有美感要求的特征棱線，圖10(a）所示為產(chǎn)品棱線。這些產(chǎn)品的圓角通常都較小，在零件沖壓成形時，凸模棱線的高點與板料接觸較早，與凸模高處圓角接觸的板料會產(chǎn)生滑動而出現(xiàn)滑移痕跡，從圖10(b）中可觀察到。為避免在零件外表面出現(xiàn)滑移線，需要保持棱線兩側(cè)的進料速度均勻，并控制兩側(cè)的材料流入量。

5）沖擊線分析。

圖10 側(cè)圍外板滑移線分析

圖11 側(cè)圍外板沖擊線分析

圖11 所示為該側(cè)圍在上邊梁與頂蓋搭接區(qū)域的沖擊線分布圖。板料在拉延過程中，凹?？趫A角首先接觸板料，隨著板料向凹模中流入，凹模口圓角在板料上留下痕跡，材料流入越多痕跡越長，這種痕跡就是沖擊線。沖擊線距離產(chǎn)品外露面可視邊界最近處為8.9mm，不會對外表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。對于外覆蓋件，沖擊線不允許留在外觀面上，在產(chǎn)生沖擊線的工藝補充側(cè)壁的下半段增加臺階造型，這種臺階造型的凹模圓角初始接觸板料的位置比原始的凹模圓角接觸板料位置靠外一點，能夠儲存一定量的材料。并且在板料成形的前半段產(chǎn)生稍大的拔模角度，材料流入量相對較少；在板料成形的后半段，上模臺階的凸圓角接觸板料，此圓角處材料開始流動，最后到拉延成形結(jié)束。這樣來說可以減緩材料成形上半段的材料流動，減緩了沖擊線，同時避免了門洞內(nèi)開裂的問題。

結(jié)束語

沖壓CAE分析在汽車開發(fā)中的應(yīng)用縮短了整車鈑金件的開發(fā)周期，節(jié)約了大量的開發(fā)成本，大大提高了產(chǎn)品的市場競爭力。在國內(nèi)外汽車企業(yè)中，沖壓CAE工程是車身零件沖壓成形分析中必不可少的環(huán)節(jié)，利用沖壓CAE有限元模擬分析可以提前預(yù)測成形中的缺陷和潛在問題，針對出現(xiàn)的問題采取合理的工藝方案，可以消除大部分質(zhì)量隱患，提高零件工藝設(shè)計質(zhì)量。