Dynaform：汽車覆蓋件沖壓成形的多因素耦合數(shù)值模擬研究

2017-01-04  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:使用UG三維CAD軟件對汽車覆蓋件零件進(jìn)行三維建模,并轉(zhuǎn)換到DYNAFORM中建立了零件的有限元模型;通過模擬計(jì)算分析,討論了拉延筋幾何參數(shù)、坯料尺寸、壓邊力、材料參數(shù)等多種因素對零件成形的影響,解決了模具設(shè)計(jì)、沖壓工藝和選材問題。 
關(guān)鍵詞:沖壓成形,數(shù)值模擬,拉延筋,壓邊力,材料參數(shù) 
1 引言 
汽車覆蓋件因?yàn)槠洫?dú)特的特點(diǎn)決定了汽車整車開發(fā)周期,成形模具設(shè)計(jì)制造依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試模的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足市場發(fā)展的要求了。CAD/CAE/CAM一體化系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車公司設(shè)計(jì)和制造新產(chǎn)品制勝的法寶,這一技術(shù)的采用,保守估計(jì),可以使模具設(shè)計(jì)與制造周期縮短2/5,模具生產(chǎn)成本降低1/3,進(jìn)而大大降低整車成本,增強(qiáng)市場的競爭力[1]。目前板材成形有限元仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車和鋼鐵工業(yè)等諸多領(lǐng)域,為模具設(shè)計(jì)、沖壓工藝的制定、沖壓零件的科學(xué)選材等起到了積極作用。 
本文采用顯式動(dòng)力有限元軟件DYNAFORM對汽車側(cè)圍外板進(jìn)行有限元分析,對拉延筋幾何參數(shù)、坯料尺寸、沖壓工藝、材料參數(shù)( 值)等多種因素對成形的影響進(jìn)行了研究分析,為該零件確定了最佳的成形方案。采用ASAME應(yīng)變分析方法對實(shí)際零件進(jìn)行測試,與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。 
2 研究方法 
2.1 三維幾何模型及有限元模型建立 
在復(fù)雜型面的板料沖壓仿真分析過程中,幾何模型建立的工作量占總的模擬過程工作量的很大比例,并且?guī)缀文Ｐ徒⒌馁|(zhì)量直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。側(cè)圍外板零件尺寸較大,幾何型面非常復(fù)雜,多為復(fù)雜的空間自由曲面,無法用解析形式表述,只能用參數(shù)曲面來表示。eta/DYNAFORM的前處理功能根本不能滿足建模的需要,所以使用大型三維造型軟件UG進(jìn)行幾何模型的建立,如圖1所示即為UG建立的幾何模型。在建立幾何模型時(shí),要同時(shí)考慮沖壓方向,工藝補(bǔ)充面及壓料面的添加。

 

當(dāng)精確的CAD模型建立之后,通過專用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口如IGES、VDA等,將曲面模型轉(zhuǎn)入eta/DYANFORM前處理器中進(jìn)行曲面網(wǎng)格的劃分,采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分法,將單元?jiǎng)澐譃樗倪呅尉W(wǎng)格。模具單元定義為剛性殼單元,模具間隙=1.1t0(t0為原始板厚),建立起來的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。凸模與板料的靜摩擦系數(shù)μ1=0.15,動(dòng)摩擦系數(shù)μ2=0.04。凸模和壓邊圈運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為2000mm/s,凸模和壓邊圈同時(shí)運(yùn)動(dòng),當(dāng)壓邊圈接觸板料后,停止運(yùn)動(dòng),并施加一定的壓邊力,凸模繼續(xù)運(yùn)動(dòng),直至零件完全成形。在定義好模具各部分的運(yùn)動(dòng)和邊界條件后就可以調(diào)用計(jì)算模塊進(jìn)行分析計(jì)算。

 

由于該零件是大型覆蓋件,零件的曲面形狀較復(fù)雜,各部位的沖壓深度不同,因此,可造成板料變形流動(dòng)不均勻。為了更好地控制板料流動(dòng),使板料變形流動(dòng)均勻,作者在凹模上建立了等效拉延筋。分別設(shè)置了兩條拉延筋,即拉延筋A(yù)和拉延筋B,如圖3所示。采用梯形筋的方式輸入各參數(shù),如圖4所示。

 

 

2.2 材料模型及性能參數(shù)選取 
由于冷軋鋼板都具有明顯的各向異性,根據(jù)Hill各向異性彈塑性模型的屈服準(zhǔn)則,選擇DYNAFORM中可以設(shè)置各向異性參數(shù)的36號三參數(shù)彈塑性材料模型[2],其等效應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[1、2]:

式中, σ為等效應(yīng)力,輸入?yún)?shù)有:彈性模量E=2.07×105MPa,泊松比ν=0.3,強(qiáng)度系數(shù)K,硬化指數(shù)n,三個(gè)方向的塑性應(yīng)變比r0、r45、r90,初始屈服應(yīng)力的應(yīng)變ε0,RP0.2。本文所使用的材料性能參數(shù)見表1所示。

表1 材料性能參數(shù) 

2.3 模擬分析方案的設(shè)置 
由于沖壓過程的影響因素較復(fù)雜,筆者重點(diǎn)考慮了拉延筋幾何參數(shù)、坯料尺寸、壓邊力、材料參數(shù)( 值)等多種因素對計(jì)算結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)了四水平四因素的計(jì)算方案,見表2、表3。

表2 拉延筋幾何參數(shù)計(jì)算方案 

表3 各影響因素的計(jì)算方案 

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析 
3.1 拉延筋幾何參數(shù)對拉延阻力的影響 
對于大型復(fù)雜形狀零件的沖壓成形,為了保證尺寸、形狀精度及足夠的剛性要求一般采用對毛坯施加適當(dāng)?shù)母郊永Φ某尚畏椒?以增加板料中的拉應(yīng)力、控制材料的流動(dòng)、避免起皺,拉延筋是實(shí)現(xiàn)這種要求的有效手段。通過設(shè)置拉延筋,①能方便有效地實(shí)現(xiàn)對材料流動(dòng)的控制。②增加進(jìn)料阻力,使拉深部位的坯料承受足夠的拉應(yīng)力,提高拉深件的剛度和減少由于回彈而產(chǎn)生的扭曲、松弛、波紋及收縮等缺陷;③靠壓料面和拉延筋來控制各處的壓邊力,可以擴(kuò)大壓邊力的調(diào)節(jié)范圍;④降低對壓料面制造精度的要求。同時(shí),由于拉延筋的存在增加了壓邊圈與凹模壓料面間的間隙,使壓料面的磨損減少,從而提高了它的使用壽命。通過模擬分析,找出各參數(shù)與拉延阻力之間的關(guān)系,各參數(shù)對拉延阻力的影響見圖5,從圖中可以看出隨著筋高h(yuǎn)的增大,拉延阻力增大,隨著筋寬b的增大,拉延抗力減小。拉延筋各幾何參數(shù)中對拉延阻力影響最大的是圓角R2,然后依次是圓角R1,筋高h(yuǎn),筋寬b。并且圓角R2對拉延阻力的影響是幾倍甚至十幾倍,所以如果想在大范圍內(nèi)調(diào)整拉延阻力,就可以通過調(diào)整圓角R2的大小來實(shí)現(xiàn)。筋寬b對拉延阻力的影響最小,并且對拉延阻力的影響不大,如果要在小范圍內(nèi)調(diào)整拉延阻力的大小,可以通過調(diào)整這個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

 

根據(jù)試算的結(jié)果和板料的流動(dòng)規(guī)律,最終確定等效拉延筋阻力為:拉延筋A(yù)的拉延阻力為50.3N/mm,拉延筋B的拉延阻力為104.4N/mm。本文的模擬分析均為該條件的拉延筋阻力。 
3.2 板料毛坯形狀的優(yōu)化及對成形的影響 
在覆蓋件成形過程中,坯料的形狀和尺寸對成形影響非常大,合理的毛坯形狀對拉延成形工藝具有重要意義。圖6為板料毛坯優(yōu)化之前的模擬結(jié)果,從圖中可以看到,在1、2號部位零件已經(jīng)開裂,此處是局部壓制深度較大的鼓包,材料由于難以得到其他部位材料的補(bǔ)充而容易破裂。解決這一問題的有效辦法就是在坯料的適當(dāng)部位開工藝切口,使易于破裂的區(qū)域能夠從相鄰的其它部位得到材料補(bǔ)充。3號部位板料多余部分太多,不利于材料流動(dòng),必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p除。

 

圖7為優(yōu)化后的毛坯形狀,其中1、2為兩個(gè)工藝切口位置。圖8是優(yōu)化后的板料模擬結(jié)果,從圖8-b的FLD中可以看出,開兩個(gè)工藝切口板料流動(dòng)順利,沒有再出現(xiàn)開裂。

 

 

3.3 壓邊力的優(yōu)化 
不改變其他工藝參數(shù)以及板料性能參數(shù),分別設(shè)置壓邊力為100KN、140KN、180KN、220KN進(jìn)行數(shù)值模擬,圖9和圖10是壓邊力對板料成形的厚度減薄率、成形力的影響。可以看出,隨著壓邊力的增大,板料厚度的減薄率增大。隨著壓邊力的增大,成形力逐漸減小。綜合幾個(gè)參數(shù),認(rèn)為在此工藝參數(shù)條件下,壓邊力為180KN時(shí)比較適合成形。

   

3.4 材料性能參數(shù)對成形的影響 
用上述工藝條件下的拉延筋方式,壓邊力為180KN,改變材料性能參數(shù) 值,計(jì)算結(jié)果如圖10~11所示?？梢钥闯?隨著塑性應(yīng)變比r的增大,板厚度減薄率逐漸減小;r值的大小反映了薄板成形時(shí)厚向變形發(fā)展的難易程度,r越大材料愈不易減薄。所以隨著r的增大,減薄率逐漸減小。從圖11可以看出,n值減小使應(yīng)變分布圖的右半部分雙拉變形的應(yīng)變值增大,而r值減小使應(yīng)變分布圖的左半部分拉延變形的應(yīng)變值增大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,滿足零件順利成形的最佳材料性能參數(shù)為:n≥0.25, r≥2.15

 

 

3.5 有限元分析結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果的比較 
應(yīng)用ASAME應(yīng)變測試分析系統(tǒng)對該零件進(jìn)行實(shí)際測試,將有限元分析結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行比較,以檢驗(yàn)仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性,結(jié)果見表3。實(shí)際沖壓零件在2號部位的應(yīng)變分布圖見圖7,仿真計(jì)算的應(yīng)變分布圖見圖8。結(jié)果表明,仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)變測試結(jié)果相符,兩者吻合的較好,說明仿真分析過程中的建模、有限元前處理以及邊界條件、工藝參數(shù)的確定是合適的。

4 結(jié)論 

(1)拉延筋幾何參數(shù)中的圓角R2對拉延阻力影響最大,拉延筋寬度對拉延阻力影響最小。本文設(shè)計(jì)的等效拉延筋阻力可以較好地控制材料的流動(dòng),并且選擇壓邊力為180KN能夠順利成形。 
(2)通過模擬計(jì)算,確定了比較合適的板料毛坯形狀尺寸,在原始板料上切兩個(gè)工藝缺口更有利于零件成形。 
(3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,滿足零件順利成形的最佳材料性能參數(shù)為:n≥0.25, r≥2.15。 
[參考文獻(xiàn)] 
[1] 徐丙坤,施法中,陳中奎,板料沖壓成形數(shù)值模擬中的幾個(gè)關(guān)鍵問題[J].塑性工程學(xué)報(bào),2001,8(2):32-35 
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[2] LS-DYNA Keyword user’s Manual. Nonlinear Dynamic Analysis of Structures[Z]. Livermore Software Technology Corporation, USA,1999.

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