材料科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)課論文——汽車(chē)橫梁沖壓成型有限元分析

1、<p>　　材料科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)課論文</p><p>　　汽車(chē)橫梁沖壓成型有限元分析</p><p><b>　　學(xué)科專(zhuān)業(yè)：材料學(xué)</b></p><p>　　班 級(jí)：研碩12班</p><p><b>　　作者姓名：朱瑞蘋(píng)</b></p><p>　　

2、學(xué) 號(hào)：S13080502009</p><p><b>　　2014年06月</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著數(shù)值模擬分析技術(shù)、塑性成形理論、沖壓成型技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以有限元為核心的DynaForm技術(shù)得到了快速發(fā)展。用于板料沖壓成形的DynaForm技術(shù)，可以模擬

3、板料沖壓成形的全過(guò)程。本論文以汽車(chē)橫梁為研究對(duì)象，應(yīng)用DynaForm軟件對(duì)其沖壓成形過(guò)程進(jìn)行有限元分析，分析了其成形過(guò)程當(dāng)中典型缺陷產(chǎn)生的原因及其控制途徑，討論了凹模圓角半徑、沖壓速度、摩擦系數(shù)、壓邊力、拉延筋等參數(shù)對(duì)汽車(chē)橫梁拉延質(zhì)量的影響。并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際提出了合理的成形工藝方案和改進(jìn)途徑。此次模擬用于指導(dǎo)實(shí)踐，可縮短模具開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低模具成本，提高企業(yè)收益，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。</p><p>　　

4、關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；沖壓成型；橫梁；DynaForm</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of numerical simulation analysis technology, plastic forming theory, forming technology and computer

5、 technology, the finite element has been rapid development. DynaForm technology can simulate the whole process of sheet metal stamping.In this thesis,cross member as the research object, we use Dyna發(fā)orm for finite elemen

6、t analysis of the stamping process and analyze the reasons and the ways to control the forming process of typical defects. We discussed the influence of radiu</p><p>　　Key Words: numerical simulation; formin

7、g; cross member; Dyna發(fā)orm</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汽車(chē)制造行業(yè)當(dāng)中有60～70％的工件是利用沖壓成形得到的。汽車(chē)覆蓋件主要是指構(gòu)成汽車(chē)駕駛室和車(chē)身表面的零件，也包括發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)的某些表面零件，分外

8、覆蓋件和內(nèi)覆蓋件兩大類(lèi)。和一般的薄板沖壓件相比，汽車(chē)覆蓋件具有結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜、板料相對(duì)厚度小等特點(diǎn)，成形過(guò)程當(dāng)中容易出現(xiàn)拉裂、變薄、起皺、成形不足等缺陷。因此，覆蓋件的制造是汽車(chē)車(chē)身制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　1.2沖壓技術(shù)介紹</b></p><p>　　沖壓成型是指靠壓力機(jī)和模具對(duì)板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從

9、而獲得所需形狀和尺寸的工件的加工方法。全世界的鋼材中，有60～70%是板材，其中大部分經(jīng)過(guò)沖壓成形制成成品。</p><p>　　沖壓成形在技術(shù)方面和經(jīng)濟(jì)方面都具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)如下：</p><p>　　(1)沖壓成形生產(chǎn)效率高，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。</p><p>　　(2)沖壓時(shí)由于模具保證了沖壓件的尺寸與形狀精度，且一般不破壞沖壓件的

10、表面質(zhì)量。因此既能夠制造一般尺寸公差等級(jí)和形狀的零件，又能夠制造精密（公差在微米級(jí)）和復(fù)雜形狀的零件。</p><p>　　(3)沖壓成形可加工出尺寸范圍較大、形狀較復(fù)雜的零件。</p><p>　　(4)沖壓一般沒(méi)有切屑碎料產(chǎn)生，材料的消耗較少，且不需要其它加熱設(shè)備，因而是一種省料，節(jié)能的加工方法，成本較低。</p><p>　　由于沖壓具有如此多的優(yōu)越性，沖壓加

11、工在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍非常廣泛。沖壓在電機(jī)、汽車(chē)制造、儀器儀表、航空航天、武器制造中，都具有十分重要的地位。</p><p>　　據(jù)中國(guó)模具協(xié)會(huì)發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，2008年我國(guó)沖壓模具總產(chǎn)出約610億元，其中出口約17.2億元。根據(jù)我國(guó)海關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，2004年我國(guó)共進(jìn)口沖壓模具約46.6億元。從上述數(shù)字可以看出：2004年我國(guó)沖壓模具市場(chǎng)總規(guī)模約為266.6億元。其中，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求為260.4億元，總供

12、應(yīng)約為213.8億元，市場(chǎng)供應(yīng)率為82%。在上述供求總體情況中，有兩個(gè)具體情況：一是進(jìn)口模具大都是大型復(fù)雜精密模具，而出口模具大多是小型簡(jiǎn)單的中低檔沖壓模具；二是由于我國(guó)的模具價(jià)格要比國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格低許多，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力，因此其在國(guó)際市場(chǎng)前景看好。</p><p>　　1.3板料成形有限元數(shù)值模擬技術(shù)</p><p>　　板料成形數(shù)值模擬技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代[1] [2]。早期

13、主要采用有限差分法，直到20世紀(jì)70年代，有限元的方法才開(kāi)始應(yīng)用于板料成形數(shù)值模擬技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，福特汽車(chē)公司的S.C.Tang和通用汽車(chē)公司的M.S.Wang等人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，成功地對(duì)轎車(chē)行李箱蓋和汽車(chē)翼子板的沖壓成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬[3] [4]，開(kāi)創(chuàng)了汽車(chē)覆蓋件沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域[5] 。</p><p>　　隨著數(shù)值模擬分析技術(shù)、塑性成形理論、沖壓成型技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以有限

14、元為核心的DynaForm技術(shù)得到了快速發(fā)展。用于板料沖壓成形的DynaForm技術(shù)，可以利用計(jì)算機(jī)模擬板料沖壓成形的全過(guò)程，得到成形極限、減薄率、應(yīng)變量、回彈量等成形結(jié)果，通過(guò)觀察材料的流動(dòng)，對(duì)板料開(kāi)裂、起皺、回彈等缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而了解材料參數(shù)、摩擦、力學(xué)參數(shù)、模具參數(shù)等對(duì)板料成形性能的影響。通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)在汽車(chē)覆蓋件成形工藝上的應(yīng)用，對(duì)提高模具研發(fā)能力有重大意義，突出體現(xiàn)在縮短模具生產(chǎn)周期、提高覆蓋件質(zhì)量和減少成本上[6]。&l

15、t;/p><p>　　國(guó)外，板料成形有限元分析技術(shù)已成為許多模具制造公司和汽車(chē)生產(chǎn)廠家提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的手段，此外還將 CAE 模擬分析作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造流程中不可逾越的工藝規(guī)范。如今，許多汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始應(yīng)用 DynaForm模擬板料成形過(guò)程[7]。在美國(guó)，DynaForm技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬已逐步與試驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，并且有取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展趨勢(shì)。法國(guó)的雷諾汽車(chē)公司不僅有自己的技術(shù)人員專(zhuān)門(mén)從事數(shù)值模擬

16、研究工作，且與北京航空航天大學(xué)合作，對(duì)輕型汽車(chē)鈑金零件材料的沖壓成形技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析[8]。此外，日本的荻原公司也已經(jīng)為多種車(chē)型建立起了基于有限元技術(shù)的板料成形數(shù)據(jù)庫(kù)，目前，該公司能對(duì)汽車(chē)開(kāi)發(fā)中的30%~50%的沖壓件進(jìn)行板料成形模擬數(shù)值分析。</p><p>　　國(guó)內(nèi)在沖壓成型數(shù)值模擬方面起步較晚，初始于20世紀(jì)80年代后期[9] [10]，且主要集中在高校里，如上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、吉林大學(xué)等。吉林

17、大學(xué)何金保[11]等人利用DynaForm 軟件對(duì)筒形件進(jìn)行了有限元分析，較為完整地論述了防止零件起皺的方法以及零件斷裂時(shí)壓邊圈和壓邊力的確定方法。于匯泳[12]等人利用 DynaForm 軟件對(duì)汽車(chē)覆蓋件的沖壓成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了影響其成形的因素 [13]。</p><p>　　總之，改善汽車(chē)覆蓋件的成形工藝和模具設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，而板料成形有限元數(shù)值模擬技術(shù)將在覆蓋件的模具設(shè)

18、計(jì)和工藝優(yōu)化過(guò)程當(dāng)中起到重要作用，成為成形工藝性分析的有效手段。</p><p>　　1.4課題的來(lái)源和意義</p><p>　　汽車(chē)橫梁產(chǎn)品模型如圖1-1所示，汽車(chē)橫梁是一類(lèi)較為典型的內(nèi)覆蓋件，是典型的承載零件。在車(chē)輛發(fā)生撞擊時(shí)，對(duì)減震起到很大作用。因此，汽車(chē)橫梁成形的好壞直接關(guān)系到汽車(chē)質(zhì)量的優(yōu)劣和汽車(chē)使用的安全性。橫梁兩側(cè)的四個(gè)短邊采用后續(xù)翻邊來(lái)完成，橫梁梁身采用一次拉深成型。<

19、/p><p>　　圖1-1 橫梁模型</p><p>　　在汽車(chē)?yán)钅Ｄ＞咝兔嬖O(shè)計(jì)過(guò)程中，壓料面和工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)是汽車(chē)覆蓋件拉深模模具型面設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的合理性是決定拉深成形能否順利進(jìn)行和能否獲得合格工件的關(guān)鍵 [14]。傳統(tǒng)的沖壓成形工藝分析中，模具設(shè)計(jì)階段主要是靠模具工程師的經(jīng)驗(yàn)，必須進(jìn)行反復(fù)試模和修模[15] [16]。這種模具設(shè)計(jì)的方法大大延長(zhǎng)了模具開(kāi)發(fā)時(shí)間, 進(jìn)而導(dǎo)致模具

20、成本增加。</p><p>　　本課題借助美國(guó)LSTC公司和ETA公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的板料成形分析以及數(shù)值仿真專(zhuān)用軟件DynaForm，對(duì)汽車(chē)橫梁的成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了其成形過(guò)程當(dāng)中典型缺陷產(chǎn)生的原因及其控制途徑，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際提出了合理的成形工藝方案和改進(jìn)途徑[17] [18]。利用模擬結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，此方法大大縮短了模具開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了模具成本，提高了企業(yè)收益[19]。</p><p

21、>　　2 橫梁沖壓成型有限元分析</p><p>　　2.1橫梁幾何模型的建立</p><p>　　2.1.1導(dǎo)入工件三維模型 </p><p>　　本論文所研究的汽車(chē)橫梁的三維模型如圖1-1所示，它具有如下特點(diǎn)：拉延深度大，且分布不均，側(cè)壁與底面、側(cè)壁與法蘭存在小圓角過(guò)渡

22、，不利于充分成形。 </p><p><b>　　2.1.2網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　有限元分析的成功與否，很大程度上取決于網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格重疊會(huì)使計(jì)算進(jìn)入循環(huán)，這種情況是不允許的。利用Dynaform的自適網(wǎng)格劃分功能，可以給模型快速劃分網(wǎng)格。再利用前處理中

23、的模面檢查功能，找出不合理的單元加以改正，這樣就可以獲得優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格模型。</p><p>　　2.1.3產(chǎn)品模型向工藝模型的轉(zhuǎn)化</p><p>　　由汽車(chē)覆蓋件產(chǎn)品模型向工藝模型的轉(zhuǎn)化過(guò)程，就是根據(jù)所設(shè)計(jì)的沖壓工序，由覆蓋件形狀設(shè)計(jì)出相應(yīng)模具的過(guò)程。具體過(guò)程如下：</p><p>　　1）確定沖壓方向 </p&g

24、t;<p>　　選擇正確合理的沖壓方向不僅可以決定能否拉出合格的制件，而且還會(huì)影響到壓料面和工藝補(bǔ)充面的形狀。合理的沖壓方向應(yīng)滿足以下4個(gè)方面的要求：</p><p>　?。?）無(wú)負(fù)角 設(shè)定沖壓方向時(shí)不允許產(chǎn)生如圖2-1(a)所示的沖壓負(fù)角（紅色為沖壓負(fù)角區(qū)，綠色為合理區(qū)）；圖2-1(b)無(wú)沖壓負(fù)角，更合理。</p><p>　　(a)有沖壓負(fù)角

25、 (b)無(wú)沖壓負(fù)角</p><p>　　圖2-1 沖壓方向示意圖</p><p>　　無(wú)滑移 正確合理的沖壓方向要確保開(kāi)始拉延時(shí)凸模與毛坯的接觸狀態(tài)良好、平坦、多點(diǎn)接觸、平衡受力、材料不發(fā)生竄動(dòng)。接觸面積越大，接觸面與水平面間的夾角越小，毛坯越不容易因局部應(yīng)力過(guò)載而導(dǎo)致工件破裂。材料在拉延時(shí)貼模性越高，越容易獲得完整的凸模形狀，越有利于提高工件變形質(zhì)量。

26、設(shè)定時(shí)成形深度要盡量淺。</p><p>　?。?）無(wú)側(cè)向力 正確合理的沖壓方向要確保進(jìn)料阻力平衡，拉延深度均勻。因?yàn)槔由疃染鶆虿拍鼙ＷC壓料面進(jìn)料阻力均勻，而壓料面各部分進(jìn)料阻力均勻才能確保拉延件不開(kāi)裂、不起皺，所以應(yīng)盡可能地減少產(chǎn)品傾斜。</p><p>　?。?）無(wú)沖擊線 轎車(chē)外板不得在工件表面留下沖擊線的痕跡。 </p><p>　　2）工藝補(bǔ)充面的設(shè)

27、計(jì)</p><p>　　為了順利實(shí)現(xiàn)拉延，需首先構(gòu)造封閉曲面。為了構(gòu)造封閉曲面，需要在工件模型的兩端加上工藝補(bǔ)充面。工藝補(bǔ)充面是構(gòu)成完整拉延件的必要組成部分，是指工件本身以外的部分，它對(duì)拉延能否成功有關(guān)鍵性的影響，也是衡量沖壓工藝設(shè)計(jì)水平的標(biāo)志之一。圖2-2中藍(lán)色部分為汽車(chē)橫梁拉延模的工藝補(bǔ)充面。</p><p>　　圖2-2 添加工藝補(bǔ)充面后的工件</p><p&g

28、t;　　合理地添加工藝補(bǔ)充面應(yīng)當(dāng)滿足以下4個(gè)方面的要求：</p><p>　?。?）添加后必須構(gòu)成完整的拉延件，即生成一個(gè)完整的殼體，以便于進(jìn)行拉延成形；</p><p>　?。?）能夠平衡成形阻力，控制材料的流入量，拉延深度要保證均勻，既可充分利用材料的成形極限，又可避免開(kāi)裂和起皺的產(chǎn)生；</p><p>　　（3）必須滿足壓料面的設(shè)計(jì)要求；</p>

29、<p>　?。?）必須滿足拉延之后修邊、翻邊工序的要求。</p><p>　　設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面時(shí)應(yīng)根據(jù)修邊線的位置來(lái)合理確定補(bǔ)充面的尺寸，特別是凹模圓角處。因?yàn)榘寄A角對(duì)材料進(jìn)料阻力的影響非常大，直接關(guān)系到拉延件的成形效果，所以取值要合理。在能夠拉深出合格工件的前提下，盡可能減少工藝補(bǔ)充部分。</p><p><b>　　3）確定壓料面</b></p&

30、gt;<p>　　壓料面是工藝補(bǔ)充的一部分，在添加工藝補(bǔ)充之前必須首先確定壓料面的形狀，以保證板料各部分所受的進(jìn)料阻力相對(duì)均勻。要做到這一點(diǎn)，首先必須要保證拉延深度盡可能均勻，只有當(dāng)壓邊圈可以將板料平坦的壓緊在壓料面上的情況下，拉延件才可以不出現(xiàn)起皺、開(kāi)裂等缺陷。在確定壓料面時(shí)要注意以下5個(gè)方面：</p><p>　　（1）壓料面盡可能選擇平面；</p><p>　?。?）若

31、壓料面必須一個(gè)方向是曲線的話，另一個(gè)方向盡量保持直線；</p><p>　?。?）壓料面盡量避免急劇變彎；</p><p>　?。?）壓料面應(yīng)盡量降低拉延深度；</p><p>　　（5）壓料面展開(kāi)長(zhǎng)度比與凸模展開(kāi)長(zhǎng)度相近或壓料面展開(kāi)長(zhǎng)度比凸模展開(kāi)長(zhǎng)度短板料才能產(chǎn)生有效拉延，如果壓料面展開(kāi)長(zhǎng)度比凸模展開(kāi)長(zhǎng)度長(zhǎng)，拉延時(shí)可能會(huì)產(chǎn)成起皺甚至波紋。圖2-3為本論文中凸模展開(kāi)

32、尺寸，圖2-4為壓料面展開(kāi)尺寸。 </p><p>　　圖2-3 凸模展開(kāi)尺寸 </p><p>　　圖2-4 壓料面展開(kāi)尺寸</p><p>　　4）凸凹模的生成及其網(wǎng)格劃分</p><p>　　在汽車(chē)覆蓋件沖壓成形有限元分析過(guò)程中，把模具作為剛體對(duì)待，計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，不需要計(jì)算模具中的應(yīng)力應(yīng)

33、變，不影響系統(tǒng)的臨界時(shí)間步長(zhǎng)，因此表征模具形面的網(wǎng)格，主要用于坯料之間的接觸處理，即使是質(zhì)量非常不好的單元，也可以方便地進(jìn)行接觸處理，所以，模具的網(wǎng)格形狀和密度對(duì)沖壓過(guò)程的有限元分析過(guò)程與結(jié)果都不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，模具網(wǎng)格的劃分只要能夠適合模擬模具形面的形狀即可。網(wǎng)格劃分情況如圖2-5所示： </p><p>　　(a) 壓邊圈網(wǎng)格劃分情況</p><p>　　(b) 凹模網(wǎng)格

34、劃分情況</p><p>　　圖2-5 網(wǎng)格劃分</p><p>　　2.1.4估算毛坯尺寸并劃分網(wǎng)格</p><p>　　圖2-3所示也可視為工件展開(kāi)輪廓線，將其向外偏置10mm作為坯料輪廓線，選擇10mm作為偏置量既保證了壓料的可靠性又節(jié)省材料。為了得到理想的計(jì)算結(jié)果，要采用較小的單元網(wǎng)格，而單元尺寸的減小又有可能降低臨界時(shí)間積分步長(zhǎng)，從而增加計(jì)算費(fèi)用。<

35、;/p><p>　　圖2-6 毛坯尺寸</p><p>　　2.2確定成型工藝參數(shù)</p><p>　　2.2.1控制參數(shù)的設(shè)定</p><p>　　成型工藝參數(shù)主要是指凸凹模、壓邊圈和板料之間的相對(duì)位置、接觸類(lèi)型、摩擦系數(shù)、壓邊力、沖壓速度、拉延筋參數(shù)和材料性能參數(shù)等。本課題主要成形參數(shù)設(shè)置如下：采用反拉延成形，模具間隙1.65mm，初始摩擦

36、系數(shù)取為缺省值0.125，即為無(wú)潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)，拉延筋類(lèi)型選擇input，選用等間隙壓邊方式。</p><p><b>　　2.2.2工具定位</b></p><p>　　汽車(chē)橫梁沖壓成形的壓力機(jī)為單動(dòng)壓力機(jī)，單動(dòng)壓力機(jī)一般以凸模為基準(zhǔn)，凸模在下，凹模在上，在這種情況下的拉深也被稱(chēng)為“反拉深”。本論文初始設(shè)計(jì)凸模、凹模、板料、壓邊圈的位置從高到低依次為：凹模、板

37、料、壓邊圈、凸模，具體位置如圖2-7所示：</p><p>　　圖2-7 工具定位 </p><p>　　2.2.3工序設(shè)置 </p><p>　　單動(dòng)壓機(jī)工作過(guò)程有兩個(gè)動(dòng)作，先是壓邊圈與凹模的壓料動(dòng)作，即凹模向下運(yùn)動(dòng)，使之先后與板料、壓邊圈相接觸，從而壓緊板料。然后是凹模的沖壓動(dòng)作，即凹模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)板料進(jìn)行拉延，待凸凹模接觸，凹模運(yùn)動(dòng)停止，得到板料的最終

38、形狀。 </p><p>　　(1)沖壓速度的設(shè)置 </p><p>　　在實(shí)際的沖壓成形過(guò)程中，模具的運(yùn)動(dòng)速度是緩慢的。但是，如果在模擬過(guò)程中使用實(shí)際的沖壓速度，將導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此，需要人為的提高模具沖壓速度、來(lái)減少分析的求解時(shí)間。另一方面模具的運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快對(duì)成型質(zhì)量不利，因此需要合理的選擇沖壓速度，爭(zhēng)取既可以減少計(jì)算時(shí)間又能將沖壓速度控制

39、在工件成形允許的范圍之內(nèi)。進(jìn)行有限元仿真模擬時(shí)，模具的沖壓速度應(yīng)保持在2000 mm/s 到5000 mm/s 范圍之內(nèi)，同時(shí)應(yīng)另速度曲線以零開(kāi)始以零結(jié)束。</p><p>　　(2)壓邊力的設(shè)置 </p><p>　　壓邊力 F的估算方法[20]如下： </p><p>　　F = qA

40、 </p><p>　　式中 A—— 壓邊面積(坯料面積減去凸模形腔開(kāi)口面積)</p><p>　　q —— 單位面積上的壓邊力 </p><p>　　q的經(jīng)驗(yàn)公式[21] 為：</p><p>　　q=48(z-1.1)

41、 </p><p>　　式中 z ——各工序拉深系數(shù)的倒數(shù) </p><p>　　——毛坯材料的抗拉強(qiáng)度</p><p><b>　　t ——材料厚度</b></p><p><b>　　D ——毛坯直徑</b></p><p><b>　　2

42、.3有限元分析</b></p><p>　　前處理完成之后就可以進(jìn)行有限元分析了，Dynaform引入Lsdyna進(jìn)行計(jì)算運(yùn)行，并生成一個(gè)d3plot文件。本論文中汽車(chē)橫梁的仿真結(jié)果如圖2-8所示：</p><p>　　(a) 成形極限圖 </p><p>　　(b) 材料流動(dòng)情況</p&

43、gt;<p><b>　　(c) 減薄率圖</b></p><p>　　圖2-8 仿真結(jié)果</p><p>　　由成形極限圖可以看出，本次拉延成形是有一定成形裕度的，因此本次模擬仿真是偏安全的，不會(huì)出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。在橫梁的頂端板料最大增厚0.188 mm，增厚率9.4%，在允許增厚率10%的范圍內(nèi)。最薄處為1.363 mm，減薄率為31.85%，超出了允

44、許減薄率30%的范圍，因此，橫梁側(cè)壁的兩端有破裂的危險(xiǎn)。從材料流動(dòng)情況可以看出：板料兩端進(jìn)料太慢，容易形成拉裂，板料中部進(jìn)料較快容易產(chǎn)生起皺。從產(chǎn)品形狀上分析，該工件頂面中間部分和端部結(jié)構(gòu)的深度顯著不同、零件圓角半徑太小，導(dǎo)致變形差異較大，非常容易導(dǎo)致板料發(fā)生不均勻流動(dòng)，從而導(dǎo)致成形之后在橫梁端部側(cè)壁板厚減薄嚴(yán)重，易于出現(xiàn)端部側(cè)壁破裂現(xiàn)象，而在中間部分則由于塑性變形不充分使成形具有一定難度。</p><p>&l

45、t;b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章利用DynaForm軟件中的BSE模塊完成了毛坯尺寸估算以及成了橫梁工件的工藝補(bǔ)充。完成了前處理中的單元網(wǎng)格劃分，并設(shè)定了各項(xiàng)工藝參數(shù)，用DynaForm軟件進(jìn)行了顯式動(dòng)力模擬仿真，得到了模擬仿真結(jié)果，并對(duì)結(jié)果中出現(xiàn)的缺陷做出簡(jiǎn)單分析。</p><p>　　3 汽車(chē)橫梁沖壓成型工藝參數(shù)優(yōu)化</p>

46、<p>　　在汽車(chē)橫梁沖壓成形過(guò)程中，模具參數(shù)(凹模圓角、壓邊圈、拉深筋等)和工藝參數(shù)(壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)等)對(duì)工件的成形程度和成形質(zhì)量有決定性的影響[22] [23]。在實(shí)際的沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，一旦模具參數(shù)確定，只有工藝參數(shù)可以調(diào)整[24]。沖壓工藝參數(shù)對(duì)汽車(chē)覆蓋件沖壓成型質(zhì)量的影響存在諸多不確定因素，這是成形過(guò)程工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制的難點(diǎn)之一[25]。通過(guò)有限元技術(shù)可對(duì)沖壓工藝調(diào)整做出定性的指導(dǎo)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在一定程

47、度上可以減少反復(fù)修模的盲目性，能夠以較少的試驗(yàn)次數(shù)得到試驗(yàn)范圍內(nèi)較合理的工藝組合，降低生產(chǎn)成本。</p><p>　　針對(duì)在利用Dynaform對(duì)汽車(chē)橫梁進(jìn)行有限元分析過(guò)程中所出現(xiàn)的開(kāi)裂與起皺等缺陷問(wèn)題，在今后模擬計(jì)算當(dāng)中，可通過(guò)下列方法加以避免：</p><p>　?。?）凸凹模圓角半徑適中</p><p>　　凹模圓角半徑與材料流動(dòng)密切相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，凹模圓

48、角越大，越有利于板料兩端的材料向工件頂部流動(dòng)，工件四壁越不易因料流入不足而破裂。但是，若凹模圓角過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致流料阻力過(guò)小，加上大面積坯料在成型過(guò)程中處于懸空狀態(tài)，易于在凹模圓角處產(chǎn)生褶皺，進(jìn)而導(dǎo)致拉裂。因此凹模圓角太大或太小均不利于橫梁的沖壓成型，它存在一個(gè)最優(yōu)值。</p><p><b>　　（2）適宜的壓邊力</b></p><p>　　壓邊力越大，板料邊緣的材

49、料越不易流入，板料拉裂的傾向越嚴(yán)重；反之，壓邊力越小，板料邊緣的材料越易流入，板料拉裂的傾向越小，起皺的傾向越嚴(yán)重。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合拉延筋阻力和摩擦系數(shù)，綜合考慮壓邊力的大小?？紤]到大壓力機(jī)成本高，在可以成型工件的前提下，應(yīng)盡量選擇使用小壓邊力。</p><p><b>　?。?）摩擦系數(shù)適中</b></p><p>　　摩擦系數(shù)越大，板料邊緣的材料越不易流入，

50、板料拉裂的傾向越嚴(yán)重；反之，摩擦系數(shù)越小，板料邊緣的材料越易流入，板料拉裂的傾向越小，起皺的傾向越嚴(yán)重。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合沖壓件成型效果，對(duì)摩擦系數(shù)做出適當(dāng)?shù)木植空{(diào)整。摩擦系數(shù)的調(diào)整可通過(guò)改變模具表面光潔度、加潤(rùn)滑油等方法調(diào)整。</p><p>　　（4）合理的沖壓速度</p><p>　　沖壓速度越大，板料邊緣的材料來(lái)不及流入就已經(jīng)沖形結(jié)束，板料拉裂的傾向越趨于嚴(yán)重；反之，沖壓速度越

51、小，板料邊緣的材料流入較為充分沖形才結(jié)束，板料拉裂的傾向減小。</p><p><b>　　（5）拉延阻力適中</b></p><p>　　拉延筋起到阻礙板料流動(dòng)的作用，拉延阻力越大，起皺現(xiàn)象減少，拉裂現(xiàn)象增加。</p><p><b>　　4 結(jié) 論</b></p><p>　　本文應(yīng)用 Dyn

52、aForm 軟件對(duì)汽車(chē)橫梁的沖壓成形過(guò)程進(jìn)行了仿真，為工廠實(shí)際的汽車(chē)橫梁沖壓模設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)，實(shí)際沖壓成型參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。建立了有限元分析模型，利用 DynaForm 軟件進(jìn)行了拉延分析。通過(guò)對(duì)成形極限圖、材料流動(dòng)圖、減薄率圖的分析可知：凸凹模圓角半徑、壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓速度、拉延阻力均對(duì)沖壓成形過(guò)程有較大影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)模擬情況，選擇合理數(shù)值。</p><p><b>　

53、　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]..D.M.Woo.On the Complete Solution of the Deep Drawing Problem. Int.J.Mech.Sci,1986,10:89~94.</p><p>　　[2] N.M.Wang.Large Plastic Deformation of a Circular Sheet

54、Caused by Punch Stretching. J.Appl.Mech.ASME,1970,37:431~440.</p><p>　　[3]..N.M.Wang,S.C.Tang.Analysis of Bending Effect in Sheeting Forming Operation.In:Proceeding of NUMIFORM’86, Rotterdam, 1986:77~86.<

55、/p><p>　　[4] S. C. Tang. Finite Element Prediction of the Deformed Shape of Automobile Trunk Deck-lid During the Binder-wrap Stage. IN: C. C. Chen ed, Experimental Verification of Process Models, ASM Metals Par

56、k, OH, 1981:189~203.</p><p>　　[5] N. M. Wang, Budiansky B. Analysis of Sheet Metal Stamping by a Finite Element Method, J. of Applied Mechanics, ASME, 1978,100:72~82.</p><p>　　[6] 李建華. 汽車(chē)覆蓋件板料成形

57、數(shù)值模擬和工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究. 汽車(chē)科技, 2002, (1):36~38.</p><p>　　[7] 余雷, 袁國(guó)定, 岳陸游. 有限元數(shù)值模擬在汽車(chē)覆蓋件設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用. 鍛壓技術(shù), 2002, (2):23~26.</p><p>　　[8] 李曉星. 板材成形模擬的研究和應(yīng)用. 金屬成形工藝, 2003,21(2):6~9.</p><p>　　[9

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59、;　　[12] 于匯泳, 祁文軍, 李昌雪. 有限元數(shù)值模擬技術(shù)在汽車(chē)沖壓成形中的應(yīng)用. 工藝與工藝裝備, 2005,10(3):71~73.</p><p>　　[13] 蘇凱, 余際星, 徐建兵. 新型汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì). 鋼鐵釩鈦, 2006,27(4):53~57.</p><p>　　[14] 吳伯杰. 汽車(chē)覆蓋件拉深工藝補(bǔ)充面優(yōu)化設(shè)計(jì)[ J] . 塑性加工技術(shù),

60、 2004( 6) : 42- 44.</p><p>　　[15] 崔令江. 汽車(chē)覆蓋件沖壓成形技術(shù)[M ] . 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.</p><p>　　[16] 雷正保. 汽車(chē)覆蓋件沖壓成形CAE 技術(shù)[ M ] . 長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社, 2003.</p><p>　　[17] 李俊. 影響高強(qiáng)度汽車(chē)板發(fā)展的主要問(wèn)題及其對(duì)策. 世界鋼鐵

61、, 2006, (3):1~5.</p><p>　　[18] 馬鳴圖. 先進(jìn)汽車(chē)用鋼. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007:10~15.</p><p>　　[19] 王孝培. 沖壓手冊(cè),1999(2):182~183.</p><p>　　[20] 羅益旋. 最新沖壓新工藝新技術(shù)及模具設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè). 銀聲音像出版社, 2004, (4):795~803.</p&g

62、t;<p>　　[21] 吳孟達(dá), 李兵, 汪文浩. 高等工程數(shù)學(xué). 科學(xué)出版社, 2004:155~160.</p><p>　　[22] ZHANG Z T;DUNCAN J L Effect of tool profiles and process variables in stretching and drawing a circular cup 1993.</p><p

63、>　　[23] LAN F;CHEN J;LIN J Springback simulation and analysis in U-typed sheet metal forming processes[J]-Journal of Plasticity Engineering 2004(05).</p><p>　　[24] 上?？茖W(xué)技術(shù)交流站正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法 1975.</p><p&