試析基于有限元分析的汽車覆蓋件模具設計方法

摘 要：計算機硬件性能和軟件設計能力的提高，信息技術的發展特別是彈塑性有限元模擬技術的進步，讓CAE技術（計算機輔助工程技術）在汽車工業中獲得了廣泛地應用，該技術主要以數值模擬技術為核心，它在促進產品設計的不斷改進中發揮中了非常重要的作用。基于有限元分析的汽車覆蓋件模具設計不僅具

有非常好的設計可靠性，還具有很好的模具設計效率。

關鍵詞：有限元；汽車覆蓋件；模具設計

中圖分類號：TG386 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791 (2010)12(a)-0000-00

1.有限元

有限元有效融合了計算方法、力學理論以及計算機技術等三門學科的理論知識，但是它不是三者的簡單相加，而是具有自己理論基礎與解題方法的新學科。有限元特別適合用于解決工程技術問題，因為相對于其他方法具有高效、快速、靈活等優點，因而獲得了非常快的發展。最開始，有限元主要的目的是分析飛機結構中的應力問題，但是隨著它逐漸被其他領域所認可，其應用范圍已經囊括了生物力學、流體場、固體力學、電磁場、聲場以及溫度場等諸多領域的數理方程；同時，它的計算機程序基本上可以對數理方程中的所有問題進行求解。目前，有限元已經成為一種非常通用的解數理方程的數值計算方法。

在進行實際工程技術問題求解的過程中，構建基本方程和確定邊界條件不是很苦難，但是因為材料特點、外部荷載以及不規則的幾何形狀，求解的過程則比較麻煩。所以，選擇求近似解則是比較恰當合理的。其中有限元方法便是一種應用非常廣泛的近似算法。有限元法將求解區域視為由眾多在節點部位連接的較小單元（子域），數學模型會提供基本方程的單元（子域）近似解。同時，每一個單元（子域）均能夠被劃分為形狀各異、大小不同的區域，因而有限元法對復雜材料特性、邊界條件以及幾何形狀等均有著非常好的適應能力。更為重要的是，有限元方法背后有著成熟穩定的大型的軟件系統作為平臺，使其具有高效、快速、靈活等優點，因而獲得了非常快的發展。

2.汽車覆蓋件成形的模擬及其模具設計

汽車覆蓋件成形的模擬及其模具設計的大體流程如下：①利用CAD軟件對覆蓋件進行造型設計→②將vda、iges、stl、fs等格式的文件傳入到軟件中，利用CAE技術（計算機輔助工程技術）進行如下操作，第一，對修改圓角補充孔、網格、縫隙等進行劃分；第二，確定汽車覆蓋件的沖壓方向，并對模具、設計工藝補充面以及設計壓料面等進行確定；第三，布置拉伸筋、明確工藝切口；第四，對拉伸工步以及有關工藝參數進行分析確定；第五，進行有限元模擬，如果成形有缺陷，則再返回第一步重新進行操作，如果成形沒有缺陷則進行第③步→③將模具的幾何信息以數據文件的形式傳入CAM軟件當中，同時編制出NC代碼用來制造模具。

假如模擬的結果告知汽車覆蓋件的拉伸不成功，則一般情況由于以下兩種原因，即，第一，不合理的工藝參數設計會導致汽車覆蓋件的拉伸不成功；第二不合理的模具設計也會導致汽車覆蓋件的拉伸不成功。如果是因為第二種原因，則我們通過對模具工藝補充部分參數以及壓料面參數的重新調整來實現，而后繼續進行模擬，如果還是拉伸不成功，則可以重復以上操作，直到覆蓋件成功拉伸為止。

3.覆蓋件成形過程的有限元分析

在利用有限元對板料成形進行模擬的過程中，常用的算法主要有三種，即靜態顯式、靜態隱式以及動態顯式等這三種算法。目前應用比較多的是前兩種方法。動態顯式算法沒有收斂性問題，但它的最大缺陷在于求解結果是有條件穩定的，分析時每步時間增量必須小于由系統最高固有頻率所確定的臨界時間步長，對于沖壓這樣的準靜態問題，臨界時間步長通常要比成形時間小幾個數量級。由于動態顯式算法要求很小的時間步長，所以工件卸載后的回彈計算量將是巨大的，利用其計算回彈幾乎是不可行的。汽車覆蓋件成形速度較小，因而是一個靜力問題，靜態隱式算法比較適合解決這類問題，但由于存在收斂問題，所以一度影響了它的應用。本文的有限元分析采用的是改進的靜態隱式算法，它解決了收斂性差的問題，計算時間也大大縮短，一般的復雜覆蓋件在工作站上用1-2h就可模擬完畢，常規的形狀規則的工件成形僅需要幾分鐘。

在覆蓋件成形中，一般來講翻邊是最后一道工序，翻邊前切邊線的確定一直是困擾設計人員的難題。一些通用CAD軟件雖然也有鈑金設計功能，能夠將規則的彎曲類工件展開，但是對于覆蓋件這樣的復雜件，通用CAD軟件就無能為力了。在CAE軟件中通過有限元分析和優化設計相結合，可以確定切邊線的位置，能夠比較準確地確定翻邊前的坯料形狀。

總之，在今天，隨著計算機硬件性能和軟件設計能力的日益提高，信息技術的發展特別是彈塑性有限元模擬技術的不斷進步，CAE技術（計算機輔助工程技術）在汽車工業中獲得了廣泛地應用。該技術主要以數值模擬技術為核心，它在促進產品設計的不斷改進中發揮中了非常重要的作用。本文顯示，利用CAD技術和CAE技術，實現了對汽車覆蓋件模具、壓料面與工藝補充部分的集成設計，充分發揮了兩者的技術優勢。利用限元分析軟件來進行汽車覆蓋件設計，不僅能夠實現模擬后模具形狀調整的參數化，還節省了時間，提高了工作效率，確保了模擬順利進行，最終提升了設計的可靠性水平。

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