基于JSTAMP/NV的汽車外覆蓋件表面缺陷仿真分析

文/李彥波，劉紅武·廣州中國科學院工業技術研究院

基于JSTAMP/NV的汽車外覆蓋件表面缺陷仿真分析

文/李彥波，劉紅武·廣州中國科學院工業技術研究院

汽車覆蓋件是典型的復雜曲面薄板沖壓件，表面缺陷問題（如面畸變）是影響其成形精度及表面質量的重要因素之一。面畸變是汽車覆蓋件表面產生的局部起伏（或凸凹），其起伏高度一般在幾十到幾百微米。隨著消費者對汽車外觀質量、汽車經濟性及環保性要求的不斷提高，生產商開始在車身中廣泛應用板料厚度更小的高強度鋼板和鋁板，與此同時，對薄板類零件成形精度的要求越來越高，汽車外覆蓋件表面缺陷問題變得日趨突出。如圖1所示，為在制造汽車外覆蓋件過程中經常產生的典型表面缺陷。因此，覆蓋件模具設計和制造中的面畸變問題開始受到工程和研究人員的極大關注。

圖1 汽車外覆蓋件上的典型表面缺陷

面畸變在生產上亦稱暗坑，由于直接目視觀察覆蓋件表面時很難或無法發現這種缺陷，車身在油漆后經過照射才表現出來。面畸變問題的存在是目前轎車外覆蓋件表面質量的重要影響因素，該缺陷的存在嚴重制約了汽車覆蓋件表面質量的提高，顯著地增加了試、修模工作量，故在實際生產中迫切需要對此采取更加有效的措施。目前，部分高校和企業的工程人員嘗試采用ANSYS和LSDYNA等有限元仿真軟件對覆蓋件進行數值模擬來預測其表面缺陷，主要通過軟件對仿真結果進行斑馬條紋反射或光照，但是這些方法存在著不能進行定量分析，并且大多要借助豐富的現場經驗才能進行準確地判斷的不足。2011年初，日本JSOL公司開發的JSTAMP/NV軟件2.5版本率先發布了分析外覆蓋件表面質量缺陷的解決方案——油石仿真模塊，能有效地幫助工程師在模具設計階段分析凹坑等外覆蓋件表面質量缺陷。本文首先對先進的板材沖壓仿真有限元分析軟件JSTAMP/NV及其專用于解決覆蓋件表面缺陷問題的油石仿真模塊進行介紹，再以某汽車門外板為實例，敘述應用JSTAMP/NV對汽車外覆蓋件進行表面質量仿真分析的過程。

JSTAMP/NV軟件及其油石仿真機理介紹

JSTAMP/NV是由日本株式會社JSOL開發的基于LS-DYNA通用求解器的鈑金沖壓成形仿真軟件。JSTAMP/NV軟件能夠模擬鈑金沖壓的所有類型，包括：自重偏斜、板料夾緊、壓邊、拉深筋布置、沖壓加載、拉深成形、切邊、翻邊、液壓成形、彎管成形、熱成形及卸載回彈等；能夠精確地預測開裂、褶皺、回彈，尤其是高強度鋼板的回彈，是當前市場上惟一一款可以不通過第三方軟件便可以生成高精度回彈補償模面數據并可直接用于CNC加工的軟件；能幫助模具設計人員顯著減少模具設計時間和修模周期，以縮短交貨工期，降低生產成本；目前廣泛應用于汽車、航空航天、鋼鐵冶煉和家電等工業領域。此外，JSTAMP/NV還具有加熱成形，精確計算模具變形量，溜料仿真等功能。可簡單應用實體單元進行多工序拉延，提供豐富的材料數據庫、拉深筋數據庫。

JSTAMP/NV軟件的油石仿真模塊可以基于產品三維掃描數據或仿真分析后得到的網格數據，在軟件中模擬油石的測量功能，對存在表面缺陷的汽車外覆蓋件進行檢測與評價。該油石仿真模塊再現了在板料表面使用油石打磨的過程，其仿真計算的機理如圖2所示，按照指定的檢查方向移動面板，同時計算油石分析面的橫截面與油石間的距離，并以分布云圖的方式表示出來以幫助工程師確認覆蓋件的表面質量是否存在缺陷及其具體位置和嚴重程度。對油石仿真的結果進行凹、凸分布的判斷機理如圖3所示，即在油石結果的分布云圖中顯示表現為：若該點的數值較大而周圍的數值較小，則該點為凹陷；反之，若該點的數值較小而周圍的數值較大，則該點為凸起。油石仿真模塊已在多家企業的生產過程中得到了成功應用，受到用戶的好評。

圖2 基于JSTAMP/NV油石仿真計算機理

圖3 基于JSTAMP/NV油石仿真中凹、凸分布的判斷機理

■ 表1 材料的力學參數

汽車門外板油石仿真分析案例

以某汽車門外板為研究對象，運用JSTAMP/NV對其進行油石仿真分析，仿真過程為：首先通過顯式算法模擬動態拉延成形過程，然后利用隱式靜態算法模擬回彈變形，在精確預測出回彈變形的基礎上執行油石仿真計算以預測汽車外覆蓋件表面質量的缺陷。在JSTAMP/NV前處理中采用對稱模型建立的仿真分析模型，如圖4所示，包括凸模、凹模、板料和壓邊圈，模具采用倒裝結構，以單動拉延方式成形。材料牌號為DX53D，其力學參數見表1。應用JSTAMP/NV對該汽車外覆蓋件沖壓過程進行仿真分析，工序包括自重、拉延、回彈和油石。

圖4 某汽車門外板有限元仿真模型

在獲取精確的回彈仿真結果的基礎上，應用JSTAMP/NV的油石仿真功能按照以下四個操作步驟所述對此案例進行表面質量仿真分析：⑴準備形狀數據：首先在回彈工序的后處理窗口中，把分析得到的結果數據另存為用于油石仿真計算的網格文件，并在新窗口中打開該文件；⑵油石仿真參數設定：指定油石仿真區域和油石仿真參數；⑶進行油石計算：指定單獨文件輸出的輸入文件夾和計算結果輸出文件夾，設定 LS-DYNA求解器用于油石計算，并執行油石仿真計算；⑷ 查看油石計算的結果：打開后處理窗口，輸入油石分析結果文件并利用分布圖查看計算結果。

該汽車門外板油石仿真分析結果如圖5所示，在門把手輪廓附近出現了凹陷表面缺陷，其中有2處尤其明顯（紅色區域）。經驗證，此仿真預測的結果與試模結果非常吻合。

圖5 基于JSTAMP/NV的某汽車門外板油石仿真分析結果

結束語

凸起和凹坑是汽車外覆蓋件成形過程中常見的表面缺陷，解決此問題的傳統方法是通過不斷試模、修模來進行控制和修復，因此耗費了大量的人力、物力和財力，造成了極大的浪費。而利用JSTAMP/NV有限元分析軟件率先提出的油石仿真功能模塊對汽車外覆蓋件可能出現的表面缺陷進行仿真分析和預測，可以真實地模擬出零件的實際沖壓過程，并在試模前能準確預測出汽車外覆蓋件可能出現的表面缺陷問題，從而對實際生產中采取工藝措施來減少和控制此類缺陷的出現有重要指導意義，可大幅度減少模具返修次數及修模工作。