沖壓成型仿真在重載鐵路貨車下側(cè)門板中的運用

柴 林，楊 岳

（1.南車長江車輛有限公司 工藝研究所，武漢 430212；2.中南大學 交通運輸工程學院，長沙 410075）

沖壓成型仿真在重載鐵路貨車下側(cè)門板中的運用

柴 林1，楊 岳2

（1.南車長江車輛有限公司 工藝研究所，武漢 430212；2.中南大學 交通運輸工程學院，長沙 410075）

在鐵路貨車零件的產(chǎn)品設(shè)計階段，采用沖壓成型仿真軟件對沖壓件進行成型仿真，可以驗證沖壓件的成型性能，為產(chǎn)品設(shè)計提供重要依據(jù)。以鐵路貨車大軸重貨車的下側(cè)門板為例，在零件的設(shè)計階段，通過對零件進行沖壓仿真，預(yù)測零件可能出現(xiàn)破裂，通過不斷修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，最終確保零件具有良好的成型工藝性。

沖壓成型；下側(cè)門板；工藝仿真

重載鐵路貨車托板的下側(cè)門板產(chǎn)品外形尺寸1 000 mm×796 mm，板厚4 mm，外緣為一圈成型筋，中間部分加兩道成型筋，如圖1所示。

圖1 下側(cè)門板原產(chǎn)品圖

下側(cè)門板外緣成型部分面積較大，能參與變形的材料較多，變形趨勢平緩，無成型困難。但中間兩道小成型筋，尺寸為158 mm×550 mm，距外緣成型筋分別為100 mm、75 mm，拉伸成型時需要周邊材料流入，屬于拉伸成型。因與外緣成型筋距離較小，同時本身圓弧及相鄰成型筋圓弧尺寸均為R15,圓弧成型較為急劇，兩道成型筋間距離為80 mm，距離過小，可參與筋拉伸變形的材料有限，拉伸過程中材料流入不足，圓弧部分材料變薄最劇烈，可能會造成成型筋圓弧破裂。

以下將通過成形仿真分析軟件驗證產(chǎn)品的性能，并優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

1 下側(cè)門板沖壓成型和回彈仿真

1.1 下側(cè)門板結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)

圖1為重載鐵路貨車托板的下側(cè)門板零件圖，零件材料參數(shù)如表1所示。

表1 下側(cè)門板材料參數(shù)

1.2 沖壓仿真模型的建立

將由I-DEAS軟件創(chuàng)建的下側(cè)門板曲面模型以IGES的格式輸入到DYNAFORM中，將曲面模型的上、下表面作為模具的上下模面。

對上、下模面進行網(wǎng)格劃分，坯料網(wǎng)格單元尺寸以及模面圓角處單元尺寸大小直接影響到仿真的精度。由于模面網(wǎng)格大小直接影響模具形狀的描述，對仿真效率影響較小，故可以細化模面網(wǎng)格大小，使網(wǎng)格劃分后的模面盡量接近實際模面形狀。

下側(cè)門板的仿真模型如圖2所示，從上往下分別為上模、毛坯、壓邊圈、下模。

圖2 下側(cè)門板仿真模型

1.3 沖壓工藝仿真參數(shù)

下側(cè)門板沖壓成型仿真的參數(shù)應(yīng)該與實際沖壓成型參數(shù)相符。采用實際沖壓速度將大大降低仿真效率，而且對仿真結(jié)果的影響不大，故對于沖壓速度的選擇為人工動態(tài)效應(yīng)，仿真時采用虛擬速度2 m/s。摩擦系數(shù)為0.13。成型仿真采用36號材料模型，材料單元公式為縮減積分殼單元公式，接觸方式采用面和面接觸方式。

1.4 沖壓仿真后處理結(jié)果

下側(cè)門板成型極限圖如圖3所示，主次應(yīng)變坐標點已經(jīng)超出成形極限曲線，該零件結(jié)構(gòu)不合理，實際沖壓時會出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

圖3 下側(cè)門板成型極限圖

下側(cè)門板的板厚變化圖如圖4所示，最大板厚變薄率為63%，故該零件板厚變薄嚴重，實際沖壓會出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

圖4 下側(cè)門板板厚變化圖

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進方案及仿真

通過以上數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，下側(cè)門板的成型極限圖以及板厚變化率均預(yù)測零件實際沖壓會出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

確保實際沖壓不出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，需要對零件結(jié)構(gòu)進行改進。由于破裂缺陷出現(xiàn)在內(nèi)部兩個成型筋中，故采用降低內(nèi)部兩個成型筋的高度，來消除破裂現(xiàn)象，外圍筋不做改動。

2.1 將中間兩個成型筋的高度降低為40 mm

將兩個成型筋的高度降低為40 mm，然后對修改的零件重新進行仿真分析，如圖5和圖6所示。

根據(jù)圖5與圖6的仿真分析結(jié)果，將中間兩個筋高度降低為40 mm后，仍然出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，但是破裂現(xiàn)象得到明顯改善，板厚變化率降低到32%。

2.2 將中間兩個成型筋的高度降低為30 mm

將中間兩個成型筋的高度降低為30 mm，然后對修改的零件重新進行仿真，如圖7和圖8所示。

圖5 筋高40mm下側(cè)門板成型極限圖

圖6 筋高40mm下側(cè)門板成型板厚變化

圖7 筋高30mm下側(cè)門板成型極限圖

根據(jù)圖7與圖8的仿真結(jié)果，將中間兩個成型筋的高度降低為30 mm后，沒有出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

由于零件設(shè)計階段的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，仿真時容易產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。在不改變外圍筋高度的情況下，通過降低中間成型筋的高度，可以改善零件的成型性能。

為避免零件可能出現(xiàn)的破裂現(xiàn)象，通過采用仿真軟件驗證3種零件結(jié)構(gòu)的成型性能，最后認為采用中間成型筋高為30 mm的零件結(jié)構(gòu)是最合理的，不會出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

通過采用沖壓仿真軟件，可以有效避免不合理的零件設(shè)計結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品早期設(shè)計階段驗證零件的成型性能，避免零件生產(chǎn)時出現(xiàn)大批量的報廢情況。

圖8 筋高30mm下側(cè)門板成型板厚變化

[1] 陳文亮. 板材成形CAE分析教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2005.

[2] 張 馨.貨車制造業(yè)中沖壓成形數(shù)值模擬系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2005.

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責任編輯 陳 蓉

Forming simulation of side door plate for heavy-haul railway freight car

CHAI Lin1, YANG Yue2
( 1.Process Institute of CSR Yangtze Co., LTD., Wuhan 430212, China; 2.School of Traff i c and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China )

The forming simulation applying on sheet metal plate could verify the forming property of piece parts and provided the evidence for product design, when the fright car parts were still on the design stage. Taking side door plate of heavy-haul railway freight car for example, simulation on the parts could predict potential crack at the design process, improve the product structure, make sure that the parts had excellent forming character and avoid the forming def i ciency.

forming; side door plate; process simulation

U272∶TP39

A

1005-8451（2014）08-0039-03

2014-02-19

柴 林，工程師；楊 岳，教授。