基于CAE技術的汽車前門窗框加強板拉延成形研究

熊保玉

(四川信息職業技術學院 機電工程系，四川 廣元 628017）

基于CAE技術的汽車前門窗框加強板拉延成形研究

熊保玉

(四川信息職業技術學院 機電工程系，四川 廣元 628017）

以汽車前門窗框加強板為研究對象，利用Dynaform軟件對加強板的拉延成形進行數值模擬。通過模擬產品在設置不同壓邊力數值及有無拉延筋情況下成形性能，預測板料成形中可能出現如起皺、拉裂、變薄、回彈等缺陷。通過模擬結果的研究分析，確定汽車前門窗框加強板成形所需工藝過程和技術參數，為實際產品沖壓成形提供科學依據。

加強板；拉延成形；數值模擬；Dynaform

汽車覆蓋件大多為復雜空間曲面，具有結構尺寸大、變形復雜、材料薄、表面質量要求高等特點[1]。并且這些零件的沖壓成形較困難，模具結構的設計與制造也相對復雜。傳統汽車覆蓋件材料沖壓成形中模具設計與制造的周期長、難度大、成本高、試制時間久，并且對工人的技術水平和經驗都有很高的要求。

隨著有限元技術的飛速發展，利用計算機模擬技術對沖壓成形工序進行CAE分析得到快速應用。利用DYNAFORM軟件能夠輕松地求解板料成形過程中和模具設計中遇到的復雜問題，能夠預測成形過程中將要發生的缺陷，評估板料成形性能，為板料成形工藝及模具設計提供幫助[2]。降低試模周期和模具制造成本，以替代實際的沖壓過程，為板料沖壓成形提供合理的工藝參數和優化模具設計。

1 零件工藝分析

某汽車前門窗框加強板模型如圖1所示。通過分析該零件為內板件，是左右對稱零件。對產品模型及成形工藝進行優化，由傳統的一模單件，改進成一模兩件，即設計成現在一幅模具同時完成左右門窗加強板兩個產品的拉延。最終產品成形工藝路線為：拉延-修邊/沖孔-翻邊/整形-分離/沖孔，四道工序完成該產品成形。該產品的成形工藝中，拉延工序是第一道工序，也是成形難度最大的工序，對產品的后序工序的成形起著重要作用。因此產品的拉延成形必須考慮到如何選擇合理的沖壓方向，其次為工藝補充面和壓料面的建立，以及最后的產品成形是否設置拉延筋，是否會出現起皺、破裂、變薄等問題。

圖1 汽車前門窗框加強板的模型

2 Dynaform軟件模擬拉延成形關鍵步驟

Dynaform軟件是由美國工程技術聯合公司和Livemore軟件技術公司聯合開發的用于板料成形數值模擬的CAE軟件[3]。該軟件采用顯示動力有限元算法，并具有了強大的模型分析、前處理和后處理功能，能夠真實模擬出模具開發中的各種復雜問題。利用Dynaform對汽車覆蓋拉延成形分析及模具設計的步驟如圖2所示。

3 模型的有限元前處理

3.1 模型導入及網格劃分

汽車覆蓋件三維模型建立常用軟件有UG、CATIA、PRO/E等。利用UG建立汽車左右門窗加強板展開模型，并根據成形工藝方案建立相應凹模、凸模、壓邊圈、毛坯的模型面。然后將建好的模型以iges格式導入到Dynaform中。對模型進行有限元網格劃分，確保網格相對密集，大小適當，網格無重疊、無漏孔、法向一致。

圖2 板料成形過程分析流程

3.2 沖壓方案的確定

拉延工序中沖壓方向合理與否，直接決定了能否拉伸出合格產品。根據零件工藝和實際成形過程確定沖壓方向。在Dynaform中利用DFE（模面工程）中Tipping（傾斜）進行產品沖壓方向的自動調整，確保產品所有網格單元法矢量一致，沖壓負角為零與拉延深度最小。

3.3 工藝補充及壓料面創建

工藝補充面是汽車覆蓋件拉延成形工藝中不可缺少的部分，它一般又分為內工藝補充面和外工藝補充面[4]。但是工藝補充面在拉延成形之后的工序中要剪切掉，所以在設置工藝補充面時，在滿足成形需要的情況下應使其面積盡量小。同時要求工藝補充面盡量平滑，便于產品成形充分。汽車前門窗框左右加強內板成形工序首先是沖壓成形，然后再進行其他工序成形。因此，為保證產品成形質量，需要將該產品內孔及相關部位進行工藝補充[5]。壓料面的設計是為了保證產品成形時毛坯不起皺、扭曲，根據實際產品的形狀特點，以實用、簡單、節省材料為原則，最終確定壓料面為平滑的曲面。如圖3所示為最后創建完成的壓料面及工藝補充面凹模模型。

圖3 工藝補充面及壓料面

3.4 毛坯尺寸的估計及毛坯生成

對產品及工藝補充部分進行尺寸的展開，根據設置壓料面在X、Y方向的最大尺寸是1035mm、370mm，通過Dynaform估算產品的展開尺寸及在板料沖壓模擬中考慮到壓料及產品成形，取毛坯尺寸為925mm×330mm的矩形板料。根據毛坯尺寸的邊界，利用Dynaform軟件Tool（工具）-Blank Generator（毛坯生成器）得到劃分好的毛坯網格，根據實際的模擬情況，對毛坯尺寸大小進行適當修改。

3.5 設置模擬參數

設置好的凸模、凹模、壓邊圈、毛坯有限元模型如圖4所示。利用Dynaform自動模擬設置功能。參數設置中沖壓類型為Single action press(單動)；毛坯材料為B170P1高強度鋼板、厚度1.2mm；Dynaform材料庫中B170P1的力學性能如表1所示，凸模和凹模間隙為1.42mm；毛坯與模具間摩擦系數為0.125；工具和壓邊圈的速度為默認設置。壓邊力初設置成100ton。 設置好模具各零件的運動和邊界條件，提交到LS-DYNA進行計算。

圖4 汽車前門窗框加強板有限元模型

表1 材料的性能參數

4 產品數值模擬及優化

4.1 數值模擬方法

Dynaform求解板料成形非線性問題數值模擬主要采用彈塑性有限元法，其計算方法以靜力隱式和動力顯式為主。靜力隱式算法因為迭代收斂問題難以穩定處理，所以動力顯式算法的應用較廣[6]。動力顯式計算方法避免了直接求解切線剛度矩陣，不需要平衡迭代計算；并且動力顯式計算簡單明了，計算時間步長很小[7]。所以動力顯示算法具有計算速度快、占內存小、易于平行處理等優點，是求解大位移、大變形、復雜型面沖壓零件問題的最有效的方法。

Dynaform軟件中數值模擬模塊LS/DYNA集成了靜力隱式和動力顯式的優點，功能強大，計算結果準確。模擬計算完成后，利用Dynaform后處理命令Post-Processor對運算結果進行分析和判斷，得到成形極限圖，如圖5所示。由圖可知，產品區域沒有出現拉裂，但大部分區域存在嚴重的拉延變形不足，這種成形質量不符合設計要求。

圖5 壓邊力100t成形極限圖

4.2 優化工藝參數

產品發生嚴重變形不足主要是因為板料壓邊力和拉延阻力不夠造成的，解決上述問題的方法一般是增大壓邊力。在其他模擬參數不變的情況下，將該產品壓邊力分別增加到200t、300t,得到如圖6、圖7所示模擬結果。從圖分析可知隨著壓力的增大，變形不足得到改善，但在產品邊緣仍有變形不足，并且開始出現拉裂趨勢。顯然通過繼續增加壓邊力已經不能使產品成形達到要求，必須進行調整，即設置拉延筋來增加金屬流動阻力來提高零件成形質量。

圖6 壓邊力200t成形極限圖

圖7 壓邊力300t成形極限圖

設置拉延筋的作用是調節板料成形時進入模具中阻力的大小和分布，同時降低壓料面作用力和改善板料的起皺，有利于變形區板料的順利成形。Dynaform中拉延筋的設置分為兩種，即等效拉延筋和真實拉延筋。數值模擬中真實拉延筋能更好地反映實際生產中拉延筋部位的材料流動阻力狀態[8]。本文采用真實方形拉延筋，拉延筋的尺寸及分布情況如圖8、圖9所示。通過設置拉延筋及在其他模擬參數不變時設置不同壓邊力進行數值模擬。在150t壓邊力時得到成形極限圖，如圖10所示。從設置拉延筋成形極限圖對比結果看，板料成形質量得到很大改善，在大幅降低壓邊力的同時得到較好的產品成形質量，表現為材料得到有效變形，產品區域無變形不足，起皺和破裂現象得到較大改善。變形區域有破裂趨勢和拉裂現象，在后面的修邊和分離工序中去除，不影響產品成形質量。證明所設置的模擬參數和產品形狀設計是合理的。實際中產品可以安全沖出。

圖8 拉延筋尺寸

圖9 壓料面模型

圖10 壓邊力150ton成形極限圖

5 結論

利用板料成形Dynaform軟件對汽車前門窗框左右加強內板拉延成形過程進行數值模擬研究，可預測實際沖壓成形可能出現的產品缺陷，提高模具設計效率。通過對模擬沖壓參數的優化調整，確定了實際產品成形工藝參數和拉延筋設置，降低了現場實際試模量。對類似汽車覆蓋件產品模具設計與制造具有重要的參考價值。

[1]李福祿.汽車覆蓋件沖模結構分析與沖壓成形數值模擬[D].青島：青島理工大學，2007.

[2]劉長位，胡春蓮，畢 彥.基于DYNAFORM仿真模擬的拉深工藝方案確定[J].鍛壓裝備與制造技術，2014，49（2）：58-61.

[3]龔紅英.板料沖壓成形CAE實用教程[M].北京：化學工業出版社，2010.

[4]聞 瑤，甘國強，王成國.基于數值模擬的隔熱板零件沖壓工藝研究[J].精密成形工程，2014，6（4）：41-45.

[5]奚建勝.基于DYNAFORM的汽車發動機消音器成形模擬[J].鍛壓裝備與制造技術，2008，43（4）：63-65.

[6]張寶貴，陳 軍，王曉方.基于板料成形數值模擬的沖壓模具結構分析方法[J].機械工程學報，2008，（8）：174-179.

[7]雷正保.汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術及工業應用研究[R].中南大學：博士后研究工作報告，2003.

[8] 劉細芬.基于Dynaform的汽車覆蓋件拉延成形有限元模擬分析[J].機械研究與應用，2013，（2）：33-35.

Study on drawing forming process of reinforcing plate for automobile front door frame based on CAE technology

XIONG Baoyu
（Mechanical&Engineering Department,Sichuan Information Technology College,Guangyuan 628017,Sichuan China）

Taking the reinforcing plate for automobile front door frame as the research object,the numerical simulation has been carried to its drawing forming process by use of Dynaform software.By simulation of the forming performance under different magnitude of blank holder force and with or without draw-bead condition,the defects including wrinkle,fracture,thinning and rebound have been predicted.By research analysis of the simulation result,the required technical process and parameters during forming process for reinforcing plate of the automobile front door frame have been confirmed.It provides a scientific basis for the actual forming production.

Reinforcing plate;Numerical simulation;Drawing forming;Dynaform

TG386.1；TH162

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.022

1672-0121（2016）02-0084-04

2015-03-20；

2015-05-08

廣元市科技支撐計劃資助項目（14KJZCZC006）

熊保玉（1980-），男，碩士，講師，從事材料成形及模具CAD/CAE技術研究。E-mail:xbywr@163.com