基于LS-DYNA的某車前門外板模具強(qiáng)度分析

申丹鳳，聶昕

(1.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000； 2.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082)

基于LS-DYNA的某車前門外板模具強(qiáng)度分析

申丹鳳1，聶昕2

(1.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000；
2.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082)

針對(duì)沖壓件成形的復(fù)雜性以及在沖壓過(guò)程中容易產(chǎn)生的沖壓件的質(zhì)量問(wèn)題和模具的強(qiáng)度問(wèn)題，通過(guò)LS-DYNA軟件，以汽車沖壓件前門外板作為研究對(duì)象，通過(guò)建立板料及沖壓模具的有限元模型，成功模擬了前門外板的整個(gè)成形過(guò)程，最終得到模具的應(yīng)力圖、位移變形圖，能簡(jiǎn)單直觀地反映模具在沖壓過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)部位。同時(shí)，通過(guò)與現(xiàn)階段普遍采用的ABAQUS軟件分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并將對(duì)比結(jié)果與實(shí)際沖壓過(guò)程模具磨損情況進(jìn)行比較，結(jié)果表明：基于LS-DYNA軟件的分析方法的預(yù)測(cè)精度更高。

LS-DYNA軟件；有限元分析； 模具強(qiáng)度

0 引言

近年來(lái)伴隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，車身作為汽車四大總成之一，其造價(jià)的比例已經(jīng)上升到整車的50%～70% ，車身的設(shè)計(jì)及制造已經(jīng)成為整車開發(fā)的主要環(huán)節(jié)之一[1]。傳統(tǒng)地來(lái)講，車身的生產(chǎn)基本分為4個(gè)階段：沖壓、焊接、涂漆及裝配。而沖壓生產(chǎn)作為基礎(chǔ)階段，也是不確定因素最多的一個(gè)階段。因此，覆蓋件成形是整個(gè)產(chǎn)品能否批量生產(chǎn)的基礎(chǔ)保證，在其成形階段出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題也比較多，造成的因素也比較多，而模具質(zhì)量的好壞就是其中決定性的因素[2-3]。

近年來(lái)， 有限元法在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)模態(tài)分析、電磁分析、板料成形、傳熱學(xué)中的溫度場(chǎng)分析、材料流動(dòng)及流體力學(xué)中的流體場(chǎng)分析等多個(gè)工程領(lǐng)域取得了巨大成功[4]。然而，在汽車零件成形方面，此方法主要集中在解決板料在成形中的各種問(wèn)題，對(duì)于沖壓模具而言，它在傳統(tǒng)的有限元分析中一直未被重視，板料的成形過(guò)程中模具被視為沒有幾何變形的剛性部件。然而，隨著人們對(duì)汽車的質(zhì)量和美觀要求的不斷提高，同時(shí)大量高強(qiáng)度鋼板越來(lái)越普遍地應(yīng)用于現(xiàn)代汽車的車身零件中，導(dǎo)致模具在工作時(shí)的磨損和變形越來(lái)越嚴(yán)重，所以模具的CAE分析受到越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。在國(guó)外，2000年美國(guó)通用汽車模具中心的V AITHARAJU與A LIU等提出了汽車模具結(jié)構(gòu)分析的主要應(yīng)用，韓國(guó)的Y T KEUM與I H AHN等應(yīng)用相關(guān)的有限元分析軟件研究了汽車翼子板零件的模具結(jié)構(gòu)變形對(duì)其成形的影響；在國(guó)內(nèi)，2000年鄭州宇通客車股份有限公司的馮樹奎等研究了模具結(jié)構(gòu)的變形對(duì)鋼板變形和起皺的影響；2008年上海交通大學(xué)模具CAD國(guó)家工程研究中心的張寶貴等提出了一種基于板料成形數(shù)值模擬的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析方法；寧夏大學(xué)的馬國(guó)華等提出了基于LS-DYNA的板料成形數(shù)值仿真及其在軸承沖壓保持架中的應(yīng)用；2011年西安理工大學(xué)的邢應(yīng)會(huì)提出了基于ANSYS/LS-DYNA的板料彎曲數(shù)值模擬方法[5-7]。

1 動(dòng)態(tài)顯式法

LS-DYNA中常用的接觸算法有：罰數(shù)法及拉格朗日乘子法[8]。罰函數(shù)法允許相接觸的邊界穿透，然后通過(guò)罰因子將接觸力及穿透量的大小聯(lián)系起來(lái)。其優(yōu)點(diǎn)是在數(shù)值上實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，故在顯式動(dòng)力分析中得到廣泛的應(yīng)用，然而它必須選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)牧P數(shù)。拉格朗日乘子法不允許相觸的邊界出現(xiàn)相互穿透，是一種計(jì)算精度較高的接觸力算法，它與顯式算法不相容。

一般根據(jù)求解方法的不同，有限元法通常可以分為靜態(tài)隱式法和動(dòng)態(tài)顯式法。總的來(lái)說(shuō)，靜態(tài)隱式法的計(jì)算結(jié)果比較精確，能夠預(yù)測(cè)回彈變形和殘余應(yīng)力，但是它的求解時(shí)間通常比較長(zhǎng)，在處理接觸問(wèn)題時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)不能收斂的問(wèn)題；而動(dòng)態(tài)顯式算法能夠使有限元方程計(jì)算顯式化，從而使計(jì)算速度可以調(diào)節(jié)，同時(shí)也避免了因迭代計(jì)算和非線性引起的收斂問(wèn)題，它處理接觸問(wèn)題也比較容易，因此這種方法已經(jīng)在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。

動(dòng)力學(xué)虛功方程[9]：

(1)

(2)

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F為載荷向量。通過(guò)中心差分法對(duì)時(shí)間進(jìn)行離散分析得到節(jié)點(diǎn)位移：

(3)

像大多數(shù)的顯式方法一樣，中心差分法也是條件穩(wěn)定的，那就是說(shuō)，如果時(shí)間步長(zhǎng)Δt超出了臨界時(shí)間步長(zhǎng)Δtcr，計(jì)算結(jié)果就會(huì)不穩(wěn)而無(wú)限增大。臨界時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)該等于固體或結(jié)構(gòu)中最快的應(yīng)力波通過(guò)最小單元所花的時(shí)間[10]。

2 有限元模型建立

三維模型示意圖如圖1所示。

圖1 三維模型示意圖

2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格是有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算的基礎(chǔ)，劃分的網(wǎng)格質(zhì)量和大小將直接決定計(jì)算精度的高低和計(jì)算規(guī)模的大小。此次采用HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，板料屬于厚度較小的薄板零件，故采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；其他部件都采用3D網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

為了保證整個(gè)模擬過(guò)程能夠最大限度地與實(shí)際沖壓過(guò)程相契合，網(wǎng)格劃分需遵循以下步驟：

(1)首先對(duì)壓邊圈上端邊緣和下模上表面進(jìn)行2D單元網(wǎng)格劃分，如圖2所示，要保證主要特征能夠完全地保留；

此外，我們也非常看好MDI市場(chǎng)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，未來(lái)三年全球MDI需求增速將在5%，中國(guó)MDI的需求增速將維持在5%～7%。同時(shí)，在中國(guó)環(huán)保政策下，亨斯邁將不只追求MDI業(yè)務(wù)在中國(guó)的利潤(rùn)，更致力于在中國(guó)生產(chǎn)和推廣環(huán)保型聚氨酯產(chǎn)品和解決方案。

圖2 2D單元示意圖

(2)將上步劃分的2D單元網(wǎng)格進(jìn)行偏置，使其與上模下表面能夠完全重合,并對(duì)上模其他表面進(jìn)行2D單元的網(wǎng)格劃分并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)合并，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)體網(wǎng)格的劃分；

(3)同理對(duì)其他部件進(jìn)行3D單元網(wǎng)格劃分，但要保證所有3D單元網(wǎng)格大于3 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 3D單元示意圖

特別地，對(duì)模具上某些復(fù)雜細(xì)小的特征必須進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和去除，處理之后的模型不但可以縮短計(jì)算時(shí)間，還可以提高計(jì)算精度。

2.2 模型的約束和加載

(1)約束情況

約束底座底面外側(cè)一圈節(jié)點(diǎn)所有6個(gè)方向自由度，如圖4所示。

圖4 底座約束示意圖

約束壓邊圈全部節(jié)點(diǎn)除Z向移動(dòng)自由度外的5個(gè)方向的自由度，如圖5所示。

圖5 壓邊圈約束示意圖

(2)加載情況

對(duì)上模施加如圖6所示的速度(單位：mm/ms)曲線。

圖6 上模速度曲線圖

對(duì)壓邊圈下端頂桿節(jié)點(diǎn)施加如圖7所示的力(單位：kN)曲線。

圖7 壓邊圈力曲線圖

(4)

式中：Fn為壓邊圈下端頂桿每一個(gè)節(jié)點(diǎn)施的力；Ft為壓邊圈頂桿處Z向受到2.10 MN支撐力；N為壓邊圈下端頂桿的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

3 結(jié)果對(duì)比分析

將文中提出的基于LS-DYNA的動(dòng)態(tài)模具強(qiáng)度分析法和目前普遍使用的基于ABAQUS的靜強(qiáng)度分析法進(jìn)行結(jié)果對(duì)比分析，從而來(lái)判斷出預(yù)測(cè)精度的高低。

為了使模擬過(guò)程與實(shí)際沖壓過(guò)程情況保持一致，并防止板料最終被壓穿，需要設(shè)置上模和下模最終狀態(tài)下的“gap”值為板料厚度1.1倍。LS-DYNA的應(yīng)力、位移變形分析結(jié)果與ABAQUS的對(duì)比分別見圖8和圖9。

通過(guò)對(duì)比圖8和圖9可知：

(1)LS-DYNA法中，下模應(yīng)力最大處在門把手處，最大變形在下模頂部前端；ABAQUS法中，下模應(yīng)力最大處在其側(cè)邊的中間部位，最大變形在下模頂部中間處；

(2)通過(guò)分析LS-DYNA模擬過(guò)程，壓邊圈的最大應(yīng)力并不是出現(xiàn)在沖壓完成后，而是在其沖壓過(guò)程中的頂端內(nèi)側(cè)邊緣處；而ABAQUS法中壓邊圈的最大應(yīng)力及應(yīng)變均是出現(xiàn)在沖壓完成后；

(3)LS-DYNA法中，底座應(yīng)力集中出現(xiàn)在其邊緣幾點(diǎn)及中間部位；而ABAQUS法中，底座應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在邊緣幾點(diǎn)處。

通過(guò)在車間對(duì)前門整個(gè)沖壓過(guò)程的觀察分析可知：下模磨損較嚴(yán)重的地方在門把手處，壓邊圈磨損較嚴(yán)重的地方出現(xiàn)在其頂端內(nèi)側(cè)邊緣一圈，底座磨損較嚴(yán)重的地方主要出現(xiàn)在底座中間部位。所以，前門整個(gè)沖壓過(guò)程中模具各部件磨損嚴(yán)重的地方與LS-DYNA法模擬的吻合度更高，由此可證明LS-DYNA法的模擬精度更高。

圖8 模具應(yīng)力對(duì)比圖

圖9 模具變形對(duì)比圖

這里所提出的基于LS-DYNA的前門外板模具強(qiáng)度分析的方法，可以通過(guò)軟件快速精確地建立簡(jiǎn)化模型，并模擬實(shí)際加載。此方法大大簡(jiǎn)化了模具問(wèn)題的復(fù)雜程度同時(shí)對(duì)模具的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，可以為模具的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及改進(jìn)提供理論依據(jù)和方向，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來(lái)越迅速，利用CAE分析技術(shù)，通過(guò)LS-DYNA軟件對(duì)沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬，能夠?qū)δ＞叻桨负蜎_壓方案進(jìn)行分析，可以及時(shí)更改沖壓方案和改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，從而減少實(shí)際的試模次數(shù)，繼而降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，并能提高產(chǎn)品的質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]雷正保.汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術(shù)[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社，2003:52.

[2]王永峰，曹靜，劉銳.我國(guó)汽車覆蓋件模具的發(fā)展現(xiàn)狀及其思路[M].汽車工藝師，2009(10):58-59.

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LIN W Z.Development of Automobile Panel Dies[J].MW Metal Cutting,2009(16):51-53.

[4]倪志鴻.汽車覆蓋件拉延模具加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

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[9]邢應(yīng)會(huì)，張?jiān)迄i.基于ANSYS/LS-DYNA的板料彎曲成形數(shù)值模擬[J].熱加工工藝,2011,40(11):76-78.

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[10]LIU G R,QUEK S S.The Finite Element Method：A Practical Course[M].Butterworth-Heinemann,2003.

AnalysisofaCarFrontDoorOuterPanelStrengthBasedonLS-DYNA

SHEN Danfeng1, NIE Xin2

(1.AISN Auto R&D Co.,Ltd., Changsha Hunan 410000,China;2.College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha Hunan 410082,China)

Aiming at the complexity of automotive stamping parts forming, and many quality problems of stamping parts and die that frequently occurred during practical stamping processes, taking the front door outer plate as example, the finite element models of the sheet and stamping die were established, and the forming processing of the part was simulated by using LS-DYNA software. The stress,stain diagrams of the die were gotten. The stress,stain diagrams of the die can simply reflect the risk parts in the stamping process. At the same time, comparing them with the results by using ABAQUS software, then comparing the comparison with the practical stamping processes, the results show that the prediction accuracy of the die strength based on LS-DYNA is higher.

LS-DYNA software;Finite element analysis; Die strength

2017-04-14

申丹鳳，女，碩士，從事汽車工藝同步工程開發(fā)、汽車模具設(shè)計(jì)開發(fā)、汽車車身結(jié)構(gòu)及工藝CAE分析等方面研究工作。E-mail：dandaner325@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.004

TG156

A

1674-1986(2017)08-017-05