汽車后門外板件沖壓成形CAE研究

李奇涵， 張 亮， 周子晴， 王文廣， 張效林

（長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

板料成形CAE軟件到目前歷經(jīng)30多年的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)正日臻成熟，已經(jīng)成為汽車工業(yè)的一個(gè)強(qiáng)大的仿真工具［1］。目前，普遍采用的是美國ETA公司與LSTC公司共同開發(fā)的Dynaform軟件，它是用于金屬板料成形模擬的專用軟件，能夠?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)者提供其所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行性能評估，通過預(yù)測零件的成形缺陷，進(jìn)行修改模面設(shè)計(jì)、改進(jìn)工藝方案等，因此可以顯著減少試模次數(shù)，從而降低零件開發(fā)成本，縮短模具設(shè)計(jì)時(shí)間，能夠幫助金屬板材成形工藝及模具設(shè)計(jì)［2］。

汽車后門外板件是大型的汽車覆蓋件，外形較簡單且均勻，拉深的深度較深，屬于一般常見的拉深件。此類拉深件的拉深表面主要依靠壓料面下的毛坯向內(nèi)補(bǔ)充從而引起拉深變形，變形和應(yīng)力都比較均勻，成形表面塑性變形程度較大，因此，只要材料符合要求或模具狀態(tài)良好，一般不會(huì)破裂。文中采用Dynaform軟件對某汽車后門外板件在電腦虛擬環(huán)境中進(jìn)行沖壓成形數(shù)值模擬分析。

1 數(shù)值模擬分析主要步驟

1.1 導(dǎo)入零件模型與網(wǎng)格劃分

將事先在CATIA軟件中建立的汽車后門外板件模型導(dǎo)入Dynaform軟件中，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)入的零件模型圖

應(yīng)用Dynaform里面的網(wǎng)格劃分工具（Tool Mesh）對導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［3］。通常網(wǎng)格劃分的過大，雖然減少了模擬時(shí)間，但模擬結(jié)果不準(zhǔn)確；反之網(wǎng)格劃分的越小，模擬雖然準(zhǔn)確，但模擬時(shí)間也就越長，所以網(wǎng)格劃分的大小要合理。網(wǎng)格劃分好后還要進(jìn)行網(wǎng)格檢查，主要看網(wǎng)格的法向是否一致，是否有重疊、漏洞，必要時(shí)還要進(jìn)行修補(bǔ)。劃分好的網(wǎng)格有限元模型如圖2所示。

圖2 劃分網(wǎng)格后的有限元模型

1.2 調(diào)整沖壓方向與內(nèi)部填充

在Dynaform中，Z軸方向被默認(rèn)為沖壓方向，其允許用戶移動(dòng)零件并繞任意軸旋轉(zhuǎn)，通過平均所有單元的法矢來調(diào)整沖壓方向，使拉延深度和沖壓負(fù)角達(dá)到最小，從而更適合于拉延。Dynaform5.7版本中有自動(dòng)調(diào)整沖壓方向的功能，可以減少調(diào)整時(shí)間。沖壓方向確定后，對零件的安裝孔、檢修孔以及螺栓孔等進(jìn)行填充。

1.3 添加工藝補(bǔ)充面及內(nèi)外壓料面

壓料面是工藝填補(bǔ)過程的一部分，而且材料的流動(dòng)受其控制，因此，要求壓料面的形狀上是簡單和平滑的。在創(chuàng)建過程中，通常有兩種方式的創(chuàng)建順序：

1）通過截面特征同工藝填補(bǔ)部分一起來創(chuàng)建；

2）首先添加壓料面，然后建立從輪廓修整到壓料面的工藝填補(bǔ)部分［4］。

壓料面選取原則［5］：

1）壓料面應(yīng)與成形模具凸模的形狀在成形的過程中坯料一直在緊張的狀態(tài)下保持一定的幾何關(guān)系，確保坯料能夠順利地、逐漸地貼緊凸模，防止產(chǎn)生皺紋；

2）為了確保坯料壓邊可靠，沖壓成形時(shí)應(yīng)選擇合理的壓料面與沖壓成形方向相對位置（水平位置是最有利的壓料面位置）；

3）壓料面設(shè)計(jì)的形狀不僅應(yīng)考慮到毛坯定位的可靠和穩(wěn)定，還應(yīng)該方便送料和取件；

4）在滿足設(shè)定條件的基礎(chǔ)上合理地添加補(bǔ)充面，合理的利用材料，避免材料的浪費(fèi)，減少這方面的支出。基于以上基本理念，考慮零件的特點(diǎn)，利用Dynaform中的模面工程（DFE）模塊通過調(diào)整、修復(fù)、光順等工藝，最后得到的工藝補(bǔ)充面如圖3所示。

圖3 工藝補(bǔ)充面

1.4 毛坯尺寸估算與設(shè)置拉延筋

毛坯的實(shí)際尺寸就是零件的有限元模型面積加上生成的過渡面展開的面積［6］。可以利用Dynaform5.7新增一個(gè)快速展料（Quick Unfold）功能，將模型文件參數(shù)設(shè)置好后程序能夠在短時(shí)間內(nèi)快速求解，并估算出產(chǎn)品的坯料輪廓［7］。根據(jù)零件的自身特點(diǎn)布置一條封閉的拉延筋來增加進(jìn)料阻力，提升材料的塑性變形程度以防止毛坯起皺。

1.5 快速設(shè)置及任務(wù)提交

完成了上述操作后，選擇菜單Quicksetup中的Drawdie進(jìn)行快速設(shè)置。文中采用單動(dòng)力、上部工具可用拉延工藝。在界面中依次設(shè)置好毛坯（Blank）、壓邊圈（Binder）、凸模（Upper Tool）、拉延筋（DrawBeader）。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置零件的仿真參數(shù)：凸模移動(dòng)速度5 000mm／s，壓邊力2 000kN，材料st13冷軋鋼板（DQSK36）厚度為1.2mm，再設(shè)置材料力學(xué)性能參數(shù)和拉延筋類型后提交計(jì)算。

2 數(shù)值結(jié)果模擬分析與優(yōu)化

計(jì)算完成后，所得到的拉深模擬結(jié)果文件xx.d3plot在eta／PostProcess后處理軟件中打開，就可以對模擬結(jié)果進(jìn)行分析［8］。關(guān)閉除了零件層以外其它圖層，觀察零件厚度變化，優(yōu)化前的零件厚度變化情況如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前零件厚度變化圖

由圖4可知，對板料單元進(jìn)行拉深成形時(shí)，坯料在靠上端中心處的變薄率最大，說明這些位置進(jìn)料阻力較大，大多數(shù)變形區(qū)不在安全區(qū)內(nèi)且拉深過大；零件小部分區(qū)域發(fā)生起皺失穩(wěn)的情況，這是不允許出現(xiàn)的，需要調(diào)整拉延筋的鎖料力。根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合板料變形的特點(diǎn)，通過反復(fù)提交任務(wù)與模擬最終修改如下：改變拉延筋的鎖料力，由70%減少至30%，沖壓速度和壓邊力均不改變。

優(yōu)化后零件厚度變化圖如圖5所示。

可知零件材料流動(dòng)合理，零件具有較好的塑性變形和較好的剛度，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 優(yōu)化后零件厚度變化圖

3 結(jié) 語

通過對汽車后門外板件進(jìn)行沖壓成形研究，不僅證明了Dynaform軟件具有很強(qiáng)的模擬分析能力，而且可以預(yù)先可視化地看到?jīng)_壓成形的過程和結(jié)果，這為調(diào)整模擬參數(shù)提供了依據(jù)，達(dá)到了優(yōu)化零件成形的目的，為企業(yè)生產(chǎn)該部件提供了指導(dǎo)，從而可以縮短模具設(shè)計(jì)者的研制周期，降低企業(yè)材料支出成本，提高零件的耐用性，具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ 段成龍.金屬板料成形性能及其CAE分析［J］.南方金屬，2005（5）：10-12.

［2］ 張慶芳.汽車縱梁沖壓回彈數(shù)值模擬與控制技術(shù)研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.長春：長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2006.

［3］ 趙俠.數(shù)值模擬技術(shù)在汽車覆蓋件成形中的應(yīng)用［J］.鍛壓技術(shù)，2006（1）：15-17.

［4］ 王玉國，衛(wèi)原平，沈啟，等.覆蓋件拉深模工藝補(bǔ)充部分和壓料面設(shè)計(jì)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（2）：60-63.

［5］ 王秀鳳，郎利輝.板料成形CAE設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［6］ 韓玉強(qiáng)，李飛舟.基于Dynaform的轎車引擎蓋板沖壓成形仿真的研究［J］.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2010（8）：96-98.

［7］ 佚名.eta／Dynaform用戶手冊（版本5.7）［M］.北京：北京出版社，2009.

［8］ 陳小芳.DYNAFORM數(shù)值模擬技術(shù)在汽車覆蓋件成形中的應(yīng)用［J］.熱加工工藝，2009，38（11）：89-92.