汽車車門拉延模具設(shè)計

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1、安徽工程大學機電學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 題 目： 汽車車門拉延模具設(shè)計 與成形模擬 作 者 姓 名：導師及職稱：導師所在單位： 機械與汽車工程學院 汽車車門拉延模具設(shè)計與成形模擬摘 要本課題把汽車覆蓋件車門內(nèi)板作為研究的對象，以常見的板料成形分析軟件Dynaform作為工具對拉延成形工藝參數(shù)進行研究。本課題設(shè)計的意義是拉延成形CAE分析可以提前預測沖壓產(chǎn)品的缺陷，幫助工程技術(shù)人員對拉延成形工藝進行優(yōu)化，以減少反復試模修模的次數(shù)，縮短產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)周期。完成的主要工作有通過UG對汽車車門進行拉延模具的設(shè)計，再根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點制定合理的成形工序，采用Dynaf

2、orm軟件對拉深成形過程進行數(shù)值模擬，查看模擬結(jié)果中的板料流入量，根據(jù)經(jīng)驗和反復對試驗結(jié)果的驗證與分析后，重新設(shè)定相關(guān)系數(shù)，找到最合適的參數(shù)設(shè)置。通過Dynaform軟件的模擬仿真結(jié)果的分析，板料的厚度，拉延筋的設(shè)計，壓邊力的大小，成形的尺寸設(shè)計，沖壓的次數(shù)與力度等對板料的成形結(jié)果都有很大影響，要想獲得最理想的仿真結(jié)果，只有通過經(jīng)驗和不斷地實驗才能找出最佳方案。本畢業(yè)設(shè)計的有用結(jié)論主要是用Dynaform軟件可以模擬板料成形的真實過程，從而避免生產(chǎn)過程耗費很大的人力物力財力去試驗，很大程度上節(jié)約成本。CAE數(shù)值分析仿真結(jié)果也十分準確，在中國仿真率達到97%，在國外達到100%，它的應(yīng)用將越來越

3、廣泛。關(guān)鍵詞：拉延成形;CAE分析；Dynaform軟件Mold design and Forming Simulation of the Drawing of Car DoorAbstractThis topic do research on forming process parameters with the car door inner panel as the object of study, and common sheet metal forming analysis software Dynaform as a tool studied. Design of this proj

4、ect is the significance of drawing forming CAE analysis can predict in advance stamping product defects, helping engineers and technicians on the drawing forming process optimization to reduce repair mode repeatedly tryout times, shorten product design and production cycle. The main work completed t

5、hrough the car door for UG drawing die design, according to the structural characteristics of the part forming process to develop a reasonable, using software Dynaform deep drawing process is simulated view simulation results sheet inflows based on experience and repeated validation of the test resu

6、lts and analysis, re-set the correlation coefficient, to find the most suitable parameter settings.Through the analysis of Dynaform software simulation results, we can conclude that sheet thickness, drawing beads design, BHF size, the size of the design forming, stamping the number and intensity of

7、such results has a significant impact on the sheet metal forming. Only through experience and constantly experiments can we find out the best solution and get the best simulation results.The main useful conclusions of graduation design is that the real process of sheet metal forming can be simulated

8、 by Dynaform software, in order to avoid labor-intensive production processes and material resources to test and to save the cost largely. CAE Numerical analysis and simulation results are also very accurate simulation in China reached 97% to 100% in a foreign country, its application will be more w

9、idelyKeywords: drawing forming; CAE analysis; Dynaform Software目錄引言1第1章緒論21.1沖壓數(shù)值模擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢21.2 沖壓模具CAE數(shù)值模擬分析的目的21.3 Autoform軟件簡介31.4 課題研究的主要內(nèi)容41.5 課題的研究方案61.6 本章小結(jié)：6第2章汽車覆蓋件拉延成形理論72.1 汽車覆蓋件拉延成形有限元仿真理論概述72.2 汽車覆蓋件拉延成形數(shù)值模擬有限元理論82.2.1 幾何非線性82.2.2 Barlat屈服準則92.2.3 汽車覆蓋件沖壓成形單元模型112.2.4 有限元控制方程的求解162

10、.5 本章小結(jié)18第3章基于DYNAFORM模面前處理與參數(shù)設(shè)置193.1 模面前處理193.1.1 Dynaform初步處理19創(chuàng)建DIE193.1.3 創(chuàng)建PUNCH零件層223.1.4 創(chuàng)建BINDER零件層23創(chuàng)建BLANK零件層253.1.6 板料成形設(shè)置263.1.7 凸凹模、壓邊圈定位283.2 參數(shù)設(shè)置293.2.1 設(shè)置工序、控制參數(shù)293.2.2 動畫預覽303.2.3 Dynaform求解器計算303.3 本章小節(jié)32第4章 CAE分析數(shù)值模擬仿真結(jié)果334.1 讀入結(jié)果文件到ETA/POST334.2 繪制變形過程334.3 成型極限圖FLD344.4 厚度變化情況36

11、4.5 錄制AVI成形過程374.6 本章小結(jié)38第5章拉延模結(jié)構(gòu)設(shè)計395.1 拉延模工作部分計算395.1.1 凸模圓角半徑39凹模圓角半徑395.1.3 凹模工作深度計算405.1.4 凹凸模間隙405.1.5 凹凸模橫向尺寸及公差415.2其他零部件的設(shè)計與選用425.3 拉延模比和高度的計算425.4 模具主要零部件設(shè)計425.4.1 凸模部分：425.4.2 凹模部分：435.4.3 壓邊圈部分445.4.4 裝配部分445.5 本章小結(jié)45第6章結(jié)論與展望46附錄B 英文文獻及翻譯49附錄C 主要參考文獻的題錄及摘要57插圖清單圖1-1 汽車門內(nèi)板零件- - - - - - -

12、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4圖1-2 汽車覆蓋件拉延成形數(shù)值模擬技術(shù)路線圖 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5圖2-1 應(yīng)變的度量 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 圖2-2 BT單元局部共轉(zhuǎn)坐標系- - - - - - - -

13、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -12圖3-1 車門IGES曲面- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19圖3-2 顯示選項 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19 圖3-3 當前零件層- - - - -

14、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19 圖3-4 網(wǎng)格劃分 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20圖3-5 單元選項框一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

15、- - -20圖3-6 曲面網(wǎng)格劃分結(jié)果- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20圖3-7 網(wǎng)格檢查后的缺陷- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -21圖3-8 模型修補工具 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

16、- - - - - - -22圖3-9 創(chuàng)建單元- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 22圖3-10 零件層顯示- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23 圖3-11 DIE復制到PUNCH - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

17、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23圖3-12 添加到選項 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23 圖3-13 選擇單元- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23 圖3-14 分離出的BINDER零件層- - - - - - - - - - - -

18、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 24 圖3-15 分離出的PUNCH- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -24 圖3-16 毛坯生成器選項- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -25 圖3-17 定義毛坯選項- - - - - - - - - - - -

19、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25圖3-18 材料選項- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 26圖3-19 薄殼單元選項- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -26圖3-20 BELYT

20、SCHKO-TSAY屬性卡選項- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -26圖3-21 材料屬性（上）- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -27圖3-22 材料屬性(中）- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 27

21、圖3-23 材料屬性（下）- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -28圖3-24 板料屬性- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28圖3-25 DIE、BINDER、PUNCH的定位- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

22、 - - - - - - - 28圖3-26 工序參數(shù)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29圖3-27 參數(shù)設(shè)置- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29圖3-28 動畫預覽- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

23、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 30圖3-29 dyn文件導入- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -30圖3-30 dyn文件導入- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -31圖3-31 eta/LS-DYNA jobs Subm

24、itter窗口- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -31圖3-32 dyn文件計算窗口- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -32 圖4-1 后處理選項- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -33圖4-2 文件導入-

25、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -33 圖4-3 Frame選項圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -33圖4-4 FLD對話框圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

26、 - - - - - - - - - - -34 圖4-5 等值線數(shù)值圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -34圖4-6 毛坯成形結(jié)果的FLD圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -34圖4-7 局部拉裂數(shù)據(jù)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

27、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -35圖4-8 邊框起皺情況- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -35圖 4-9 板料成形的厚薄圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36 圖4-10 局部厚度參數(shù)- - - - - - - - - - - - - - - - - -

28、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36圖4-11 局部相對減薄率- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -37圖4-12 AVI電影錄制- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -37 圖4-13 壓縮程序?qū)υ捒? - - - - - -

29、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -37 圖5-1 工件尺寸標注在外側(cè)的情況- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -41圖5-2 工件尺寸標注在內(nèi)側(cè)的情況- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -41 圖5-3 凸模(俯視)三維模型- - - - - - - - - - -

30、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -42圖5-3 凸模(仰視)三維模型- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -42 圖5-4 凸模座三維模型- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -43 圖5-5 凹模- - - - - - - - -

31、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -43 圖5-6 壓邊圈- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 44圖5-7 總裝圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

32、- - - - - - - - - 44列表清單表5-1 凹模圓角半徑與凹模深度(mm) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -40表5-2 間隙系數(shù)n10 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -40引 言發(fā)展汽車，模具先行1。汽車覆蓋件95以上為沖壓沖壓產(chǎn)品，只有少量的是注塑產(chǎn)品，因此汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)是汽車車身制造技術(shù)的核心部分，直接影響到車

33、身產(chǎn)品質(zhì)量和整車的開發(fā)進程。汽車覆蓋件是汽車的重要組成部分，即是汽車車身的主要組成部分23。汽車覆蓋件的特點是：材料薄、尺寸大、形狀復雜、表面質(zhì)量和精度要求高等。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的井噴式發(fā)展，傳統(tǒng)覆蓋件模具的制造方式越來越不適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的需求，嚴重阻礙汽車產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展模式。工業(yè)的迅猛發(fā)展對仿真軟件的需求越來越迫切。20世紀70年代末，沖壓成形CAE仿真軟件開始了商業(yè)化之旅，如Autoform、Dynaform等。這些軟件對板料成形過程中產(chǎn)生的起皺和開裂具有很好的預測能力4-6。目前，CAE分析的準確性已得到實踐的驗證，板料成形CAE軟件在企業(yè)中得到了深入廣泛的運用，已經(jīng)成為板料成形不可或

34、缺的前期預測工具。通過CAE分析可以預知板料的開裂位置、起皺高度、回彈量以及沖擊線和滑移線的位置等等，這為前期優(yōu)化模具工藝和模具結(jié)構(gòu)提供了可靠依據(jù)，對保證模具質(zhì)量、提高材料利用率、縮短開發(fā)周期、降低鉗工工作量和生產(chǎn)成本具有不可替代的地位。CAE分析時參數(shù)設(shè)置不合理，板料就會出現(xiàn)起皺、開裂和超過可接受范圍的回彈，這些缺陷的存在說明生產(chǎn)現(xiàn)場極大的存在這種可能性，如果不給予解決，模具生產(chǎn)制造將面臨較大的工作量、較低的效率、和較大的投入等問題。如何快速準確的利用CAE分析軟件尋找到相對最合理的參數(shù)，達到合理分析板料成形過程中出現(xiàn)的缺陷，提出切實可靠的工藝方案，已成為各汽車模具公司應(yīng)用和研究中直接面對的

35、問題。開裂、起皺和回彈等是在板料成形過程中常見的三種質(zhì)量缺陷，也是金屬板材拉延成形最關(guān)心的問題78。主要表現(xiàn)為拉伸失穩(wěn)材料的撕裂、壓縮失穩(wěn)余料的堆積和壓力卸載后應(yīng)力釋放產(chǎn)生的回彈，它們直接影響到板料的成形質(zhì)量和尺寸精度，尤其是拉延工序，其對后序能否順利進行以及能否生產(chǎn)出合格的零件至關(guān)重要。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人民需求的提高，質(zhì)量問題越來越得到人們的重視，許多汽車主機廠的公差要求都在兩絲以內(nèi)，不允許有開裂現(xiàn)象，起皺高度保持在料厚的2%以內(nèi)，回彈量必須控制在許用公差以內(nèi)，而且要保證沖壓成形后板料的剛度，對與汽車覆蓋件而言，這無疑增加了沖壓模具成形精度要求。第1章 緒論1.1沖壓數(shù)值模擬技術(shù)的研究現(xiàn)

36、狀及發(fā)展趨勢隨著非線性力學理論、有限元理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，沖壓數(shù)值模擬技術(shù)逐步形成商品化的CAE仿真軟件9。隨著CAD/CAE/CAM等新興技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得汽車覆蓋件沖壓模具及其工藝設(shè)計近乎全線突破了傳統(tǒng)的設(shè)計思路10。近年來，隨著汽車工業(yè)以超過20%的增幅發(fā)展，在一定程度上帶動了模具水平的提升，CAE技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，并取得較好成果11-12。目前，人們對沖壓工藝計算機輔助設(shè)計的研究和應(yīng)用已取得豐碩成果13-17。數(shù)值模擬沖壓技術(shù)經(jīng)過五十年的迅速發(fā)展，主要功能有： 1）拉延數(shù)模的快速造型拉延是汽車覆蓋件沖壓模具的首序，客戶發(fā)來的數(shù)模一般是產(chǎn)品造型，需要進一步的添加零件的工藝補充方能

37、實現(xiàn)零件的加工，即需要進一步造型。在常用的UG、Catia等三維軟件里建立其工藝數(shù)模速度慢、工藝合理性很難保證，在Autoform、Dynaform等板料成形仿真軟件有幾何構(gòu)型模塊，具有快速生成較合理的工藝補充面功能，可以迅速造出凸模、凹模、壓邊圈、余肉等8。該系列軟件通常采用參數(shù)驅(qū)動的模式，可以針對數(shù)模中不合理部位局部快速進行修正。2）全工序數(shù)值模擬沖壓過程汽車覆蓋件產(chǎn)品成形需要一般需要三到四個工序，常見的主要成形工序有：拉延、修邊、整形、沖孔等四種工序12。在沖壓數(shù)值模擬成形CAE軟件中均可對各工序進行模擬仿真，此外還可以對任意一序的回彈量進行仿真及做回彈補償。此外，目前不但可以進行冷沖壓

38、數(shù)值模擬，而且沖壓熱成形技術(shù)也逐步走向成熟，在國內(nèi)一些知名模具公司已經(jīng)開始探索性應(yīng)用。3）板料成形缺陷的預測和消除板料成形質(zhì)量缺陷主要有開裂、起皺、回彈、沖擊線、滑移線、剛度不足等，其中開裂、起皺、回彈和剛度不足缺陷均可在數(shù)值模擬后處理云圖中進行測量，同時由云圖的色彩直觀的表示出來13-16。沖擊線和滑移線可以通過在后處理中添加基準線，計算機可在短時間內(nèi)計算出其值的方向，同時可以測出各個部位對應(yīng)的各種質(zhì)量缺陷的數(shù)值大小7。預知這些缺陷，可以在工藝數(shù)模下發(fā)之前從工藝上或結(jié)構(gòu)上針對性的對數(shù)模進行優(yōu)化，避免不必要的人力、物力等資源浪費，加速汽車開發(fā)進程。4）板料成形性能的評價金屬板料成形性能是評價汽

39、車覆蓋件沖壓產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標之一，其成形質(zhì)量涉及沖壓成形板料是否有開裂，起皺高度是否在公差許用范圍內(nèi)，回彈量和剛度是否滿足精度要求。其中，沖壓后板料剛度與塑性變形過程中材料的流入量多少直接相關(guān)，以往是憑靠經(jīng)驗值來調(diào)節(jié)板料流入模具型腔的量，人工無法準確確定沖壓件的剛度大小，數(shù)值模擬中板料流入量可以準確測量出來，且在后處理的成形性能圖中可以直觀清晰的看到各個部位剛度的好與差5。1.2 沖壓模具CAE數(shù)值模擬分析的目的金屬板料沖壓成形是一個大撓度、大變形的塑性變形過程，涉及金屬板料在拉深和拉延的復雜應(yīng)力狀態(tài)下的塑性流動、塑性強化，以及其引起的起皺、開裂和回彈等問題。同時，沖壓過程也是一個非常復雜的

40、多體接觸力學分析問題，其具有材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性等較強的非線性9。因此單憑經(jīng)驗很難預先估計成形質(zhì)量合格與否，往往要等到模具加工后試模時才能暴露出來，給模具調(diào)試造成極大困難，甚至導致模具報廢。CAE參數(shù)設(shè)置不合理，板料就會出現(xiàn)起皺、開裂和超過可接受范圍的回彈，這些缺陷的存在說明生產(chǎn)現(xiàn)場極大的存在這種可能性，如果不給予解決，模具生產(chǎn)制造將面臨較大的工作量、較低的效率、和較大的投入的問題。通過CAE分析優(yōu)化覆蓋件沖壓成形工藝設(shè)計，改善沖壓成形技術(shù)，進而其控制成形過程是當今的研究熱點，也是板料成形技術(shù)發(fā)展的必然趨勢 1620。目前，國內(nèi)沖壓模具CAE數(shù)值模擬分析，還主要依賴與經(jīng)驗進行設(shè)置

41、，然后用試錯法進行調(diào)試，機時耗費較長，而且參數(shù)設(shè)置合理性很難保證；由于CAE分析準確度不足，導致一套模具都需要三到四輪的整改，而每輪整改的費用高達上萬元，因此如何快速準確的設(shè)置CAE分析參數(shù)是汽車覆蓋件模具行業(yè)亟待解決的問題，人們對此已展開了大量的研究20-23。本課題選題的目的就是如何找到合理的最佳工藝參數(shù)組合，通過優(yōu)化CAE數(shù)值模擬分析參數(shù)，從而達到減少現(xiàn)場整改次數(shù)，降低生產(chǎn)成本，縮短設(shè)計周期，降低工人的勞動強度，推動整車的開發(fā)進程。1.3 Autoform軟件簡介當隨著計算機技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運而生，并已成為P

42、XX車型側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，它在設(shè)計階段對其進行模擬預測分析，一定程度上保證設(shè)計方案的可行性，使其達到預期的性能指標，其中Autoform軟件在這方面尤為突出。現(xiàn)代汽車和現(xiàn)代模具設(shè)計制造技術(shù)都表明，汽車覆蓋件模具的設(shè)計制造離不開有效的板成形模擬軟件。世界上大的汽車集團，其車身開發(fā)與模具制造都要借助于一種或幾種板成形模擬軟件來提高其成功率和確保模具制造周期，國際上的軟件主要有美國eta公司的D，法國ESI集團的PAM系列軟件，德國Autoform工程股份的Autoform，國內(nèi)有吉林金網(wǎng)格模具工程研究中心的KMAS軟件，北航的SheetForm，華中科技大學的Vform等。本文

43、著重探討Autoform及其應(yīng)用。Autoform的特點：一、它提供從產(chǎn)品的概念設(shè)計直至最后的模具設(shè)計的一個完整的解決方案，其主要模塊有User-Interface(用戶界面)、Automesher(自動網(wǎng)格劃分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner(模面設(shè)計)、Incremental(增量求解)、Trim(切邊)、Hydro(液壓成形)，支持Windows和Unix操作系統(tǒng)。二、特別適合于復雜的深拉延和拉伸成形模的設(shè)計，沖壓工藝和模面設(shè)計的驗證，成形參數(shù)的優(yōu)化，材料與潤滑劑消耗的最小化，新板料(如拼焊板、復合板)的評估和優(yōu)化。三、快速易用、有效、魯棒(robust)和可靠：最

44、新的隱式增量有限元迭代求解技術(shù)不需人工加速模擬過程，與顯式算法相比能在更短的時間里得出結(jié)果；其增量算法比反向算法有更加精確的結(jié)果，且使在FLC-失效分析里非常重要的非線性應(yīng)變路徑變得可行。即使是大型復雜制件，經(jīng)工業(yè)實踐證實是可行和可靠的。四、Autoform帶來的競爭優(yōu)勢：因能更快完成求解、友好的用戶界面和易于上手、對復雜的工程應(yīng)用也有可靠的結(jié)果等，Autoform能直接由設(shè)計師來完成模擬，不需要大的硬件投資及資深模擬分析專家，其高質(zhì)量的結(jié)果亦能很快用來評估，在縮短產(chǎn)品和模具的開發(fā)驗證時間、降低產(chǎn)品開發(fā)和模具成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量上效果顯著，對沖壓成形的評估提供了量的概念，給企業(yè)帶來明顯的競爭優(yōu)勢

45、和市場機遇。在本次設(shè)計中，通過應(yīng)用CAE中Autoform軟件對PXX車型側(cè)圍外板進行工藝分析和模擬，建立合理的有限元分析模型。然后對有限元模型進行工藝性分析，最后根據(jù)模型與設(shè)計要求，對有限元分析結(jié)果進行進行判定并設(shè)計合理的方案。在設(shè)計過程中，通過運用CAE技術(shù)，可以增加設(shè)計功能，借助計算機分析計算，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性，減少設(shè)計成本; 縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期; CAE分析起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設(shè)計”過程，虛擬樣機作用能預測產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的可靠性; 采用優(yōu)化設(shè)計，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案，降低材料的消耗或成本; 在產(chǎn)品制造或工程施工前

46、預先發(fā)現(xiàn)潛在的問題; 模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費等。1.4 課題研究的主要內(nèi)容本課題以Dynaform作為試驗工具，以某新款車型汽車覆蓋件車門內(nèi)板作為試驗的研究對象，某車型汽車門內(nèi)板CAD模型如圖1-1所示，材質(zhì)是DC06，料厚0.7mm。旨在通過軟件模擬該款車門內(nèi)板拉延工序的過程，在沖壓模具圖紙設(shè)計階段，找出模具制造過程中存在的缺陷和不足，提前給予解決，避免不必要的人力和物力的浪費。首先在Dynaform中進行造型，同時生成必要的工藝補充，設(shè)置拉延成形工藝參數(shù)，采用正交試驗和極差分析，得出拉延成形過程中各工藝參數(shù)分別對汽車車門內(nèi)板各個單一評價指標最大變薄率、最大起皺高度和回彈量的影

47、響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，使用綜合加權(quán)評分對拉延成形進行評價，建立目標函數(shù)，對實驗結(jié)果進行優(yōu)化，從而獲得拉延工序影響成形質(zhì)量的一組最佳工藝參數(shù)組合；最后實驗與實際對比驗證，找出零件出現(xiàn)問題的原因并給出合理的解決方案。圖1-1 汽車門內(nèi)板零件各章節(jié)主要內(nèi)容如下：第一章、闡述了汽車覆蓋件沖壓模具數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，以及Dynaform軟件的簡介與本論文的主要內(nèi)容和課題是的研究方案；第二章、論述了某款新型汽車覆蓋件車門內(nèi)板沖壓模具拉延成形數(shù)值模擬技術(shù)的有限元理論；第三章、用Dynaform進行前處理，導入Dynaform選拉延類型和接觸方式，再進行有限網(wǎng)格劃分，劃分后再網(wǎng)格檢查與修復確保

48、網(wǎng)格合理無誤，接下來定義成形工具（凹模、凸模、壓邊圈等）和材料屬性，選擇材料模型及單元公式，預估毛坯外形，劃分毛坯網(wǎng)格，設(shè)置成形參數(shù)；并提交求解器進行仿真計算；第四章、用Dynaform進行后處理，進行應(yīng)力應(yīng)變、厚度分析,出成形極限圖FLD，最后坯料與工具間距離，錄制變形過程、厚度、應(yīng)力應(yīng)變過程的錄像。第五章、拉延模工作部分計算、拉延模比和高度的計算、模具主要零部件（凸模、凹模、壓邊圈與總裝圖）設(shè)計，最后闡述模具材料的選用及其他零部件的設(shè)計與選用第六章、總結(jié)本課題研究所獲得的主要結(jié)論及展望。用3D軟件（如UG、PRO/E等）建立零件曲面模型用3D軟件（如UG、PRO/E等）建立零件導入DYNA

49、FORM選拉延類型和接觸方式有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格檢查及修補定義成形工具（凹模、凸模、壓邊圈等）定義材料屬性，選擇材料模型及單元公式預估毛坯外形，劃分毛坯網(wǎng)格設(shè)置成形參數(shù)求解器仿真計算應(yīng)力應(yīng)變、厚度分析FLD坯料與工具間距離修改模型修改接觸方式修改單元公式修改成形參數(shù)不滿意開 始結(jié)束結(jié)果是否滿意前前處理后后處理圖1-2 汽車覆蓋件拉延成形數(shù)值模擬技術(shù)路線圖1.5 課題的研究方案本課題采用拉延成形CAE技術(shù)針對某新款車型汽車門內(nèi)板拉延成形過程進行仿真模擬分析，對影響其拉延成形質(zhì)量的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，獲得其最佳工藝參數(shù)組合。（1）用3D軟件（如UG、PRO/E等）建立零件并導出iges文件;（2）打開

50、Dynaform進行前處理，導入Dynaform選拉延類型和接觸方式，再進行有限網(wǎng)格劃分，劃分后再網(wǎng)格檢查與修復確保網(wǎng)格合理無誤，接下來定義成形工具（凹模、凸模、壓邊圈等）和材料屬性，選擇材料模型及單元公式，預估毛坯外形，劃分毛坯網(wǎng)格，設(shè)置成形參數(shù)；（3）提交求解器進行仿真計算（4）打開Dynaform進行后處理，進行應(yīng)力應(yīng)變、厚度分析,出成形極限圖FLD，最后坯料與工具間距離；（5）查看結(jié)果是否滿意，如不滿意找出現(xiàn)場與CAE分析的不符之處，并將其反饋給CAE，改進方案進一步指導現(xiàn)場模具的調(diào)試，直到調(diào)出合格的拉延模具。在課題中所選用汽車覆蓋件拉延成形工藝的技術(shù)路線如圖1-2所示：1.6 本章小

51、結(jié)：本章主要闡述了沖壓數(shù)值模擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，其中包含拉延數(shù)模的快速造型、全工序數(shù)值模擬沖壓過程、板料成形缺陷的預測和消除、板料成形性能的評價。然后對沖壓模具CAE數(shù)值模擬分析的目的及意義和Autoform軟件做了簡短的介紹。最后概況一下課題研究的主要內(nèi)容和課題的研究方案。第2章汽車覆蓋件拉延成形理論2.1 汽車覆蓋件拉延成形有限元仿真理論概述在上世紀六十年代初期，克拉夫教授發(fā)表“有限元法分析平面應(yīng)力”著名論文，在該篇論文中首次提出了“有限元”一詞24。隨后，庫蘭特、阿吉里斯、特納、克拉夫、欽科維奇等五人的五組論文奠定了早期有限元分析法的理論基礎(chǔ)，是有限元法誕生的標識。在有限元法產(chǎn)生

52、初期，只能進行分析處理彈性力學問題。上世紀七十年代，馬薩爾教授和王首次提出了彈性有限元的格式，后來日本學者山田嘉昭推導出了材料小變形問題的彈塑性矩陣的顯示表達式。在上世紀七十年代西比特、馬薩爾和賴斯成功建立了T.L.格式的板料大位移、大變形的彈塑性有限元法。麥克米金和賴斯建立了更新的U.L.格式的大變形彈塑性有限元法，奧登和班達里等人完成了熱粘彈塑性大變形有限元方法的建立，使得應(yīng)用于沖壓板料成形大變形問題分析的彈塑性有限元理論體系建立起來。小林和李在上世紀七十年代首次提出了剛塑性有限元法，其數(shù)模特征是材料在屈服發(fā)生前呈剛性，屈服發(fā)生后的材料流動看作是不可壓縮的非牛頓流體的流動。欽科維奇在上世紀

53、七十年代中期提出了粘塑性有限元法，用不可壓非牛頓流體的材料力學理論和方法來分析金屬材料的塑性流動情況，同時他還第一次用有限元方法來進行數(shù)值模擬沖壓成形仿真過程。1977年在美國通用汽車公司舉行的關(guān)于板料沖壓成形力學分析討論會上，由小林和王共同提交的關(guān)于沖壓板料成形有限元分析論理論的發(fā)展，開創(chuàng)了現(xiàn)代沖壓成形有限元仿真研究的先河。上世紀七十年代末期，王與布迪安斯基采用T.L.格式研究、分析了任意幾何形狀沖壓模具的板料成形問題，第一次提出考慮板料在沖壓模具與板料接觸面和粘著效應(yīng)作用下的板料和模具接觸時的摩擦狀態(tài)。小林和基姆采用軸對稱理論，運用剛塑性有限元法分析了正交各向異性材質(zhì)的脹形問題。在此基礎(chǔ)上

54、，人們又陸續(xù)研究了任意形狀材質(zhì)的拉深、非對稱沖壓模具的沖壓成形等問題。上世紀八十年代中期，韓廉和小林使用殼單元理論，首次運用剛性有限元法分析了方形盒的拉深過程，標識著有限元沖壓成形三維數(shù)值模擬仿真的開始。沖壓模具金屬板料的成形是一個復雜的力學過程，板料的變形過程是一個集空間域與時間域的復雜函數(shù)2。有限元分析法的基本步驟是將連續(xù)空間的求解區(qū)域離散成許多小單元，然后將這些小單元按一定的方式重新組合在一起，進而近似模擬仿真整個求解域內(nèi)的變化情況。通常情況下，可以用兩種不同的表達方示來建立有限元函數(shù)式：第一種方式是所有的動力學、靜力學和運動學變量總是以初始構(gòu)形為參考基準，即在整個分析過程中，所有的參考

55、構(gòu)型始終保持一致，不發(fā)生改變，這種方式稱為完全Lagrangian格式(即常說的T.L.格式)；另一種方式是全部的動力學、靜力學和運動學變量都是以每一載荷或時間步長開始時的構(gòu)形，即在分析過程中參考構(gòu)形是不斷改變更新的，這種方式稱為更新的Lagrangian格式（即常說的U.L.格式）9。針對大位移、大轉(zhuǎn)動、小應(yīng)變的非線性問題的分析常常采用T. L.格式相對比較合適；而對于大位移、大轉(zhuǎn)動、大變形的非線性問題，運用U.L.格式則是一種公認合理的選擇。因此，對于沖壓板料成形這樣的擁有大應(yīng)變、多重非線性的問題，采用U.L.格式來建立有限元列式則更為合理。目前，有限元理論已經(jīng)開發(fā)成比較成熟的商業(yè)用軟件，

56、被廣大企業(yè)所采用。數(shù)值模擬技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用，為金屬板料沖壓的模具產(chǎn)業(yè)帶來了翻天覆地的變化，使板料成形缺陷由憑靠經(jīng)驗進行判斷的不可預知變成了可提前預測。這一變革不但大大減輕了工人的工作強度，而且更重要的是極大的提高了沖壓板件的質(zhì)量，有效的縮短了生產(chǎn)周期，同時降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，因此數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)被公認為沖壓產(chǎn)業(yè)的標識性里程碑。2.2 汽車覆蓋件拉延成形數(shù)值模擬有限元理論汽車覆蓋件沖壓模具拉延過程是金屬板料成形的主要工序，金屬板料成形原理是凸模成形。金屬板料在模具施加的壓力作用下發(fā)生大的撓度、大變形的塑性變形9。該過程不但使得金屬板料在拉深和拉延的復雜應(yīng)力作用下發(fā)生塑性流動、塑性強化

57、，而且會引起金屬板料的起皺、開裂和回彈等問題9。沖壓模具拉延成形過程是金屬板料成形過程中幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性等多重非線性的復雜多體接觸力學問題。針對非線性問題的求解，常見的方法有增量法、迭代法和混合法三種9。對沖壓板材在拉延成形過程中的幾何非線性分析時，為了保證計算精度、求解過程和結(jié)果的穩(wěn)定性，通常采用增量法進行分析。增量法實質(zhì)上是用一系列線性問題去近似模擬非線性問題，即采用分段線性的折線來代替非線性變化的曲線。當沖壓板料的材料應(yīng)力超過屈服極限時，其將呈現(xiàn)彈塑性的性質(zhì)，這種彈塑性的產(chǎn)生與加載力的大小、應(yīng)變速率、材料性能等因素相關(guān)。盡管可以采用全量理論或增量理論對沖壓材料的塑性

58、變形過程進行近似分析，但采用增量理論更能夠反映模具結(jié)構(gòu)加載過程，同時還可以進一步考慮卸載情況，所以在沖壓板料拉延成形有限元分析過程中，凡是涉及到材料非線性問題的時候，通常都采用增量法進行求解。2.2.1 幾何非線性在汽車覆蓋件拉延成形過程中，由于沖壓用板料在模具力的作用下發(fā)生了較大的塑性變形，同時產(chǎn)生了較大的應(yīng)變和應(yīng)力，因此需要對大變形中應(yīng)力和應(yīng)變進行定義，進而建立非線性的幾何方程和物理方程。在汽車覆蓋件拉延成形中，為了方便描述金屬板材任意一個質(zhì)點的位置隨時間的變化狀況，本課題選擇了兩個固定重合的坐標系。其中一個用大寫字母來表示參考構(gòu)形V的坐標系，另一個用小寫字母來表示現(xiàn)時構(gòu)形的坐標系，如圖2

59、-1所示。板料中任一質(zhì)點P在參考構(gòu)形中的坐標向量是+圖2-1 應(yīng)變的度量（2-1）其對應(yīng)的現(xiàn)時構(gòu)形中坐標向量是（2-2）因此體構(gòu)形的變化可采用方程（2-3）來描述（2-3）式（2-3）是單值、連續(xù)和可微的，且雅克比行列式不等于零，即（2-4）式中（2-5）因此（2-3）式表示的變換具有唯一的單值、連續(xù)性，同時擁有可微的逆變換（2-6）同時有（2-7）（2-8）其中和分別稱為在參考構(gòu)形和現(xiàn)時構(gòu)形中度量的變形梯度張量。2.2.2 Barlat屈服準則判斷板料屈服的準則有很多種，人們常用的屈服準則有Tresca屈服準則、Hill屈服準則、von Mises屈服準則和Barlat屈服準則等等。其中Ba

60、rlat屈服函數(shù)可以較好的對正交異性材料的各向異性塑性狀態(tài)進行描述，且其屈服函數(shù)所反映的應(yīng)力/應(yīng)變響應(yīng)與多晶體塑性力學中的結(jié)果是相符的，因此Barlat屈服準則的精度比其它屈服準則的精度更高一些。考慮平面應(yīng)力條件下材料面內(nèi)各向異性，Barlat等人建立了對應(yīng)的屈服函數(shù)表達式：（2-9）上式中：，（2-10）上式中分別表示板料的扎制方向和橫向；表示的是沿扎制方向的等效應(yīng)力；表示的是與金屬板材晶體形狀相關(guān)的指數(shù)，對于體心立方材料，對于面心立方材料；分別是描述塑性各向異性的材料參數(shù)，由各向異性系數(shù)確定：，（2-11）值無法由顯式給出，必須進行隱式求解方能獲得。Barlat和Lian提出與扎制方向成角

61、度的材料厚向異性的計算公式是（2-12）令，進而定義函數(shù)：（2-13）參數(shù)可以由（2-13）式進行迭代求解出。由于Barlat屈服準則模型僅僅限于平面應(yīng)力狀態(tài)，因此彈性本構(gòu)矩陣可以簡化為：（2-14）將式（2-14）和（2-9）代入彈塑性矩陣的一般式（2-8），整理可得出相應(yīng)的彈塑性矩陣表達式為：（2-15）上式中：（2-16）（2-17）式（2-15）表示材料在平面各向異性屈服準則下的彈塑性本構(gòu)關(guān)系矩陣422.2.3 汽車覆蓋件沖壓成形單元模型在汽車覆蓋件沖壓模具行業(yè)實際工程應(yīng)用中，常見的單元模型是殼單元和膜單元，殼單元對起皺的計算比膜單元更準確，但是計算速度沒有膜單元快。汽車覆蓋件自身具有

62、的特點決定了沖壓成形有限元仿真的較優(yōu)選擇是殼單元，其擁有令人比較滿意的計算精度和計算效率。基于這一點，作者43對幾類基于梅德林（Mindlin）理論的型殼單元的綜合性能進行了比較，認為BT殼單元是最適合用于汽車覆蓋件模具金屬板料拉延成形數(shù)值模擬仿真分析的。（1）共轉(zhuǎn)坐標系的定義BT單元采用共轉(zhuǎn)局部坐標系，它通過固定在單元中面內(nèi)的與單元自身共同變形來建立應(yīng)變速度和節(jié)點速度之間的關(guān)系，這種方式相當適合速率型本構(gòu)關(guān)系匹配44。圖2-2為共轉(zhuǎn)坐標系的定義的示意圖，圖2-2中1、2、3、4表示面上的BT殼單元4個節(jié)點。表示共轉(zhuǎn)軸坐標系軸的單位向量，其表達式如下：圖2-2 BT單元局部共轉(zhuǎn)坐標系 （2-1

63、8） （2-19） （2-20）定義單位向量為軸的單位向量 （2-21） （2-22）定義軸的單位向量為 （2-23） 在共轉(zhuǎn)坐標系下，全局坐標和單元局部坐標之間的變換關(guān)系矩陣是由這個三元向量在全局坐標系中的分量構(gòu)成。假設(shè)全局坐標下的某一向量為，則與之對應(yīng)的局部坐標系的向量為，則坐標變換為 （2-24）上述變換的逆變換為 （2-25）（2） 應(yīng)變速率與節(jié)點變形速度之間的關(guān)系根據(jù)梅德林（Mindlin）的板殼理論，殼中任一點的速度矢量可以表示為 （2-26）上式中 表示的是BT殼單元中面的速度矢量； 表示的是角速度矢量； 表示的是該點沿殼單元厚度方向距中面的距離。在共轉(zhuǎn)坐標系下應(yīng)變速率的分量為