汽車(chē)車(chē)門(mén)拉延模具設(shè)計(jì)

安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 題 目： 汽車(chē)車(chē)門(mén)拉延模具設(shè)計(jì) 與成形模擬 作 者 姓 名：導(dǎo)師及職稱(chēng)：導(dǎo)師所在單位： 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 汽車(chē)車(chē)門(mén)拉延模具設(shè)計(jì)與成形模擬摘 要本課題把汽車(chē)覆蓋件車(chē)門(mén)內(nèi)板作為研究的對(duì)象，以常見(jiàn)的板料成形分析軟件Dynaform作為工具對(duì)拉延成形工藝參數(shù)進(jìn)行研究。本課題設(shè)計(jì)的意義是拉延成形CAE分析可以提前預(yù)測(cè)沖壓產(chǎn)品的缺陷，幫助工程技術(shù)人員對(duì)拉延成形工藝進(jìn)行優(yōu)化，以減少反復(fù)試模修模的次數(shù)，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期。完成的主要工作有通過(guò)UG對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行拉延模具的設(shè)計(jì)，再根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定合理的成形工序，采用Dynaform軟件對(duì)拉深成形過(guò)程進(jìn)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(yàn)和反復(fù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)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(guò)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(jì)，壓邊力的大小，成形的尺寸設(shè)計(jì)，沖壓的次數(shù)與力度等對(duì)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(guò)經(jīng)驗(yàn)和不斷地實(shí)驗(yàn)才能找出最佳方案。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的有用結(jié)論主要是用Dynaform軟件可以模擬板料成形的真實(shí)過(guò)程，從而避免生產(chǎn)過(guò)程耗費(fèi)很大的人力物力財(cái)力去試驗(yàn)，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(zhǔn)確，在中國(guó)仿真率達(dá)到97%，在國(guó)外達(dá)到100%，它的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。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 project 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 through 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 results 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 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 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 widelyKeywords: 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(shì)21.2 沖壓模具CAE數(shù)值模擬分析的目的21.3 Autoform軟件簡(jiǎn)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(chē)覆蓋件拉延成形理論72.1 汽車(chē)覆蓋件拉延成形有限元仿真理論概述72.2 汽車(chē)覆蓋件拉延成形數(shù)值模擬有限元理論82.2.1 幾何非線(xiàn)性82.2.2 Barlat屈服準(zhǔn)則92.2.3 汽車(chē)覆蓋件沖壓成形單元模型112.2.4 有限元控制方程的求解162.5 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(dòng)畫(huà)預(yù)覽303.2.3 Dynaform求解器計(jì)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(guò)程334.3 成型極限圖FLD344.4 厚度變化情況364.5 錄制AVI成形過(guò)程374.6 本章小結(jié)38第5章拉延模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)395.1 拉延模工作部分計(jì)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(jì)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(jì)與選用425.3 拉延模比和高度的計(jì)算425.4 模具主要零部件設(shè)計(jì)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(xiàn)及翻譯49附錄C 主要參考文獻(xiàn)的題錄及摘要57插圖清單圖1-1 汽車(chē)門(mén)內(nèi)板零件- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4圖1-2 汽車(chē)覆蓋件拉延成形數(shù)值模擬技術(shù)路線(xiàn)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(biāo)系- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -12圖3-1 車(chē)門(mén)IGES曲面- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19圖3-2 顯示選項(xiàng) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19 圖3-3 當(dāng)前零件層- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19 圖3-4 網(wǎng)格劃分 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20圖3-5 單元選項(xiàng)框一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -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(bǔ)工具 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -22圖3-9 創(chuàng)建單元- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 22圖3-10 零件層顯示- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23 圖3-11 DIE復(fù)制到PUNCH - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23圖3-12 添加到選項(xiàng) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23 圖3-13 選擇單元- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23 圖3-14 分離出的BINDER零件層- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 24 圖3-15 分離出的PUNCH- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -24 圖3-16 毛坯生成器選項(xiàng)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -25 圖3-17 定義毛坯選項(xiàng)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25圖3-18 材料選項(xiàng)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 26圖3-19 薄殼單元選項(xiàng)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -26圖3-20 BELYTSCHKO-TSAY屬性卡選項(xiàng)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -26圖3-21 材料屬性（上）- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -27圖3-22 材料屬性(中）- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 27 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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28圖3-26 工序參數(shù)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29圖3-27 參數(shù)設(shè)置- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29圖3-28 動(dòng)畫(huà)預(yù)覽- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 30圖3-29 dyn文件導(dǎo)入- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -30圖3-30 dyn文件導(dǎo)入- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -31圖3-31 eta/LS-DYNA jobs Submitter窗口- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -31圖3-32 dyn文件計(jì)算窗口- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -32 圖4-1 后處理選項(xiàng)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -33圖4-2 文件導(dǎo)入- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -33 圖4-3 Frame選項(xiàng)圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -33圖4-4 FLD對(duì)話(huà)框圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -34 圖4-5 等值線(xiàn)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)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -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)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36圖4-11 局部相對(duì)減薄率- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -37圖4-12 AVI電影錄制- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -37 圖4-13 壓縮程序?qū)υ?huà)框- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -37 圖5-1 工件尺寸標(biāo)注在外側(cè)的情況- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -41圖5-2 工件尺寸標(biāo)注在內(nèi)側(cè)的情況- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -41 圖5-3 凸模(俯視)三維模型- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -43 圖5-6 壓邊圈- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 44圖5-7 總裝圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 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(chē)，模具先行1。汽車(chē)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(chē)覆蓋件沖壓成形技術(shù)是汽車(chē)車(chē)身制造技術(shù)的核心部分，直接影響到車(chē)身產(chǎn)品質(zhì)量和整車(chē)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。汽車(chē)覆蓋件是汽車(chē)的重要組成部分，即是汽車(chē)車(chē)身的主要組成部分23。汽車(chē)覆蓋件的特點(diǎn)是：材料薄、尺寸大、形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量和精度要求高等。隨著汽車(chē)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(lái)越不適應(yīng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的需求，嚴(yán)重阻礙汽車(chē)產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展模式。工業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)仿真軟件的需求越來(lái)越迫切。20世紀(jì)70年代末，沖壓成形CAE仿真軟件開(kāi)始了商業(yè)化之旅，如Autoform、Dynaform等。這些軟件對(duì)板料成形過(guò)程中產(chǎn)生的起皺和開(kāi)裂具有很好的預(yù)測(cè)能力4-6。目前，CAE分析的準(zhǔn)確性已得到實(shí)踐的驗(yàn)證，板料成形CAE軟件在企業(yè)中得到了深入廣泛的運(yùn)用，已經(jīng)成為板料成形不可或缺的前期預(yù)測(cè)工具。通過(guò)CAE分析可以預(yù)知板料的開(kāi)裂位置、起皺高度、回彈量以及沖擊線(xiàn)和滑移線(xiàn)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(duì)保證模具質(zhì)量、提高材料利用率、縮短開(kāi)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(shí)參數(shù)設(shè)置不合理，板料就會(huì)出現(xiàn)起皺、開(kāi)裂和超過(guò)可接受范圍的回彈，這些缺陷的存在說(shuō)明生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題。如何快速準(zhǔn)確的利用CAE分析軟件尋找到相對(duì)最合理的參數(shù)，達(dá)到合理分析板料成形過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷，提出切實(shí)可靠的工藝方案，已成為各汽車(chē)模具公司應(yīng)用和研究中直接面對(duì)的問(wèn)題。開(kāi)裂、起皺和回彈等是在板料成形過(guò)程中常見(jiàn)的三種質(zhì)量缺陷，也是金屬板材拉延成形最關(guān)心的問(wèn)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(duì)后序能否順利進(jìn)行以及能否生產(chǎn)出合格的零件至關(guān)重要。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和人民需求的提高，質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越得到人們的重視，許多汽車(chē)主機(jī)廠的公差要求都在兩絲以?xún)?nèi)，不允許有開(kāi)裂現(xiàn)象，起皺高度保持在料厚的2%以?xún)?nèi)，回彈量必須控制在許用公差以?xún)?nèi)，而且要保證沖壓成形后板料的剛度，對(duì)與汽車(chē)覆蓋件而言，這無(wú)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)狀及發(fā)展趨勢(shì)隨著非線(xiàn)性力學(xué)理論、有限元理論和計(jì)算機(jī)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(chē)覆蓋件沖壓模具及其工藝設(shè)計(jì)近乎全線(xiàn)突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路10。近年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)以超過(guò)20%的增幅發(fā)展，在一定程度上帶動(dòng)了模具水平的提升，CAE技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并取得較好成果11-12。目前，人們對(duì)沖壓工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(guò)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(chē)覆蓋件沖壓模具的首序，客戶(hù)發(fā)來(lái)的數(shù)模一般是產(chǎn)品造型，需要進(jìn)一步的添加零件的工藝補(bǔ)充方能實(shí)現(xiàn)零件的加工，即需要進(jìn)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(bǔ)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(dòng)的模式，可以針對(duì)數(shù)模中不合理部位局部快速進(jìn)行修正。2）全工序數(shù)值模擬沖壓過(guò)程汽車(chē)覆蓋件產(chǎn)品成形需要一般需要三到四個(gè)工序，常見(jiàn)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(duì)各工序進(jìn)行模擬仿真，此外還可以對(duì)任意一序的回彈量進(jìn)行仿真及做回彈補(bǔ)償。此外，目前不但可以進(jìn)行冷沖壓數(shù)值模擬，而且沖壓熱成形技術(shù)也逐步走向成熟，在國(guó)內(nèi)一些知名模具公司已經(jīng)開(kāi)始探索性應(yīng)用。3）板料成形缺陷的預(yù)測(cè)和消除板料成形質(zhì)量缺陷主要有開(kāi)裂、起皺、回彈、沖擊線(xiàn)、滑移線(xiàn)、剛度不足等，其中開(kāi)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(jìn)行測(cè)量，同時(shí)由云圖的色彩直觀的表示出來(lái)13-16。沖擊線(xiàn)和滑移線(xiàn)可以通過(guò)在后處理中添加基準(zhǔn)線(xiàn)，計(jì)算機(jī)可在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出其值的方向，同時(shí)可以測(cè)出各個(gè)部位對(duì)應(yīng)的各種質(zhì)量缺陷的數(shù)值大小7。預(yù)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(duì)性的對(duì)數(shù)模進(jìn)行優(yōu)化，避免不必要的人力、物力等資源浪費(fèi)，加速汽車(chē)開(kāi)發(fā)進(jìn)程。4）板料成形性能的評(píng)價(jià)金屬板料成形性能是評(píng)價(jià)汽車(chē)覆蓋件沖壓產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，其成形質(zhì)量涉及沖壓成形板料是否有開(kāi)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(mǎn)足精度要求。其中，沖壓后板料剛度與塑性變形過(guò)程中材料的流入量多少直接相關(guān)，以往是憑靠經(jīng)驗(yàn)值來(lái)調(diào)節(jié)板料流入模具型腔的量，人工無(wú)法準(zhǔn)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(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)，且在后處理的成形性能圖中可以直觀清晰的看到各個(gè)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(gè)大撓度、大變形的塑性變形過(guò)程，涉及金屬板料在拉深和拉延的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的塑性流動(dòng)、塑性強(qiáng)化，以及其引起的起皺、開(kāi)裂和回彈等問(wèn)題。同時(shí)，沖壓過(guò)程也是一個(gè)非常復(fù)雜的多體接觸力學(xué)分析問(wèn)題，其具有材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性和狀態(tài)非線(xiàn)性等較強(qiáng)的非線(xiàn)性9。因此單憑經(jīng)驗(yàn)很難預(yù)先估計(jì)成形質(zhì)量合格與否，往往要等到模具加工后試模時(shí)才能暴露出來(lái)，給模具調(diào)試造成極大困難，甚至導(dǎo)致模具報(bào)廢。CAE參數(shù)設(shè)置不合理，板料就會(huì)出現(xiàn)起皺、開(kāi)裂和超過(guò)可接受范圍的回彈，這些缺陷的存在說(shuō)明生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題。通過(guò)CAE分析優(yōu)化覆蓋件沖壓成形工藝設(shè)計(jì)，改善沖壓成形技術(shù)，進(jìn)而其控制成形過(guò)程是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，也是板料成形技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì) 1620。目前，國(guó)內(nèi)沖壓模具CAE數(shù)值模擬分析，還主要依賴(lài)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，然后用試錯(cuò)法進(jìn)行調(diào)試，機(jī)時(shí)耗費(fèi)較長(zhǎng)，而且參數(shù)設(shè)置合理性很難保證；由于CAE分析準(zhǔn)確度不足，導(dǎo)致一套模具都需要三到四輪的整改，而每輪整改的費(fèi)用高達(dá)上萬(wàn)元，因此如何快速準(zhǔn)確的設(shè)置CAE分析參數(shù)是汽車(chē)覆蓋件模具行業(yè)亟待解決的問(wèn)題，人們對(duì)此已展開(kāi)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(guò)優(yōu)化CAE數(shù)值模擬分析參數(shù)，從而達(dá)到減少現(xiàn)場(chǎng)整改次數(shù)，降低生產(chǎn)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，推動(dòng)整車(chē)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。1.3 Autoform軟件簡(jiǎn)介當(dāng)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計(jì)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(yùn)而生，并已成為PXX車(chē)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(jì)階段對(duì)其進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)分析，一定程度上保證設(shè)計(jì)方案的可行性，使其達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，其中Autoform軟件在這方面尤為突出?，F(xiàn)代汽車(chē)和現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)都表明，汽車(chē)覆蓋件模具的設(shè)計(jì)制造離不開(kāi)有效的板成形模擬軟件。世界上大的汽車(chē)集團(tuán)，其車(chē)身開(kāi)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(lái)提高其成功率和確保模具制造周期，國(guó)際上的軟件主要有美國(guó)eta公司的D，法國(guó)ESI集團(tuán)的PAM系列軟件，德國(guó)Autoform工程股份的Autoform，國(guó)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(xué)的Vform等。本文著重探討Autoform及其應(yīng)用。Autoform的特點(diǎn)：一、它提供從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)直至最后的模具設(shè)計(jì)的一個(gè)完整的解決方案，其主要模塊有User-Interface(用戶(hù)界面)、Automesher(自動(dòng)網(wǎng)格劃分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner(模面設(shè)計(jì))、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(fù)雜的深拉延和拉伸成形模的設(shè)計(jì)，沖壓工藝和模面設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，成形參數(shù)的優(yōu)化，材料與潤(rùn)滑劑消耗的最小化，新板料(如拼焊板、復(fù)合板)的評(píng)估和優(yōu)化。三、快速易用、有效、魯棒(robust)和可靠：最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(guò)程，與顯式算法相比能在更短的時(shí)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(xiàn)性應(yīng)變路徑變得可行。即使是大型復(fù)雜制件，經(jīng)工業(yè)實(shí)踐證實(shí)是可行和可靠的。四、Autoform帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：因能更快完成求解、友好的用戶(hù)界面和易于上手、對(duì)復(fù)雜的工程應(yīng)用也有可靠的結(jié)果等，Autoform能直接由設(shè)計(jì)師來(lái)完成模擬，不需要大的硬件投資及資深模擬分析專(zhuān)家，其高質(zhì)量的結(jié)果亦能很快用來(lái)評(píng)估，在縮短產(chǎn)品和模具的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證時(shí)間、降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和模具成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量上效果顯著，對(duì)沖壓成形的評(píng)估提供了量的概念，給企業(yè)帶來(lái)明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)機(jī)遇。在本次設(shè)計(jì)中，通過(guò)應(yīng)用CAE中Autoform軟件對(duì)PXX車(chē)型側(cè)圍外板進(jìn)行工藝分析和模擬，建立合理的有限元分析模型。然后對(duì)有限元模型進(jìn)行工藝性分析，最后根據(jù)模型與設(shè)計(jì)要求，對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)行判定并設(shè)計(jì)合理的方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)運(yùn)用CAE技術(shù)，可以增加設(shè)計(jì)功能，借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，減少設(shè)計(jì)成本; 縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期; CAE分析起到的“虛擬樣機(jī)”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中資源消耗極大的“物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)”過(guò)程，虛擬樣機(jī)作用能預(yù)測(cè)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性; 采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)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預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題; 模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)等。1.4 課題研究的主要內(nèi)容本課題以Dynaform作為試驗(yàn)工具，以某新款車(chē)型汽車(chē)覆蓋件車(chē)門(mén)內(nèi)板作為試驗(yàn)的研究對(duì)象，某車(chē)型汽車(chē)門(mén)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(guò)軟件模擬該款車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延工序的過(guò)程，在沖壓模具圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段，找出模具制造過(guò)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(fèi)。首先在Dynaform中進(jìn)行造型，同時(shí)生成必要的工藝補(bǔ)充，設(shè)置拉延成形工藝參數(shù)，采用正交試驗(yàn)和極差分析，得出拉延成形過(guò)程中各工藝參數(shù)分別對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板各個(gè)單一評(píng)價(jià)指標(biāo)最大變薄率、最大起皺高度和回彈量的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，使用綜合加權(quán)評(píng)分對(duì)拉延成形進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立目標(biāo)函數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(shí)驗(yàn)與實(shí)際對(duì)比驗(yàn)證，找出零件出現(xiàn)問(wèn)題的原因并給出合理的解決方案。圖1-1 汽車(chē)門(mén)內(nèi)板零件各章節(jié)主要內(nèi)容如下：第一章、闡述了汽車(chē)覆蓋件沖壓模具數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以及Dynaform軟件的簡(jiǎn)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(chē)覆蓋件車(chē)門(mén)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(jìn)行前處理，導(dǎo)入Dynaform選拉延類(lèi)型和接觸方式，再進(jìn)行有限網(wǎng)格劃分，劃分后再網(wǎng)格檢查與修復(fù)確保網(wǎng)格合理無(wú)誤，接下來(lái)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(yù)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(jìn)行仿真計(jì)算；第四章、用Dynaform進(jìn)行后處理，進(jìn)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(guò)程、厚度、應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的錄像。第五章、拉延模工作部分計(jì)算、拉延模比和高度的計(jì)算、模具主要零部件（凸模、凹模、壓邊圈與總裝圖）設(shè)計(jì)，最后闡述模具材料的選用及其他零部件的設(shè)計(jì)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(dǎo)入DYNAFORM選拉延類(lèi)型和接觸方式有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格檢查及修補(bǔ)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(yù)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(jì)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(mǎn)意開(kāi) 始結(jié)束結(jié)果是否滿(mǎn)意前前處理后后處理圖1-2 汽車(chē)覆蓋件拉延成形數(shù)值模擬技術(shù)路線(xiàn)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(duì)某新款車(chē)型汽車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延成形過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析，對(duì)影響其拉延成形質(zhì)量的工藝參數(shù)進(jìn)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(dǎo)出iges文件;（2）打開(kāi)Dynaform進(jìn)行前處理，導(dǎo)入Dynaform選拉延類(lèi)型和接觸方式，再進(jìn)行有限網(wǎng)格劃分，劃分后再網(wǎng)格檢查與修復(fù)確保網(wǎng)格合理無(wú)誤，接下來(lái)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(yù)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(jìn)行仿真計(jì)算（4）打開(kāi)Dynaform進(jìn)行后處理，進(jìn)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(mǎn)意，如不滿(mǎn)意找出現(xiàn)場(chǎng)與CAE分析的不符之處，并將其反饋給CAE，改進(jìn)方案進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)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(chē)覆蓋件拉延成形工藝的技術(shù)路線(xiàn)如圖1-2所示：1.6 本章小結(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(shì)，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(guò)程、板料成形缺陷的預(yù)測(cè)和消除、板料成形性能的評(píng)價(jià)。然后對(duì)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(jiǎn)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(chē)覆蓋件拉延成形理論2.1 汽車(chē)覆蓋件拉延成形有限元仿真理論概述在上世紀(jì)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(kù)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(biāo)識(shí)。在有限元法產(chǎn)生初期，只能進(jìn)行分析處理彈性力學(xué)問(wèn)題。上世紀(jì)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(lái)日本學(xué)者山田嘉昭推導(dǎo)出了材料小變形問(wèn)題的彈塑性矩陣的顯示表達(dá)式。在上世紀(jì)七十年代西比特、馬薩爾和賴(lài)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(lài)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(dá)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(wèn)題分析的彈塑性有限元理論體系建立起來(lái)。小林和李在上世紀(jì)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(dòng)看作是不可壓縮的非牛頓流體的流動(dòng)。欽科維奇在上世紀(jì)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(xué)理論和方法來(lái)分析金屬材料的塑性流動(dòng)情況，同時(shí)他還第一次用有限元方法來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬沖壓成形仿真過(guò)程。1977年在美國(guó)通用汽車(chē)公司舉行的關(guān)于板料沖壓成形力學(xué)分析討論會(huì)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(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代沖壓成形有限元仿真研究的先河。上世紀(jì)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(wèn)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(shí)的摩擦狀態(tài)。小林和基姆采用軸對(duì)稱(chēng)理論，運(yùn)用剛塑性有限元法分析了正交各向異性材質(zhì)的脹形問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，人們又陸續(xù)研究了任意形狀材質(zhì)的拉深、非對(duì)稱(chēng)沖壓模具的沖壓成形等問(wèn)題。上世紀(jì)八十年代中期，韓廉和小林使用殼單元理論，首次運(yùn)用剛性有限元法分析了方形盒的拉深過(guò)程，標(biāo)識(shí)著有限元沖壓成形三維數(shù)值模擬仿真的開(kāi)始。沖壓模具金屬板料的成形是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，板料的變形過(guò)程是一個(gè)集空間域與時(shí)間域的復(fù)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(jìn)而近似模擬仿真整個(gè)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(dá)方示來(lái)建立有限元函數(shù)式：第一種方式是所有的動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)變量總是以初始構(gòu)形為參考基準(zhǔn)，即在整個(gè)分析過(guò)程中，所有的參考構(gòu)型始終保持一致，不發(fā)生改變，這種方式稱(chēng)為完全Lagrangian格式(即常說(shuō)的T.L.格式)；另一種方式是全部的動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)變量都是以每一載荷或時(shí)間步長(zhǎng)開(kāi)始時(shí)的構(gòu)形，即在分析過(guò)程中參考構(gòu)形是不斷改變更新的，這種方式稱(chēng)為更新的Lagrangian格式（即常說(shuō)的U.L.格式）9。針對(duì)大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、小應(yīng)變的非線(xiàn)性問(wèn)題的分析常常采用T. L.格式相對(duì)比較合適；而對(duì)于大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形的非線(xiàn)性問(wèn)題，運(yùn)用U.L.格式則是一種公認(rèn)合理的選擇。因此，對(duì)于沖壓板料成形這樣的擁有大應(yīng)變、多重非線(xiàn)性的問(wèn)題，采用U.L.格式來(lái)建立有限元列式則更為合理。目前，有限元理論已經(jīng)開(kāi)發(fā)成比較成熟的商業(yè)用軟件，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(lái)了翻天覆地的變化，使板料成形缺陷由憑靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷的不可預(yù)知變成了可提前預(yù)測(cè)。這一變革不但大大減輕了工人的工作強(qiáng)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(shí)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(rèn)為沖壓產(chǎn)業(yè)的標(biāo)識(shí)性里程碑。2.2 汽車(chē)覆蓋件拉延成形數(shù)值模擬有限元理論汽車(chē)覆蓋件沖壓模具拉延過(guò)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(guò)程不但使得金屬板料在拉深和拉延的復(fù)雜應(yīng)力作用下發(fā)生塑性流動(dòng)、塑性強(qiáng)化，而且會(huì)引起金屬板料的起皺、開(kāi)裂和回彈等問(wèn)題9。沖壓模具拉延成形過(guò)程是金屬板料成形過(guò)程中幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性、邊界條件非線(xiàn)性等多重非線(xiàn)性的復(fù)雜多體接觸力學(xué)問(wèn)題。針對(duì)非線(xiàn)性問(wèn)題的求解，常見(jiàn)的方法有增量法、迭代法和混合法三種9。對(duì)沖壓板材在拉延成形過(guò)程中的幾何非線(xiàn)性分析時(shí)，為了保證計(jì)算精度、求解過(guò)程和結(jié)果的穩(wěn)定性，通常采用增量法進(jìn)行分析。增量法實(shí)質(zhì)上是用一系列線(xiàn)性問(wèn)題去近似模擬非線(xiàn)性問(wèn)題，即采用分段線(xiàn)性的折線(xiàn)來(lái)代替非線(xiàn)性變化的曲線(xiàn)。當(dāng)沖壓板料的材料應(yīng)力超過(guò)屈服極限時(shí)，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(duì)沖壓材料的塑性變形過(guò)程進(jìn)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(guò)程，同時(shí)還可以進(jìn)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(guò)程中，凡是涉及到材料非線(xiàn)性問(wèn)題的時(shí)候，通常都采用增量法進(jìn)行求解。2.2.1 幾何非線(xiàn)性在汽車(chē)覆蓋件拉延成形過(guò)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(shí)產(chǎn)生了較大的應(yīng)變和應(yīng)力，因此需要對(duì)大變形中應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行定義，進(jìn)而建立非線(xiàn)性的幾何方程和物理方程。在汽車(chē)覆蓋件拉延成形中，為了方便描述金屬板材任意一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置隨時(shí)間的變化狀況，本課題選擇了兩個(gè)固定重合的坐標(biāo)系。其中一個(gè)用大寫(xiě)字母來(lái)表示參考構(gòu)形V的坐標(biāo)系，另一個(gè)用小寫(xiě)字母來(lái)表示現(xiàn)時(shí)構(gòu)形的坐標(biāo)系，如圖2-1所示。板料中任一質(zhì)點(diǎn)P在參考構(gòu)形中的坐標(biāo)向量是+圖2-1 應(yīng)變的度量（2-1）其對(duì)應(yīng)的現(xiàn)時(shí)構(gòu)形中坐標(biāo)向量是（2-2）因此體構(gòu)形的變化可采用方程（2-3）來(lái)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(shí)擁有可微的逆變換（2-6）同時(shí)有（2-7）（2-8）其中和分別稱(chēng)為在參考構(gòu)形和現(xiàn)時(shí)構(gòu)形中度量的變形梯度張量。2.2.2 Barlat屈服準(zhǔn)則判斷板料屈服的準(zhǔn)則有很多種，人們常用的屈服準(zhǔn)則有Tresca屈服準(zhǔn)則、Hill屈服準(zhǔn)則、von Mises屈服準(zhǔn)則和Barlat屈服準(zhǔn)則等等。其中Barlat屈服函數(shù)可以較好的對(duì)正交異性材料的各向異性塑性狀態(tài)進(jìn)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(xué)中的結(jié)果是相符的，因此Barlat屈服準(zhǔn)則的精度比其它屈服準(zhǔn)則的精度更高一些?？紤]平面應(yīng)力條件下材料面內(nèi)各向異性，Barlat等人建立了對(duì)應(yīng)的屈服函數(shù)表達(dá)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(duì)于體心立方材料，對(duì)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(wú)法由顯式給出，必須進(jìn)行隱式求解方能獲得。Barlat和Lian提出與扎制方向成角度的材料厚向異性的計(jì)算公式是（2-12）令，進(jìn)而定義函數(shù)：（2-13）參數(shù)可以由（2-13）式進(jìn)行迭代求解出。由于Barlat屈服準(zhǔn)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(jiǎn)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(dá)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(zhǔn)則下的彈塑性本構(gòu)關(guān)系矩陣422.2.3 汽車(chē)覆蓋件沖壓成形單元模型在汽車(chē)覆蓋件沖壓模具行業(yè)實(shí)際工程應(yīng)用中，常見(jiàn)的單元模型是殼單元和膜單元，殼單元對(duì)起皺的計(jì)算比膜單元更準(zhǔn)確，但是計(jì)算速度沒(méi)有膜單元快。汽車(chē)覆蓋件自身具有的特點(diǎn)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(mǎn)意的計(jì)算精度和計(jì)算效率?；谶@一點(diǎn)，作者43對(duì)幾類(lèi)基于梅德林（Mindlin）理論的型殼單元的綜合性能進(jìn)行了比較，認(rèn)為BT殼單元是最適合用于汽車(chē)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(biāo)系的定義BT單元采用共轉(zhuǎn)局部坐標(biāo)系，它通過(guò)固定在單元中面內(nèi)的與單元自身共同變形來(lái)建立應(yīng)變速度和節(jié)點(diǎn)速度之間的關(guān)系，這種方式相當(dāng)適合速率型本構(gòu)關(guān)系匹配44。圖2-2為共轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(gè)節(jié)點(diǎn)。表示共轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系軸的單位向量，其表達(dá)式如下：圖2-2 BT單元局部共轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 （2-18） （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(biāo)系下，全局坐標(biāo)和單元局部坐標(biāo)之間的變換關(guān)系矩陣是由這個(gè)三元向量在全局坐標(biāo)系中的分量構(gòu)成。假設(shè)全局坐標(biāo)下的某一向量為，則與之對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系的向量為，則坐標(biāo)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)沿殼單元厚度方向距中面的距離。在共轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下應(yīng)變速率的分量為