汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝【優(yōu)秀課程畢業(yè)設計含三維5張CAD圖紙+帶任務書+開題報告+文獻綜述+答辯ppt+外文翻譯】

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汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝

摘    要

近年來，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越來越被人們所重視，且已逐漸成為當前和未來汽車技術發(fā)展的主要方向。基于此，在汽車車身及其零配的件的材料選擇上，人們越來越關注材料本身的重量。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強度、可塑性強的金屬材料，受到了越來越多汽車廠商的青睞。然而，在板料成形技術中，起皺、斷裂、變形不足和回彈等質量問題也越來越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費，還嚴重制約了鋁合金板材在汽車制造中的使用。因此，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優(yōu)秀工藝，成了當前眾多汽車廠商研究的重點。

本文將利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對汽車保險杠中鋁成型組件的沖壓成型進行分析研究，找出導致其出現(xiàn)質量問題的主要因素，并結合分析結果嘗試對現(xiàn)有的沖壓工藝進行合理優(yōu)化，達到提高成品率的目的。

關鍵字 有限元分析 鋁成型 工藝優(yōu)化

Finite Element Analysis and Process Optimization of Aluminum Brackets for Automobile Bumper

Abstract

In recent years, with the environmental pollution, energy depletion and other issues become increasingly serious and national policy support and encouragement, automotive lightweight has been more and more attention, and has gradually become the current and future development of the main direction of automotive technology The Among them, the aluminum alloy sheet as a low-density, high strength, plasticity of the metal material, by more and more car manufacturers of all ages. However, in the sheet metal forming technology, wrinkling, rupture, deformation and rebound and other quality problems are more and more prominent, which not only caused a lot of material waste, but also seriously restricted the use of aluminum alloy sheet in the automotive industry The Therefore, to explore a suitable for aluminum alloy sheet stamping of the excellent process, has become the focus of many car manufacturers.

In this paper, the finite element analysis software ANSYS Workbench is used to analyze the stamping of aluminum forming components in automobile bumper, and the main factors leading to its quality problems are found out. Combining with the analysis results, the existing stamping process is optimized reasonably, To achieve the purpose of improving the yield.

Key words  Finite element analysis  aluminum forming   process optimization

目錄

第1章 緒論 1

1.1 引言 1

1.2 汽車保險杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學意義 1

1.3 汽車保險杠鋁成型組件質量問題的國內外研究狀況 1

1.3.1 國外研究情況 2

1.3.2 國內研究情況 2

1.4汽車保險杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢 2

1.5汽車保險杠鋁成型組件缺陷分析 3

1.5.1起皺 3

1.5.2破裂 4

1.5.3回彈 5

1.6本文研究的主要內容 5

1.7本章小結 6

第2章 板材沖壓有限元分析理論 7

2.1 ANSYS Workbench軟件介紹 7

2.2 材料的特性 7

2.3 材料的屈服準則 8

2.3.1 Tresca 屈服準則 8

2.3.2 Von Mises 屈服準則 9

2.4材料的硬化準則 9

2.4.1各向同性硬化準則 9

2.4.2隨動硬化準則 10

2.5 沖壓過程應力加載和卸載法則 11

2.6 沖壓過程接觸算法 11

2.6.1 拉格朗日算法 12

2.6.2 罰函數(shù)接觸算法 12

2.6.3 非線性罰函數(shù)接觸算法 12

第3章 保險杠組件沖壓成型工藝 15

3.1 保險杠組件沖壓成型的的工藝特點 15

3.2 保險杠組件沖壓工藝的詳細說明 16

3.3 本章小結 20

第4章 有限元分析過程及結果 21

4.1概述 21

4.2 分析流程及結果 21

4.2.1分析流程 21

4.2.2 分析結果 25

4.3 本章小結 26

第5章 工藝優(yōu)化內容及結果 27

5.1 工藝優(yōu)化的注意事項 27

5.2 工藝優(yōu)化的內容 27

5.3 優(yōu)化效果 30

5.4 本章小結 30

致  謝 31

參考文獻 32

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北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 摘 要 近年來，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越來越被人們所重視，且已逐漸成為當前和未來汽車技術發(fā)展的主要方向。 基于此， 在 汽車車身及其零配的 件的材料選擇上，人們越來越關注材料本身的重量。 其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強度、可塑性強的金屬材料，受到了越來越多汽車廠商的青睞。然而，在板料成 形技術中，起皺、斷 裂、變形不足和回彈等質量問題也越來越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費，還嚴重制約了鋁合金板材在汽車制造中的使用。因此，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優(yōu)秀工藝，成了當前眾多汽車廠商研究的重點。 本文將利用有限元分析軟件 汽車保險杠中鋁成型組件的沖壓成型進行分析研究，找出導致其出現(xiàn)質量問題的主要因素，并結合分析結果嘗試對現(xiàn)有的沖壓工藝進行合理優(yōu)化，達到提高成品率的目的。 關鍵字 有限元分析 鋁成型 工藝優(yōu)化 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 n of of as a of by of in a of of in to a of of In is to of in to is To of 華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 目錄 第 1 章 緒論 .................................................................................................................. 1 言 ................................................................................................................. 1 車保險杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學意義 ......................................................... 1 車保險杠鋁成型組件質量問題的國內外研究狀況 ............................................... 1 外研究情況 ........................................................................................... 2 內研究情況 ........................................................................................... 2 車保險杠鋁成型組件的發(fā)展 趨勢 ....................................................................... 2 車保險杠鋁成型組件缺陷分析 .......................................................................... 3 皺 ......................................................................................................... 3 裂 ......................................................................................................... 4 彈 ......................................................................................................... 5 文研究的主要內容 ........................................................................................... 5 章小結 ........................................................................................................... 6 第 2 章 板材沖壓有限元分析理論 ..................................................................................... 7 件介紹 ................................................................................. 7 料的特性 ....................................................................................................... 7 料的屈服準則 ................................................................................................ 8 服準則 ....................................................................................... 8 服準則 .................................................................................. 9 料的硬化準則 ................................................................................................. 9 向同性硬化準則 ..................................................................................... 9 動硬化準則 .......................................................................................... 10 壓過程應力加載和卸載法則 ........................................................................... 11 壓過程接觸算法 ........................................................................................... 11 格朗日算法 ......................................................................................... 12 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 函數(shù)接觸算法 ...................................................................................... 12 線性罰函數(shù)接觸算法 ............................................................................ 12 第 3 章 保險杠組件沖壓成型工藝 ................................................................................... 15 險杠組件沖壓成型的的工藝特點 .................................................................... 15 險杠組件沖壓工藝的詳細說明 ........................................................................ 16 章小結 ........................................................................................................ 20 第 4 章 有限元分析過程及結果 ...................................................................................... 21 述 ................................................................................................................ 21 析流程及結果 .............................................................................................. 21 析流程 ................................................................................................ 21 析結果 ................................................................................................ 25 章小結 ........................................................................................................ 26 第 5 章 工藝優(yōu)化內容及結果 ......................................................................................... 27 藝優(yōu)化的注意事項 ........................................................................................ 27 藝優(yōu)化的內容 .............................................................................................. 27 化效果 ........................................................................................................ 30 章小結 ........................................................................................................ 30 致 謝 ......................................................................................................................... 31 參考文獻 ..................................................................................................................... 32 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 言 近年來，由于人們人們生活水平的不斷提高 ， 對衣食住行的要求也越累越重視。汽車 最為一種最常見的交通工具，為人們的出行提供了極大的方便，因此汽車的保有量近年來出現(xiàn)了持續(xù)增長的趨勢 。據(jù)統(tǒng)計， 2016 年新注冊登記的汽車達 2752 萬輛，保有量凈增 2212 萬輛，汽車 總 保有量 已 達 輛 ， 均達到歷史新高 。 另一方面，由于環(huán)境污染、空氣惡化等社會問題日趨嚴重，節(jié)能環(huán)保的問題也開始得到人們的重視。在汽車制造領域，越來越多汽車廠商開始重視汽車的減排問題，都致力與研發(fā)同時兼顧 節(jié)能、 環(huán)保和安全 三個優(yōu)點為一體的新時代汽車。研究發(fā)現(xiàn)，通過減輕汽車自重來減少能源消耗效果可謂說是立竿見影， 據(jù)統(tǒng)計： 汽車每減重 10%，油耗可降低 6%～8%，車身質量占汽車總質量的 40%－ 60%， 因此， 可以說，減輕車身重量對于節(jié)約能源減少排放有著十分重要的作用。 當然， 減輕車身質量并不是盲目為之 ，而是 必須 在保證 不影響 汽車安全和性能的前提下，最 大 可能 地減輕車身的質量。傳統(tǒng)的高強度鋼材料盡管有許多優(yōu)良性能，但對于減輕車身重量而言，顯然不盡人意。隨著材料技術的發(fā)展， 很多輕質材料諸如 鋁合金等 材料 運用越來越廣泛， 運用鋁合金 等輕質 制造車身 及汽車配件不僅 為車身輕量化提供了巨大的發(fā)展空間， 而且與傳統(tǒng)的高強度鋼相比相比具有密度小、耐銹蝕 易成型 等優(yōu)點， 因此，鋁合金材料在 車身上的使用量 越來越多 ， 已經 逐漸成為 減輕車身質量化技術中取代 鋼材的主要材料 之一 ， 在 汽車輕量化 中，鋁合金等輕質材料做出了不可磨滅的貢獻。然而 ， 在實際的生產制造過程中 ， 由于 鋁合金板與傳統(tǒng)鋼板 的 沖壓成形特性 并不完全相同，尤其 是 汽車車身覆蓋件沖壓成型工藝中常見的 起 皺、破 裂、 回彈 等 問題， 根本 無法完全借鑒鋼板成形方面的經驗 來解決 ， 導致實際生產 過程中 由于 零件 產生 因質量問題 而 無法滿足外觀使用、裝配性等要求，所以， 對鋁合金車身覆蓋件的質量 研究正成為汽車車身成形技術的前沿和熱點 。 車保險杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學意義 汽車保險杠是汽車上一個重要的結構部件，承受著汽車碰撞時的巨大沖擊力，對汽車的安全性起著至關重要的作用。其中，保險杠結構中的部分組件采用鋁合金板材沖壓成型，而在成型過程中極易出現(xiàn) 起皺、破 裂、變形不足和回彈等質量問題，若能通過合理的工藝優(yōu)化，解決此類質量問題，那么不僅能使車身輕量化 的研究更進一步，對于眾多汽車廠商來說，還能大大節(jié)約成本，提高運 營利潤。 車保險杠鋁成型組件質量問題的國內外研究狀況 汽車保險杠 鋁成型組件屬于板材沖壓成型件，而對于 此類由 板料沖壓成形 的零件北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 2 容易出現(xiàn)的常見 缺陷 問題，自上世紀 50 年代以來，國內外大量學者 針對這些 問題進行了深入的理論分析、模擬和實驗研究。 外研究情況 從 上世紀 50 年代起， 等人 通過 多年 探索 研究， 在板料成形及回彈分析 方面取得了初步進展，為后續(xù)的研究 奠定了理論基礎。 隨后，人 嘗試通過對 彈性模量 的研究，找出其 對板料回彈的影響。 板料成形模擬的靜態(tài)隱式算法和動態(tài)顯示算法 結合起 ，以此 來求解回彈問題是一種十分 的方法 。 隨著人們不斷的追求車身輕量化并將鋁和強度鋼等材料大量用于車身上 。 板材沖壓成型所出現(xiàn)的質量問題也越來越得到人們的重視 ， 由此對其進行了大量的分析和研究。 析 了 工藝參數(shù)（ 如 凹模圓角半徑 摩擦系數(shù) μ、凸凹模間隙 C 等）對 U 形件成形后質量的影響，其分析 結果表明： 增加凹模圓角半徑和凹凸模空隙并減小摩擦系數(shù)會加重 零件的回彈現(xiàn)象。此外， 人也用汽車 輪轂 和頂蓋作為研究對象， 對其進行了 研究 分析 。 還有 人 通過 有限元模擬方法，針對不同形狀配件的模具進行回彈迭代補償，使最后 成形后的零件 剛好與零件本身的設計要求相符。究了板料回彈的 影響因數(shù) ，他 認為材料參數(shù)的波動變 對回彈缺陷的影響 化非常敏感， 此外， 對 于 高強度板的大回彈問題， 他 提出了工藝參數(shù)優(yōu)化控制和考慮板料變形歷史的模面迭代補償控制方法。 內研究情況 我國對于此類 的板料成形 質量 題研究時間比較短，但也取得了一定成果。 首先由付寶連 等人 創(chuàng)立 了金屬成形過程的回彈最 最小余能原理 和小勢能原理 ， 并將該原理運用于 曲梁回彈變形 和 懸臂梁回彈變形計算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進行數(shù)值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質力學及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動力顯式算法，并開發(fā)了有限元分析程序 楊光等針對板材成形后的切邊回彈問題，發(fā)明了基于大變形彈塑性有限元理論的切邊處理技術 法。章婷等 人 采用 術，通過建立正交優(yōu)化試驗對 U 形件進行沖壓回彈仿真研究，得出影響鋁合金板料成形和回彈精度的數(shù)值模擬參數(shù)。 在回彈控制方面，張立力等 人 針對板材成形中的回彈補償問題，通過采用通用機械軟件 件 開發(fā)的回彈補償?shù)哪＞咴O計系統(tǒng)，提出了一個根據(jù)工件的幾何形狀和回彈誤差來進行模具補償?shù)姆椒ā? 車保險杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢 無論汽車技術怎樣發(fā)展，人們在研究汽車輕量化的同時， 汽車的安全性仍會被人們放在首位。 如果一輛汽車車身重量很輕，節(jié)能減排的效果十分出色，但也喪失了其基本的安全保障能力，那么，這樣的汽車也必將不會被人們接受，因此，在降低車身北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 3 質量的問題上，選擇合適的材料十分重要。由于鋁合金具有諸多優(yōu)點，使用鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材在汽車車身上使用， 不僅 能最大限度的降低車身質量 ， 而且 在 提高汽車的機動性能和 高乘客的舒適性及 安全性 的方面， 也 具 有這顯著效果 。正是由于這些原因， 現(xiàn)如今全球 各大汽車公司為了 在保證汽車安全性的同時降低車身質量 ，都 在不遺余力的研發(fā)鋁合金車身零部件 乃至 全鋁車身。 而保險杠 作為汽車上的一個重要 零 部件， 當汽車受到外界撞擊時，它能有效的減緩外界沖擊， 保護車內乘客安全，在一定程度上還能保護車身不被嚴重破壞。 所以 無論是傳統(tǒng)車型還是近幾年興起的新能源車型， 都無法舍棄這一裝置，而 且因其工作時將承受巨大沖擊載荷， 制作材料要求具有高強度、高硬度等特點。鋁合金材料不僅能滿足這一要求，而且還能大大降低其自身重量， 當然會首先進入人們的視線。 因此，用鋁合金材料制作保險杠及其相關組件，將會有很好的發(fā)展趨勢。 車保險杠鋁成型組件缺陷分析 由于汽車保險杠鋁成型組件 的 形狀較為復雜， 其 幾何尺寸較大， 而且在實際生產中，模具總是在不斷的打開和關閉，致使 板料與模具 不斷接觸，另一方面，由于沖壓過程中板料 所受載荷路徑極為復雜， 因此很難保證在沖壓過程中材料不會出現(xiàn)失穩(wěn)變形的情況。而 為了保證零件表面質量和裝配精度，這些 諸如起皺、破裂、回彈等質量問題 是 絕對不允許出現(xiàn)在零件上的，這就增加了 零件成型模具開發(fā)設計 工作的難度，以下將 針對上述的主要缺陷進行分析。 皺 起皺是保險杠 鋁成型組件沖壓成型過程中 比較普遍 的 質量 缺陷之一 。 它是由于材料 在塑性變形過程 中局部壓應力過大而出現(xiàn)的 不均勻變形。 由于是板材沖壓成型 ， 受壓材 料一般較薄， 因此 在成型 的過程中厚度方向上的變形很不穩(wěn)定。材 料內部的壓應力一旦超過材料在厚度方向上的失穩(wěn)極限后，便會產生失穩(wěn)起皺。 如圖 1示。 當然，除此 之外，成型過程中 往往還跟 隨著一些 不均勻拉應力、剪應力或板內彎曲應力 等，這些因素 也可能使 板材出現(xiàn)起皺缺陷。起皺缺陷會對 此類 尺寸精度和表面 質量要求較高的車身覆蓋件 會 產生極大影響， 若起皺過于嚴重，則零件將直接報廢， 造成資源浪費。 圖 1險杠組件起皺缺陷 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 4 解決此類零件起皺問題時， 一般 在保證 產品使用功能不喪失 的前提下 通過調整 零件的形狀、采用合理的沖壓工藝、改善沖壓條件和材料性能及 優(yōu)化 模具設計制造等，最終達到改善和消除起皺缺陷的目的。 裂 破裂也是汽車保險杠鋁成型組件沖壓成型過程中常見的缺陷之一，它是材 料在成型 的 過程中拉伸 過度導致 失穩(wěn)的一種主要表現(xiàn)形式。板料變形過程中 在其 內部 會 存在拉應力 相對集中區(qū)域，隨著變形的不斷加大，當某處材料所受到的拉應力 過大， 接近或超過材料本身的 最大抗拉強度時 ， 材料就將出現(xiàn)拉裂或拉斷現(xiàn)象，也就產生了破裂的缺陷 。 保險桿鋁成型組件拉延過程主要在以下兩種 區(qū) 域 容易 出現(xiàn)破裂：一種是出現(xiàn)在 材 料 的 傳力區(qū)，主要 原因是 由于材料強度不夠， 這種破裂缺一般延伸至零件邊緣，如圖 1示。 另 一種破裂 容易 出現(xiàn)在零件大的塑性變形區(qū)， 主要是材料的塑性無法滿足拉延變形要求而引起的 ，如圖 1示。 無論是上述哪種破裂形式，此種 缺陷 在實際生產中 會 直接影響著產品的成形質量， 導致產品報廢，因此 在實際生產中絕不允許出現(xiàn)此種缺陷。 圖 1險杠組 傳力區(qū) 件破裂缺陷 圖 1險杠組件塑性變形區(qū)破裂缺陷 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 5 在 板材 沖壓成型過程中， 存在很多容易導致板材破裂的因素 。為防止 此種缺陷的產生 ， 一般采取以下措施：可根據(jù)最終產品的具體情況選擇合適的毛坯 形狀和尺寸；采用機械性能較好的材料作為零件材料； 此外，可 在條件允許的情況下，增大拉裂區(qū)域的凸凹模圓角半徑；修正模具 的參數(shù)，并 提供良好的潤滑條件 等。 彈 起皺缺陷和 破裂缺陷， 究其原因 都是由于板料在沖壓成型過程中 內部 應力變化造成的，然而，除了上述兩種常見缺陷外， 在保險杠組件 實際生產 過程中，還有一種常見缺陷， 它主要由 材料本身的性能決定， 且往往發(fā)生在沖壓成型之后， 那就是回彈缺陷，眾所周知，金屬板材在沖壓成型時發(fā)生的變形形式主要包括兩種 ：彈性變形和塑性變形。 當沖壓成型 結束后 ，由于模具和零件分離，而金屬板材本身具有彈性， 因此在無外部壓力的情況下 ， 沖壓之后的板材部分區(qū)域會出現(xiàn)彈性回復的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象往往導致成形后零件的實際尺寸值與標準值存在偏差，當然，對于零件的實際形狀 也會產生很大影響， 這種現(xiàn)象就稱之為回彈現(xiàn)象。 汽車保險杠組件主要以彎曲變形為主，因此產生回彈現(xiàn)象是不可避免的。 回彈現(xiàn)象對零件的成品質量影響很大， 當回彈 的 量過大且 超過 零件 允許誤差后 ，零件就將直接報廢， 因此，回彈也是 影響零件質量的 重要缺陷。 實際生產過程中很多因素都可能導致最終零件產生回彈現(xiàn)象。除了材料本身的性能外 ， 還有模具的間隙和零件本身的形狀，以及 壓邊力、摩擦接觸等因素 都對回彈有較大影響 。解決回彈問題，要根據(jù) 零件 件的具體形狀、尺寸及成型過程的變形特點 等進行具體分析。 文研究的主要內容 本文將以汽車保險杠鋁成型組件為例，并結合 限元分析軟件，模擬保險杠組件沖壓 成型過程，分析現(xiàn)有工藝狀況及實際生產條件， 找出其中容易導致產品成形后出現(xiàn)起皺、破裂、回彈等缺陷的 因素，并依據(jù)分析結果，結合企業(yè)實際生產條件，對沖壓成型工藝做出合理優(yōu)化，力求達到提高最終成品率的目的。 具體工作內容如下： （ 1） 研究背景及研究意義簡要介紹； （ 2） 板材沖壓有限元分析基本理論說明，包括相關軟件介紹，材料特性，材料屈服、硬化準則，接觸算法，加載卸載法則以及三維模型建立等內容； （ 3） 研究對象的工藝特點及工藝分析； （ 4） 對模型進行有限元分析 ，研究其變形狀況，為工藝優(yōu)化做準備； （ 5） 結合有限元分析內容，提出幾點符合企業(yè)實際情況工藝優(yōu)化措施，并對現(xiàn)有工藝適度改進優(yōu)化； 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 6 （ 6） 通過現(xiàn)場實驗，對優(yōu)化后的工藝進行驗證，并與優(yōu)化前的結果作對比，記錄相關實驗數(shù)據(jù)。 （ 7） 對研究結果做出總結。 章小結 本章主要對研究內容做了一個簡要說明，分析了課題研究意義、國內外發(fā)展狀況以及相關技術的發(fā)展趨勢，并從針對本課題的具體對象，簡要介紹其實際生產中常見的缺陷類型。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 7 第 2 章 板材沖壓有限元分析理論 件介紹 件 由 美國 司 開發(fā) ，是 一款功能 十分 強大的 大型通用有限元分析（ 件， 同時也 是 目前全球 范圍內增長最快的計算機輔助工程（ 件 。它 能與 大部分的 計算機輔助設計 軟件 （ 接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的 共享 以及 交換。是融 合 了 流體、電場、 聲場 、 磁場 、 結構 分析 等 于一 身 的大型通用有限元分析軟件 。而 自 始， 司 便 推出了 經典版 ）和 兩個 不同 版本，并且目前均已開發(fā)至 本。 其中， 司提出的協(xié)同仿真環(huán)境， 目的是 解決企業(yè) 在 產品研發(fā)過程中 常見的 件 異構問題。 它不但繼承了 面在有限元仿真分析上的大部分強大功能，還提供了 向參數(shù)鏈接互動、項目參數(shù)自動更新機制、全新的參數(shù)和無縫集成優(yōu)化設計工具等，使得 “仿真驅動產品設計”方面達到了前所未有的高度。可以說， 正實現(xiàn)了集產品設計、仿真、優(yōu)化功能于一身 ，可以幫助設計人員完成在同一平臺上完成產品研發(fā)過程的所有工作，從而大大縮短了產品研發(fā)周期，加快了上市步伐。 本課題研究所用的 為 本。 它是一個集成框架，整合了現(xiàn)有的各種應用并將仿真過程集成在同一界面下， 其主要有三個模塊組成，分別是： ? 何模型 建立模塊 ，為 后續(xù) 分析做準備。 ? 用 分析模塊實現(xiàn)網格劃分，用來求解以及后處理，包括常見的 。 ? 用于研究變量（幾何、載荷等）對響應（應力、頻率等）的影響，可實現(xiàn)優(yōu)化。 除了以上三個主要模塊， 很多其他模塊，其中比較典型的有：進行全隱性耦合算法的 于專業(yè)渦輪葉片設計的 于爆炸等場合的高度非線性顯示動力學分析的 些模塊將 造成了應用極廣的有限元分析軟件。 料的特性 本文研究的例子是保險桿組件，屬于汽車覆蓋件的一種。而汽車覆蓋件的 原 材料一般為金屬材料，本例也不例外。 該組件使用的原材料是鋁合金，牌號為 其泊松比 μ＝ 性模量 E＝ 72體規(guī)范如 表 2 所示。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 8 項目 名稱 數(shù)值 單位 尺寸（長 *寬） 980× 380 度 10% 度 2160± 10% g/花高度 0.5 裂伸長率 >=38% /50拉強度 70～ 80 分 鋁（ >=g 硅（ 0～ g 銅（ 0～ g 鎂（ 0～ g 鋅（ 0～ g 錳（ 0～ g 鈦（ 0～ g 釩（ V） 0～ g 鐵（ 0～ g 其他 0～ g 表 2材料基本信息 1050A 鋁合金主要成分是 工業(yè)純鋁， 其 含量 高達 （質量分數(shù)） 上 ， 所以 ，1050A 鋁合金 的熔點比較低， 不可運用熱處理的方法來加強它本身的硬度 。 但是 它 的塑性 特別好 ， 在沖壓成型方面有很大優(yōu)勢，易被加工成各種形狀。 不僅如此， 1050導電性和導熱性也十分出色 。 因此， 在制造領域 1050A 鋁合金被 廣泛 使用，并 應用于 各種各樣的產品 。 料的屈服準則 金屬材料在受到外力作用的過程中，其自身性能以及它受到的應力狀態(tài)會使它由彈性變形逐漸向塑性變形過度。在 同等 條件下，金屬材料的屈服極限僅由應力狀態(tài)決定，當金屬材料受力時，材料內部的質點由彈性狀態(tài)逐漸過度到塑性狀態(tài)的準則，稱之為為屈服準則。 對于金屬材料而言，常用的屈服準則主要有以下幾種： 服準則 材料 的 塑性變形與 其受到的 最大切應力 之間 存在某種關系， 當 最大切應力 的值 達到某一特定值 （ 即材料單向拉伸或者壓縮時屈服強度值（ ）的一半）時，材料就會發(fā)生屈服。 服準則可表示為： 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 9 （ 2 式 中 —— 材料的最大切應力 （ N/ —— 材料的屈服強度 （ N/ 從上式可以看出，當材料的最大切應力達到屈服強度的一半時，材料就將進入并保持塑性變形狀態(tài)，而和另外的兩個差值沒有關系。 服準則 計算 雖然簡單，但只能 看出是否發(fā)生屈服與最大主應力和最小主應力的關系，無法反應第二主應力的影響。 服準則 服準則是在 1913 年由德國力學家 對 服準則作了進一步的彌補和改進之后提出的，該準則指出，在一定的變形條件下，不管物體處于什么狀態(tài)，一旦其 所受 應力的三個主應力組合符合 某種 特定條件， 則 材料的屈服準則可表示為 服準則于。 與 服準則 相比，凡是 通過 服準則 來 描述的材料 ，都 是各向同性的，即 當 材料內 部 任意一點的等效應力達到屈服極限時， 那么該點就 會進入塑性變形狀態(tài)。 服準則 采用三個主應力的函數(shù)表達式如下： ( ) [ ] （ 2 式中 —— 材料內部的等效應力 （ N/ 料的硬化準則 在金屬塑性變形過程中，隨著應變的增加，應力會急劇增大，此時就會發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，而硬化準則 就是用數(shù)學表達式來描述 材料變形 過程中 所受 應力與 自身 應變之間 的關系。金屬板料塑性變形中的硬化準則主要描述了材料發(fā)生塑性變形后初始屈服準則隨著塑性應變增加的變化規(guī)律。硬化關系式可用如下一個基本方程表達： ( ) （ 2 式中 —— 材料所受應力 ； —— 材料應變。 通常，我們 根據(jù) 材料在發(fā)生硬化過程中 加載曲面變化的不同， 一般將 材料的硬化準則簡化為三種 形式，分別為 ： 各向同性硬化準則、隨動硬化準則、混合硬化準則。 向同性硬化準則 有的材料在變形過程中，材料內部各個方向上應變量會 始終保持某一固定比值逐漸增加或者減少，這種特性就是各向同性。當計算各向同性材料的變形時，需要采用的硬化準則即為各向同性硬化準則。當 材料 所受應力使其 達到屈服極限后， 材料的 屈服面 向各方向擴展時，會 基于同一中心勻地 向個方向擴展 ，如圖 2示。假如材料在變形過程 中 一直保持 各向同性， 且 忽略各向異性對變形的 影響，那么 后繼屈服函數(shù)北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 10 的表達形式 將與 初始屈服函數(shù) 的表達形式保持一致 。 可用如下表達式表示 材料各向同性硬化準則： ( ) ( ) （ 2 ??? （ 2 ? ∫√ （ 2 ( ) ? （ 2 式 中 k —— 硬化參數(shù)； —— 等效塑性應變。 圖 2向同性強化模型 動硬化準則 并 不是所有材料在成型過程中都 保證按各向同性的規(guī)律進行變形，因此各向同性硬化準則對于此類材料并不適用。這些材料在變形時，屈服面的大小、形狀、方位都不發(fā)生變化，而是在屈服方向上 作一個剛體移動，如圖 2示，這種特性我們可以稱之為隨動性。計算這類材料的變形情況時，我們所用的硬化準則稱為隨動硬化準則。隨動硬化準則的表達式可用如下關系式表示 ： =0 （ 2 式 中 —— 屈服面中心的位置變化 （ 圖 2動硬化準則模型 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 11 合硬化準則 除了上述的兩種變形情況外，某些材料在變形過程中，不僅屈服面的大小在應力作用下發(fā)生變化，而且其位置也會發(fā)生變化，遇到這樣的變形情況，無論是各向同性硬化準則還是隨動硬化準則都不適用，這種情況下的之為混合硬化準則。顧名思義，混合硬化準則包含了 各向同性變化和隨動變化過程中的屈服行為，變形過程中屈服面的 形狀、大小和中心位置都在應力空間中發(fā)生變化，因此對板料成形過程中的應力 與應變 之間的關系描述得 更加 準確 ?；旌嫌不瘻蕜t將塑性應變增量分解為兩部分， 適用于各向異性材料， 表達式如下： d （ 2 式中 —— 屈服曲面擴張時的塑性應變增量 （ ； —— 屈服曲面移動的塑性應變增量（ 因此， 混合硬化準則的函數(shù)表示為： ( ) （ 2 ? （ 2 ? ? （ 2 式中 M —— 材料 在發(fā)生 塑性行為 時 的混合硬化參數(shù)，一般 在 1 之間取值 。 壓過程 應力加載和 卸載法則 當板料受壓達到屈服極限并進入塑性變形狀態(tài)以后，由于受到變形過程中載荷的加載路徑以及 加載歷程的影響，板料內部的應力和應變都不再是線性關系。材料 進入屈服 狀態(tài) 后 ，其 塑性應變增量的方向可以 依靠沖壓過程中應力加載和卸載法則進 行精確預測和 判定， 由此便可 確定板 料處 在不同狀態(tài)下 的本構關系。對于硬化材料 來說，判 斷 板料是否 會 繼續(xù)發(fā)生塑性變形的準則如下 ： （ 1） 如果 ， 則 板料將處于彈性狀態(tài) ； （ 2） 如果 ＝ ，且 , 則板料將處于繼續(xù)塑性加載狀態(tài) ； （ 3） 如果 ＝ ， 且 則板 料 將 由塑性狀態(tài)按 照 彈性卸載 ； （ 4） 如果 ＝ ，且 ， 則材料處于加載的過渡狀態(tài)，此狀態(tài)下板料 不會產生新的塑性 流動 ， 而是始終保持塑性變形狀態(tài)。 壓過程 接觸算法 汽車覆蓋件沖壓成型 的有限元分析是 十分 典型的復雜非線性 靜力分析 求解過程，因為在成型過程中模具與板料總是動態(tài)變化的 處于接觸和摩擦狀態(tài)。 而諸如此類的 數(shù)北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 12 值模擬過程 中 通常 采用的處理方法主要 有三種， 分 別 為： 拉格朗日接觸算法、罰函數(shù)接觸算法以及 非線性罰函數(shù)接觸算法。 格朗日算法 在 拉格朗日算法 中， 不會 發(fā)生從節(jié)點穿透主動面的現(xiàn)象。該方法把 接觸力以未知量的 方式 帶入到運動方程中，并 且引入拉格朗日因子 ， 再 通過 將各方程 聯(lián)立 成方程組，以此 求解 出接觸力大小。因此拉格朗日算法得出的計算結果 較 為 精確， 當接觸非常高時，就 適合 用此算法來求解。需要注意的是，拉格朗日 對 于 模具網格形狀 的 質量要求非常 高， 在網格劃分時， 任何單元 都不允許出現(xiàn)不連續(xù)或者 交叉重疊 現(xiàn)象 ，也不允許存在 初始穿透的 現(xiàn)象 。 除此之 外， 在運算 處理過程中 ，由于所 聯(lián)立程組 比較復雜，計算消耗量會比較高。 函數(shù)接觸算法 與拉格朗日算法相比較，用 罰函數(shù)接觸算法處理接觸問題時 ， 具有 穩(wěn)健以及高效的優(yōu)點， 罰函數(shù)接觸算法 幾乎可以用 來處理 任何板材 在沖壓成型模擬過程中 的接觸計算 。這種 算法的具體處理原則 為 ： 若出現(xiàn)從動面節(jié)點穿透 主動面的現(xiàn)象，那么 一個界面法向接觸力 就會在 主動面和從動面 之間產生，而且 隨著穿透深度的增加，此 接觸力也會隨之增大。 罰函數(shù) 的數(shù)值就是 表示 在模具與板料的 接觸過程中相應的接觸力大小。用 此種接觸算法模擬過程 時，可能在模具與 板 料之間會出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，因此應力計算的結果不是十分準確。 此外， 罰函數(shù)接觸算法 模擬計算的 精度以及 穩(wěn)定性與接觸剛度比例系數(shù) 的 設置是否合理有很大關系。 線性罰函數(shù)接觸算法 從本質上來 說， 非線性罰函數(shù)接觸 算法 其實 還是屬于罰函數(shù) 接觸 算法。與 上述 的罰函數(shù) 接觸 算法相比 較 ， 這種算法 只是在 接觸力計算方法和接觸搜索方式 上略有 所 不同。 非線性罰函數(shù)接觸算法 在判斷 是否有 接觸 發(fā)生時， 先將從動面 的節(jié)點看成 是球體，該球體的直徑即為材料厚度，如果 球體 和 主動面 之間 存在穿透 現(xiàn)象 ，則 可以 確定 二者之間發(fā) 生了接觸。 所以在 使用 此 算法 的 過程中，模具的法 線方 向不需要 全部 指向 受壓材 料。在接觸力 的 計算過程中，衡量懲罰強度的罰因數(shù)不再保持 不變，而是 以非線性變化 呈 現(xiàn) 。因此在 此種 算法中， 幾乎不可能出現(xiàn) 從節(jié)點穿透主動面 的情況 ， 計算精度也就比 傳統(tǒng)的罰函數(shù)法 要高。 維數(shù)模建立 本文的研究對象是汽車保險杠鋁 成型組件，在進行有限元分析之前，必須先建立零件及模具的三維模型 。在 ，有專門用來建立模型 的模塊，及稱 塊，因此可以直接在 建立待分析的模型。當然，模型建立也可以采用常用的繪圖工具來實現(xiàn)，如 華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 13 。 此次分析的模型采用 5立，分別建立了產品零件圖、模具裝配圖等模型，建立結果如圖 2圖 2示。 圖 2險杠組件零件圖 (a) (b) (c) (d) 圖 2具裝配圖 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 14 章小結 本章主要介紹一般有限元分析過程中常用的算法及理論，為后續(xù)有限元分析部分做準備，除此之外，分析過程中需要的三維數(shù)模以及分析軟件也在本章做出了說明。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 15 第 3 章 保險杠組件 沖壓成型工藝 險杠組件沖壓成型的 的工藝特點 此次的研究對象保險杠組件是由 鋁合金 板料 沖壓成型的， 而諸如此類沖壓成型工藝 的特點是 原材料 厚度方向上的變形 比起長寬兩個 方向 的變形來說是十分微小 。 在實際生產中， 板料沖壓成型時 其變形形式 主要 包括 以下幾種：雙向拉伸、 單向拉深、深拉延、 平面應變、 彎曲以及 反彎曲。 一般可以將板料的沖壓成型看成是一個準靜力過程， 即在成型 過程 中 ， 加速度和 速度可以忽略 不計 。 此外，與一般的沖壓產品相比，諸如保險杠組件 之類的零件 都 具 有形狀復雜、 材料 厚度 薄、多為空間曲面、 表面質量高和 結構尺寸大等特 點，因此 ，這類零件 的沖壓工藝、模具設計 以及模具制造工藝也存在其特有 的特點： （ 1） 由于此類零件成型過程中拉延時要求進料阻力必須均勻，所以拉延模的拉延筋應多加在原材料容易流動的區(qū)域，而對于原材料不易流動的區(qū)域可以減少或者不加拉延筋，甚至可以在這些區(qū)域增加潤滑。所以，為保證材料各部位的變形趨于均勻，防止零件發(fā)生起皺現(xiàn)象 ，應該 合理 的 布置拉延筋 ，以此來 改善 壓邊圈下 拉延毛坯的流動條件 。 （ 2） 在變形過程中，一般而言沖壓件的毛坯變形都十分復雜 ， 而且 材料 在各個方向的變形都不 均勻， 因此在計算毛坯的拉延可能性及拉延次數(shù)時不能 直接使用拉延系數(shù)進行 簡單 的 判斷和計算。 只能通過類比的方法， 經生產 現(xiàn)場 調整 并 確定。 （ 3） 零件上某些部位的變形深度較淺，這些部位的材料得不到充分的變形， 容易出現(xiàn) 起皺 現(xiàn)象 ， 而 且剛性 還不夠。這種情況下 需 使 用拉延檻來 增加模具 壓邊圈下 的材料 流動阻力，使 材料在 拉延時 可以充分的發(fā)生 塑性變形， 以此 保證 零件 修邊 以 后彈性變形 減小 ，剛性 也滿足要求。