CAE技术在汽车翼子板拉延模具设计中的应用

HEATS

1　前言
　　薄板冲压成型在汽车制造中是一种十分重要的制造技术。汽车覆盖件大都采用薄板冲压而成,其模具制造周期影响汽车的制造成本以及新产品开发的周期。目前,国外汽车界提出了3Ｒ战略,即:缩短产品的市场化周期、降低产品开发费用和减轻汽车的质量。其中一个重要环节就是降低车身覆盖件模具的制造费用和减少生产周期。
　　冲压工艺与模具设计是薄板冲压成型技术的关键,由于冲压成型过程是一个非常复杂的物理过程,涉及力学中的三大非线性问题。①几何非线性(冲压中板料产生大位移、大转动和大变形);②物理非线性(又称材料非线性,指材料在冲压中产生的弹塑性变形);③边界非线性(指模具与板料产生的接触摩擦引起的非线性关系)。这些非线性的综合,加上不规则的工件形状,使得冲压成型过程的计算相当复杂,是传统方法无法解决的。传统的模具与工艺设计只能以许多简化和假设为基础进行初步设计计算,然后大量地依靠经验与反复试模、修模来保证零件的品质。这样的方法用于象汽车覆盖件一类的要求精度高、成型性好的大型复杂零件的工艺与模具设计,不仅时间长、费用高,还往往难以保证零件的品质。随着非线性理论、有限元方法和计算机软硬件的迅速发展,薄板冲压成型的计算机仿真技术日渐成熟,并在冲压工艺与模具设计中发挥越来越大的作用。冲压成型过程的计算机仿真实质上是利用数字模拟技术,分析给定模具与工艺条件的所冲压的板料变形的全过程,从而判断模具和工艺方案的合理性。每次仿真就相当于一次试模过程。因此成熟的仿真技术不仅可以减少试模次数,在一定条件下还可使模具和工艺设计一次合格从而避免修模。这就可大大缩短新产品开发周期,降低开发成本,提高产品品质和市场竞争力。

　　2　板料成型过程的显式有限元计算
　　板料成型的CAE软件是基于弹塑性有限变形理论开发的,根据算法的不同分为显式和隐式两大类,它们各有优缺点。文中CADEM软件是采用显式算法。

( F+ [% `( K. j

　　2 1　单元格式
　　采用4节点壳单元,在每个单元的中面定义随动坐标系如下。

. M4 B( j$ k- C* _% D1 y

　　式中rij=rj-ri,ri为节点i的位置矢量,如图1所示。该坐标系与单元一起运动,所有物理量在随动坐标系中定义。经等参插值,得单元中的速度为
　　v=NTvi                                                         (2)
　　式中vi为节点速度矢量;N为插值函数,可表达为
　　N(ξ,η)=Δ+xbx+yby+ξηγ                            (3)
　　式中　Δ=14A[s-(sTX)bｘ-(sTY)by]      (4)
　　bx=14A[(ψTY)ξ-(ξTY)η]                            (5)
　　by=14A[(ψTX)ξ+(ζTX)η]                          (6)

A=14A[(ζTX)(ψTY)-(ζTY)(ψTX)]            (7)
　　γ=14[h-(hTX)bx-(hTY)by]                        (8)
　　式中ζT=[-1,1,1,-1]ψT=[-1,-1,1,1],
　　ＳＴ=[1,1,1,1],ｈＴ=[1,-1,1,-1]
　　式中X、Y为节点坐标矢量,速度梯度为
 v=BV                                                                   (9)

3 f) e1 c5 Z5 A* \2 Z% I

* T( C# l. ?7 z

! M6 \% L9 C& h

　　2 2　控制方程
　　板料成型系统必须满足Hu Washizu变分原理,经简化得
　　δ UT(∫Ω BTσdΩ+M¨U-FExt-Fc)+
　　δ∫Ω∑T(B-B)vdΩ=0                                 (11)
　　式中Fext为外力矢量,Fc为接触力矢量,M为质量矩阵,σ为Cauchy应力张量,∑为假定的应力场,B为应变-位移矩阵, B为假定应变场的应变-位移矩阵, U为节点速度矢量,¨U为节点加速度矢量,Ω为边界域。选择应力场∑满足
　　∫Ω∑Ｔ(B-B)ｖｄΩ=0                               (12)
　　则控制方程为　M¨U=Fext+Fc-Fint      (13)
　　式中内力为　Fint=∫Ω BTσdΩ               (14)
　　在显式算法中,式(13)求解如下
　　Un=M-1ｎ(Fextn+Fcn-Fintn)                    (15)
 　 Un+12= Un-12+Δt·¨Un                           (16)
　　Un+1=Un+Δt· Un+12                                (17)
确定对角质量矩阵Mn后无须求解联立方程组,即可由式(15)得到n时刻的加速度¨Un,再由式(16)、式(17)得n+1时刻的位移矢量Un+1。

# k- o, \1 W y; X! V* Z

　　2 3　本构方程
　　材料的塑性变形采用Hill的各向异性弹塑性准则描述为

6 K9 a8 b6 N- k4 ^- q4 Y7 k4 w0 s: D

- ~1 Y/ X' d3 U4 y

　　式中εｐ为等效塑性应变。

　　2 4　接触摩擦力的计算
　　接触搜寻采用级域法,它是针对多物体接触体系提出的,避免了主从面法处理多物体接触的不便,并提高接触搜寻效率。接触力用防御节点法计算,防御节点法是一种既能精确计算接触力,又能避免求解联方方程组的算法。在防御节点法中,每个接触对中都增加了一个虚拟的接触节点即防御节点。尽管它是虚拟节点,但它具有一个普通有限元节点具有的所有属性,如速度、加速度和力等。
　　板料与模具间的摩擦力采用非经典的非线性摩擦定律计算,弥补了库仑摩擦定律没有考虑摩擦力与相对滑移量之间关系的不足]。

5 h7 P! Y* I2 }' a5 Z

3　翼子板成型过程的计算机仿真
　　翼子板属于汽车外覆盖件,要经过拉延、修边冲孔、整形、翻边等工序。由于外覆盖件对几何精度、强度、表面光洁度要求较高,所以在全套模具设计中拉延工序最为重要,也是难度最大的。工艺设计不当常常会产生拉裂、起皱等缺陷,给模具调试造成较大的难度。应用仿真软件CADEM可以模拟板料成型的全过程[6-10],及时预测可能出现的拉裂、起皱缺陷,为完善模面设计方案或修模提供依据。

　　3 1　初始拉延工艺设计

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　　初始型面设计主要依靠工艺设计人员的经验完成。如图2是用UG软件完成的几何模型,它包括产品面、补充面、压料面和拉延筋。产品面是由零件的几何形状所决定的;补充面、压料面和拉延筋则是为使产品面达到成型要求而需增加的。因此设计合理的补充面、压料面和拉延筋是获得高品质产品的关键,工艺设计中通常主要考虑以下几方面。
　　3 1 1　压料面　
　　拉延深度的大小在很大程度上决定了产品的成型性。对于外覆盖件来说,衡量成型性好坏,不仅要看产品部分是否有充分的塑性变形,而且要看变形的分布是否均匀。成型性越好,则产品件刚性越好,且回弹小,有利于后序整形获得精度较高的产品零件。压料面的位置是根据适当的拉延深度确定的。初步计算翼子板的拉延深度为50～70mm。
　　3 1 2　补充面
　　做补充面前要去掉产品面中的翻边部分,如有后序整形,可以适当放大产品部分的圆角和降低补充面的斜度。补充面是指从产品面边缘延伸出来到压料面的过渡面,补充面的设计要使拉延面尽可能圆滑,有利于材料的流动。有时为了改善材料的流动状况而增加一些突起等结构。
　　3 1 3　凹模圆角
　　依据经验初步设计凹模圆角半径为10mm。
　　3 1 4　拉延筋
　　拉延筋是用来控制和改善材料流动状况的。初步设计拉延筋圆角半径为6ｍｍ,筋高5ｍｍ。为保证成型件的成型性,并便于调整,采用双拉延筋。因为翼子板是外覆盖件,对产品的表面质量要求很高,布置拉延筋的位置时,要避免产品部分出现啮痕线。

　　3 2　计算机仿真
　　仿真软件CADEM采用的是等效拉延筋模型,这对于修改工艺参数是有利的。因为修改拉延筋的形状和尺寸,是修模的主要手段之一。在初始型面数模中可以不画出拉延筋,通过仿真计算确定合理的拉延筋的尺寸和位置后,再在几何模型中增加拉延筋供加工。图3为凹模的有限元模型,凸模、压边圈的有限元模型是由凹模型面上相应的部分偏置板料厚度的110%派生而成。
　　按初设工艺条件进行仿真计算,板料厚度0.8mm,材料为日本标准的SPCE,摩擦系数取0.12,计算结果如图4所示。从图中可以看出翼子板整体成型性比较好,只是角部颜色较深处会拉裂。

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　　4　工艺改进
　　为消除翼子板角部可能出现的拉裂现象,采取如下改进措施。
　　(1)将拉裂的角上部圆角稍稍加大。该圆角为非产品部分,且还有后序整形,这一改动不会影响产品的最终尺寸要求。
　　(2)将角部的凹模圆角加大至Ｒ12mm,以利于角部材料向里流动。
　　(3)将角部附近的拉延筋高度降低,减少材料向里流动的阻力。
　　(4)可以适当修改坯料的形状,将坯料拉裂处的角部尖角剪去,也可改善材料的流动状况。
　　图5为工艺改进后的仿真结果,拉裂现象得到有效消除。图6为实际冲压结果,可以看出与仿真结果非常一致。

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　　5　结论
　　　由于在生产中引入了CAE分析技术,借助仿真软件CADEM,精确模拟了板料成型的全过程,准确预测了板料在成型过程中可能出现的缺陷,从而在模具加工前及时修改了冲压工艺方案,并通过仿真计算进行验证,提高了冲压工艺和模具设计质量,只需经过少量的修模就可获得高品质的模具,使得修模的工作量减少50%以上。这不仅降低了模具的开发成本,也大大缩短了模具的开发周期。