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【論文關(guān)鍵詞】:有限元;數(shù)值模擬;汽車覆蓋件;拉延

【論文摘要】：針對汽車覆蓋件沖壓的有限元模擬方面的具體問題進行了研究，采用彈塑性有限元的數(shù)值模擬及試驗研究的方法，對汽車覆蓋件拉延過程中的成形進行了研究。針對拉延模擬結(jié)果進行應(yīng)力應(yīng)變分析，尋找工藝參數(shù)的優(yōu)化方案，改進的工藝方案使破裂情況明顯改善。

由于沖壓工藝具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、成本低以及可加工復(fù)雜形狀等一系列優(yōu)點，在機械行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，占有十分重要的地位[1]。但是沖壓模具的設(shè)計主要依據(jù)工程師長期積累的經(jīng)驗。對于復(fù)雜的成形工藝和模具，設(shè)計質(zhì)量難以得到保證;一些關(guān)鍵性的設(shè)計參數(shù)要在模具制造出來之后，通過反復(fù)的調(diào)試、修改才能確定。這樣就浪費了大量的人力、物力和時問[2-3]。隨著有限元技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已逐漸成為工藝分析及優(yōu)化設(shè)計的有效工具。

1.有限元模型的建立和參數(shù)設(shè)定

一般汽車覆蓋件工藝設(shè)計流程具體分析如下:(1)根據(jù)產(chǎn)品圖及產(chǎn)品沖壓工藝設(shè)計，進行詳細(xì)的車身產(chǎn)品工藝性分析。為了實現(xiàn)拉延或創(chuàng)造良好的拉延條件，必須合理考慮沖壓方向、工藝補充部分形狀以及壓料面形式、拉延筋布置等重要工藝因素。其中包括利用計算機進行的工藝補充面三維設(shè)計。(2)在滿足產(chǎn)品使用的前提下，將過剩的質(zhì)量要求及時反饋給產(chǎn)品設(shè)計部門，進行研討，力爭把產(chǎn)品完善到最簡單、最合理的工藝要求，以克服產(chǎn)品的過剩質(zhì)量，減少不必要的工裝投入。(3)利用計算機進行車身產(chǎn)品的沖壓工藝性分析，進行圖面形狀的分析探討和尺寸公差的分析研究，在充分理解、把握產(chǎn)品使用性能要求的前提下，考慮用戶使用和維修，利用塑性加工原理、沖壓工藝知識和模具設(shè)計結(jié)構(gòu)的有關(guān)知識，設(shè)計沖壓工藝過程圖。在設(shè)計過程中，同時要分析沖壓工藝方案，發(fā)現(xiàn)不足之處，進行必要的修正。(4)模具設(shè)計人員按照沖壓工藝過程圖的基本要求進行模具設(shè)計，模具CAD設(shè)計包括上、下模座，工作部分零件，導(dǎo)向部件，定位零件和進出料裝置等設(shè)計。數(shù)控編程和模型人員按照沖壓工藝過程圖和模具圖進行數(shù)控編程和模型制造，最后按照沖壓工藝過程模具圖要求進行機械加工和模具裝配調(diào)試，最終調(diào)試出合格的產(chǎn)品。

選用某轎車內(nèi)部地板零件產(chǎn)品圖，此零件是一個比較復(fù)雜的中小型車身結(jié)構(gòu)件。由于零件拉延深度深，并且具有局部反拉延，因此成形過程估計會出現(xiàn)問題，為了驗證問題所在我們利用CAE軟件進行模擬成形計算。對于復(fù)雜沖壓零件的成形過程，不但同一時刻不同位置的板坯所承受的變形方式和變形程度不同，而且不同時刻同一位置的板坯所承受的變形方式和變形程度也不同;另外，沖壓工藝邊界條件的設(shè)定對變形路徑和各部分的變形程度的影響也非常明顯。

一般劃分網(wǎng)格時，首先建立一個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。這一步驟是連接分離的型面，使你可以在網(wǎng)格劃分的時候得到連續(xù)的網(wǎng)格(兩個相連的元素在分界線之問共同享用相同的節(jié)點)。系統(tǒng)能通過你所定義的公差自動辨認(rèn)普通表面之問的分界線，以建立我們所說的拓?fù)淠Ｐ?。建立好拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以后，應(yīng)定義網(wǎng)格劃分的參數(shù)，并進行網(wǎng)格的自動劃分。一般情況下要求用戶最少確定四個參數(shù)，包括最小元素大小，最大元素大小，兩個相連的元素之問的法向夾角，網(wǎng)格的弦高。最小元素的大小影響著網(wǎng)格劃分中最小元素的尺寸。當(dāng)模型的型面比較平坦時它最大元素的大小則受最大元素參數(shù)的影響。兩個相連的元素之問的法向夾角所起的作用是規(guī)定了兩個相連元素之問的最大法向夾角，即當(dāng)兩個元素的夾角大于用戶給定的值時，這兩個元素會分裂為更多的元素，故它影響著倒角和小圓角部分的網(wǎng)格密度，它的值越小網(wǎng)格則越密。例如:一般我們在劃分模具網(wǎng)格時，它的拉延圓角最好有五行元素，這時調(diào)整法向夾角的參數(shù)就可以達到目的。弦高的大小則影響著大網(wǎng)格半徑表面上的網(wǎng)格密度，它的值越大，則網(wǎng)格越少。在汽車覆蓋件模擬中，板料數(shù)據(jù)一般都是曲線，因此板料的網(wǎng)格劃分與模具的劃分不一樣。

根據(jù)實際需要確定板料特性，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系=537(0.0102+)0.23MPa，法向各項異性系數(shù)為1.8。其他參數(shù)如下:揚氏模量2.07E+5MPa;屈服極限210MPa;泊松比0.28;板材厚度0.8mm;板料質(zhì)量密度7.83E-9;r0=1.87,r45=1.27,r90=2.17。由于摩擦系數(shù)必須有實驗得出，特別是幾種常用材料在工業(yè)生產(chǎn)中的實際摩擦系數(shù)?？紤]到汽車覆蓋件生產(chǎn)廠家和模具生產(chǎn)廠家的實際，一般不考慮使用潤滑油，在拉延前要使用清潔防銹油清理兼潤滑。因此我們必須通過試驗來得出在幾種不同條件下的摩擦系數(shù)，例如干摩擦和加清潔防銹油后的摩擦。還有就是拉延筋的拉延阻力在不同形狀拉延筋情況下的取值。測定為此我們設(shè)計了覆蓋件模具的摩擦系數(shù)和實際拉延筋拉延阻力的測定的試驗，詳細(xì)試驗結(jié)果在第六章中。摩擦系數(shù)根據(jù)測量結(jié)果給定0.175,拉延筋選取單圓筋，拉延阻力為0.178KN/mm。

2.汽車覆蓋件沖壓的有限元模擬結(jié)果分析

經(jīng)過計算后，板料的FLD如圖2所示。在FLD圖中，紅色表示破裂，粉紅色表示起皺，而在應(yīng)變云圖中紅色表示正應(yīng)變，深藍(lán)表示副應(yīng)變。從FLD圖中我們可以看出四處破裂，分別是大鼓包處，凹坑底部，最下方的小鼓包處，右上方的直壁處。通過主應(yīng)變和次應(yīng)變云圖可以看出在突起的鼓包頂端處為雙向拉應(yīng)變發(fā)生破裂，并目_從板料輪廓的變化發(fā)現(xiàn)在有拉延筋的地方板料兒乎沒有流動，形成過度脹形，凹坑底部破裂處也同樣出現(xiàn)脹形過度問題。而模具拉延直壁處的破裂卻是不同形式的，該處的主應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，次應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，為明顯的拉深破裂狀態(tài)。之所以只有這個直壁角破裂是因為這個角離大鼓包最近，并且通過成形過程的模擬我們發(fā)現(xiàn)這個直角壁首先成形，從而在凹坑成形前破裂。其它四個角由于拉延高度低并且沒有復(fù)雜的凸凹變形，都有足夠的板料流動量，板料的流動情況良好，所以沒有破裂。

3.汽車覆蓋件沖壓工藝改進方案

在去掉拉延筋，變化壓邊力后還是無法緩解，于是決定改變模型，我們把拉延直壁消除降低了模具拉延高度;把型面中那一個接近大直角型面過渡改為一個小緩坡，減緩了陡峭程度;由于模具進料困難，所以去掉拉延筋，然后設(shè)定壓邊力為400KN,摩擦系數(shù)為0.12，進行模擬后如圖4所示?？梢钥闯雠c未改前的情況有很大的不同，破裂情況明顯改善，尤其是右上角直壁處的破裂變得很小，這是由于降低了它的拉延高度。

4.結(jié)論

世界上每年的鋼材有半數(shù)以上被軋制成板料和管料。金屬板、管的成形和加工在航空、航天、汽車、船舶及許多民用工業(yè)中都占有相當(dāng)重的比例。因此，提高相應(yīng)的成形技術(shù)和制造水平是一個具有普遍意義的大課題。因此，文章在汽車覆蓋件數(shù)值模擬和試驗研究的基礎(chǔ)上，采用有限元的數(shù)值模擬及試驗研究的方法，對汽車覆蓋件拉延過程中的成形進行了數(shù)值模擬和試驗研究。

參考文獻

[1]李東升,黃小明,胡世光.汽車覆蓋件拉延筋的單元模擬試驗研究[D].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，1995.21(2):67-71.

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[3]何丹農(nóng),陶宏之,包向軍,等.拉深用潤滑劑的摩擦系數(shù)和壓邊力的關(guān)系研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2000,20(3):223-225.