CAE技術(shù)在汽車翼子板拉延模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-06-22 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

1 前言

薄板沖壓成型在汽車制造中是一種十分重要的制造技術(shù)。汽車覆蓋件大都采用薄板沖壓而成,其模具制造周期影響汽車的制造成本以及新產(chǎn)品開發(fā)的周期。目前,國(guó)外汽車界提出了3R戰(zhàn)略,即:縮短產(chǎn)品的市場(chǎng)化周期、降低產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和減輕汽車的質(zhì)量。其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是降低車身覆蓋件模具的制造費(fèi)用和減少生產(chǎn)周期。

沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)是薄板沖壓成型技術(shù)的關(guān)鍵,由于沖壓成型過程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程,涉及力學(xué)中的三大非線性問題。①幾何非線性(沖壓中板料產(chǎn)生大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大變形);②物理非線性(又稱材料非線性,指材料在沖壓中產(chǎn)生的彈塑性變形);③邊界非線性(指模具與板料產(chǎn)生的接觸摩擦引起的非線性關(guān)系)。這些非線性的綜合,加上不規(guī)則的工件形狀,使得沖壓成型過程的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜,是傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的。傳統(tǒng)的模具與工藝設(shè)計(jì)只能以許多簡(jiǎn)化和假設(shè)為基礎(chǔ)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算,然后大量地依靠經(jīng)驗(yàn)與反復(fù)試模、修模來(lái)保證零件的品質(zhì)。這樣的方法用于象汽車覆蓋件一類的要求精度高、成型性好的大型復(fù)雜零件的工藝與模具設(shè)計(jì),不僅時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高,還往往難以保證零件的品質(zhì)。隨著非線性理論、有限元方法和計(jì)算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展,薄板沖壓成型的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)日漸成熟,并在沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。沖壓成型過程的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)質(zhì)上是利用數(shù)字模擬技術(shù),分析給定模具與工藝條件的所沖壓的板料變形的全過程,從而判斷模具和工藝方案的合理性。每次仿真就相當(dāng)于一次試模過程。因此成熟的仿真技術(shù)不僅可以減少試模次數(shù),在一定條件下還可使模具和工藝設(shè)計(jì)一次合格從而避免修模。這就可大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,提高產(chǎn)品品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

2 板料成型過程的顯式有限元計(jì)算

板料成型的CAE軟件是基于彈塑性有限變形理論開發(fā)的,根據(jù)算法的不同分為顯式和隱式兩大類,它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。文中CADEM軟件是采用顯式算法。

2.1 單元格式

采用4節(jié)點(diǎn)殼單元,在每個(gè)單元的中面定義隨動(dòng)坐標(biāo)系如下。

式中rij=rj-ri,ri為節(jié)點(diǎn)i的位置矢量,如圖1所示。該坐標(biāo)系與單元一起運(yùn)動(dòng),所有物理量在隨動(dòng)坐標(biāo)系中定義。經(jīng)等參插值,得單元中的速度為
v=NTvi                                      (2)
式中vi為節(jié)點(diǎn)速度矢量;N為插值函數(shù),可表達(dá)為
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為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)矢量,速度梯度為
v=Bv                                             (9)

2 2 控制方程

板料成型系統(tǒng)必須滿足Hu Washizu變分原理,經(jīng)簡(jiǎn)化得
δ UT(∫Ω BTσdΩ+M¨U-Fext-Fc)+
δ∫Ω∑T(B- B)vdΩ=0                       (11)
式中Fext為外力矢量,Fc為接觸力矢量,M為質(zhì)量矩陣,σ為Cauchy應(yīng)力張量,∑為假定的應(yīng)力場(chǎng),B為應(yīng)變-位移矩陣, B為假定應(yīng)變場(chǎng)的應(yīng)變-位移矩陣, U為節(jié)點(diǎn)速度矢量,¨U為節(jié)點(diǎn)加速度矢量,Ω為邊界域。選擇應(yīng)力場(chǎng)∑滿足
∫Ω∑T(B- B)vdΩ=0                         (12)
則控制方程為 M¨U=Fext+Fc-Fint      (13)
式中內(nèi)力為 Fint=∫Ω BTσdΩ             (14)
在顯式算法中,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)
確定對(duì)角質(zhì)量矩陣Mn后無(wú)須求解聯(lián)立方程組,即可由式(15)得到n時(shí)刻的加速度¨Un,再由式(16)、式(17)得n+1時(shí)刻的位移矢量Un+1。

2 3 本構(gòu)方程

材料的塑性變形采用Hill的各向異性彈塑性準(zhǔn)則描述[3]為

式中εp為等效塑性應(yīng)變。

2 4 接觸摩擦力的計(jì)算

接觸搜尋采用級(jí)域法,它是針對(duì)多物體接觸體系提出的,避免了主從面法處理多物體接觸的不便,并提高接觸搜尋效率。接觸力用防御節(jié)點(diǎn)法計(jì)算,防御節(jié)點(diǎn)法是一種既能精確計(jì)算接觸力,又能避免求解聯(lián)方方程組的算法。在防御節(jié)點(diǎn)法中,每個(gè)接觸對(duì)中都增加了一個(gè)虛擬的接觸節(jié)點(diǎn)即防御節(jié)點(diǎn)。盡管它是虛擬節(jié)點(diǎn),但它具有一個(gè)普通有限元節(jié)點(diǎn)具有的所有屬性,如速度、加速度和力等。詳細(xì)內(nèi)容見文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[4]。

板料與模具間的摩擦力采用非經(jīng)典的非線性摩擦定律計(jì)算,彌補(bǔ)了庫(kù)侖摩擦定律沒有考慮摩擦力與相對(duì)滑移量之間關(guān)系的不足。

3 翼子板成型過程的計(jì)算機(jī)仿真

翼子板屬于汽車外覆蓋件,要經(jīng)過拉延、修邊沖孔、整形、翻邊等工序。由于外覆蓋件對(duì)幾何精度、強(qiáng)度、表面光潔度要求較高,所以在全套模具設(shè)計(jì)中拉延工序最為重要,也是難度最大的。工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)常常會(huì)產(chǎn)生拉裂、起皺等缺陷,給模具調(diào)試造成較大的難度。應(yīng)用仿真軟件CADEM可以模擬板料成型的全過程[6-10],及時(shí)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的拉裂、起皺缺陷,為完善模面設(shè)計(jì)方案或修模提供依據(jù)。

3 1 初始拉延工藝設(shè)計(jì)

初始型面設(shè)計(jì)主要依靠工藝設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)完成。如圖2是用UG軟件完成的幾何模型,它包括產(chǎn)品面、補(bǔ)充面、壓料面和拉延筋。產(chǎn)品面是由零件的幾何形狀所決定的;補(bǔ)充面、壓料面和拉延筋則是為使產(chǎn)品面達(dá)到成型要求而需增加的。因此設(shè)計(jì)合理的補(bǔ)充面、壓料面和拉延筋是獲得高品質(zhì)產(chǎn)品的關(guān)鍵,工藝設(shè)計(jì)中通常主要考慮以下幾方面。

3 1 1 壓料面

拉延深度的大小在很大程度上決定了產(chǎn)品的成型性。對(duì)于外覆蓋件來(lái)說(shuō),衡量成型性好壞,不僅要看產(chǎn)品部分是否有充分的塑性變形,而且要看變形的分布是否均勻。成型性越好,則產(chǎn)品件剛性越好,且回彈小,有利于后序整形獲得精度較高的產(chǎn)品零件。壓料面的位置是根據(jù)適當(dāng)?shù)睦由疃却_定的。初步計(jì)算翼子板的拉延深度為50~70mm。

3 1 2 補(bǔ)充面

做補(bǔ)充面前要去掉產(chǎn)品面中的翻邊部分,如有后序整形,可以適當(dāng)放大產(chǎn)品部分的圓角和降低補(bǔ)充面的斜度。補(bǔ)充面是指從產(chǎn)品面邊緣延伸出來(lái)到壓料面的過渡面,補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)要使拉延面盡可能圓滑,有利于材料的流動(dòng)。有時(shí)為了改善材料的流動(dòng)狀況而增加一些突起等結(jié)構(gòu)。

3 1 3 凹模圓角

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)凹模圓角半徑為10mm。

3 1 4 拉延筋

拉延筋是用來(lái)控制和改善材料流動(dòng)狀況的。初步設(shè)計(jì)拉延筋圓角半徑為6mm,筋高5mm。為保證成型件的成型性,并便于調(diào)整,采用雙拉延筋。因?yàn)橐碜影迨峭飧采w件,對(duì)產(chǎn)品的表面質(zhì)量要求很高,布置拉延筋的位置時(shí),要避免產(chǎn)品部分出現(xiàn)嚙痕線。

3 2 計(jì)算機(jī)仿真

仿真軟件CADEM采用的是等效拉延筋模型,這對(duì)于修改工藝參數(shù)是有利的。因?yàn)樾薷睦咏畹男螤詈统叽?是修模的主要手段之一。在初始型面數(shù)模中可以不畫出拉延筋,通過仿真計(jì)算確定合理的拉延筋的尺寸和位置后,再在幾何模型中增加拉延筋供加工。圖3為凹模的有限元模型,凸模、壓邊圈的有限元模型是由凹模型面上相應(yīng)的部分偏置板料厚度的110%派生而成。

按初設(shè)工藝條件進(jìn)行仿真計(jì)算,板料厚度0 8mm,材料為日本標(biāo)準(zhǔn)的SPCE,摩擦系數(shù)取0 12,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出翼子板整體成型性比較好,只是角部顏色較深處會(huì)拉裂。

4 工藝改進(jìn)

為消除翼子板角部可能出現(xiàn)的拉裂現(xiàn)象,采取如下改進(jìn)措施。

(1)將拉裂的角上部圓角稍稍加大。該圓角為非產(chǎn)品部分,且還有后序整形,這一改動(dòng)不會(huì)影響產(chǎn)品的最終尺寸要求。

(2)將角部的凹模圓角加大至R12mm,以利于角部材料向里流動(dòng)。

(3)將角部附近的拉延筋高度降低,減少材料向里流動(dòng)的阻力。

(4)可以適當(dāng)修改坯料的形狀,將坯料拉裂處的角部尖角剪去,也可改善材料的流動(dòng)狀況。

圖5為工藝改進(jìn)后的仿真結(jié)果,拉裂現(xiàn)象得到有效消除。圖6為實(shí)際沖壓結(jié)果,可以看出與仿真結(jié)果非常一致。

5 結(jié)論

應(yīng)用CAE前后的模具生產(chǎn)流程見圖7和圖8。

由于在生產(chǎn)中引入了CAE分析技術(shù),借助仿真軟件CADEM,精確模擬了板料成型的全過程,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了板料在成型過程中可能出現(xiàn)的缺陷,從而在模具加工前及時(shí)修改了沖壓工藝方案,并通過仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證,提高了沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)質(zhì)量,只需經(jīng)過少量的修模就可獲得高品質(zhì)的模具,使得修模的工作量減少50%以上。這不僅降低了模具的開發(fā)成本,也大大縮短了模具的開發(fā)周期。

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