汽車扭梁成形DYNAFORM仿真研究

2016-10-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著中國成為世界上第二大汽車生產(chǎn)國,對汽車模具行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。整車中約60%~70%零部件屬于沖壓成形件,如駕駛室、車身、發(fā)動機(jī)和底盤的表面零部件,為提高成形效率保證成品率,對沖壓工藝設(shè)計(jì)提出了更高要求。傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)方法采用“試錯法”,該種方法容易造成巨大的資源浪費(fèi),較長的設(shè)計(jì)周期,已不能適合新時期的要求。

近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,利用CAE技術(shù)進(jìn)行沖壓成形工藝設(shè)計(jì)的有限元數(shù)值分析,節(jié)約了大量資源,提高了工藝設(shè)計(jì)效率,對傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)方法起到了很好的補(bǔ)充效果。

汽車內(nèi)支撐件后扭梁屬于典型梁類沖壓件,在成形過程中容易發(fā)生起皺、回彈、拉裂及較薄等表面缺陷,影響使用性能。為提高后扭梁沖壓成形成品率,本文借助Dynaform軟件對其沖壓成形過程進(jìn)行有限元數(shù)值分析,獲得較為合理工藝設(shè)計(jì)參數(shù),為企業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)作用。

后扭梁簡介

如圖1所示,為天津某模具公司的汽車底盤后扭梁模型,該模型包括后扭梁上部和下部零件,均為沖壓件,并通過CO2氣體保護(hù)焊將后扭梁上下部連接到一起。

圖1汽車后扭梁模型

汽車后扭梁是汽車的重要組成部分,需大批量生產(chǎn),零件采用常用3mm厚B280VK鋼板,該種材料沖壓性能良好,適于沖壓批量生產(chǎn),這樣不僅能提高生產(chǎn)效率,降低成本,還能夠有效保證零件精度與互換性。本文有限元模擬采用Barlat’s-3 parameter Plasticity Model材料模型,該模型適用于任何薄板金屬成形分析,相關(guān)輸入?yún)?shù)如表1所示,應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示,材料參數(shù)很大程度上決定有限元模擬精度,因在進(jìn)行有限元仿真模擬前一般要進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)或查詢工程材料手冊獲得較為準(zhǔn)確材料參數(shù)。

圖2 B280VK材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

后扭梁沖壓成形仿真分析

(1)有限元模型對零件沖壓成形進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,主要包括兩個步驟:第一,利用CAD軟件建立零件幾何模型。第二,將幾何模型導(dǎo)入Dynaform有限元軟件,建立有限元模型,進(jìn)行有限元前處理、有限元求解和仿真結(jié)果分析。本文僅對后扭梁下部進(jìn)行有限元分析。

扭轉(zhuǎn)梁下部零件是利用CATIA軟件建立幾何模型,并通過IGES格式輸出,導(dǎo)入到Dynaform中,將模型形面當(dāng)做沖壓模擬中的凹模,劃分網(wǎng)格,然后通過網(wǎng)格偏移生成沖壓凸模和壓邊圈模型,如圖3所示。

圖3有限元模型

(2)邊界條件接觸設(shè)置:毛坯和模具各個部分間靜摩擦系數(shù)0.125,滑動摩擦系數(shù)取0.1,粘性阻尼系數(shù)取20。工藝參數(shù)設(shè)置:在成形分析過程中使用的工藝參數(shù),有些需符合實(shí)際情況;有些為適應(yīng)分析,需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。對于沖壓速度,如選擇實(shí)際值,需較長計(jì)算時間,因此在顯示求解有限元分析中,采用虛擬沖壓速度,同時考慮到人工動態(tài)效應(yīng),通常沖壓速度最大值2000~5000mm/s。本研究采用單動拉延成形,即壓邊階段和沖壓階段。首先凹模和壓邊圈閉合,凹模速度2000mm/s;然后凹模帶動壓邊圈完成拉延過程,凹模速度取5000mm/s,壓邊力200kN。

(3)結(jié)果分析完成上述設(shè)置后,驗(yàn)證模型運(yùn)動正確性后,即可利用LS-dyna求解器對當(dāng)前任務(wù)進(jìn)行求解計(jì)算。當(dāng)計(jì)算完成后,進(jìn)入ETA/Post-Processor后處理軟件對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和評價。圖4、圖5分別為沖壓模擬后板料的成形極限圖、厚度分布圖。由圖4可知,沖壓仿真結(jié)果不符合質(zhì)量要求,不僅局部區(qū)域存在破裂危險,且大部分區(qū)域沖壓不完全,存在起皺現(xiàn)象;由圖5可知紅色區(qū)域厚度約為2.078mm,表面此處減薄率為30.7%,藍(lán)色區(qū)域厚度為4.969mm,增厚率約為65.6%,而一般認(rèn)為在成形部分增厚不超過1%,減薄不超過30%,都是可以接受的。通過以上分析可知,該種工藝設(shè)計(jì)方案不能進(jìn)行生產(chǎn)加工。

圖4成形極限圖

圖5厚度分布

改進(jìn)方案

為解決單工序沖壓不能獲得較為理想的沖壓效果與經(jīng)濟(jì)效益,建議采取第二套方案進(jìn)行分析,即采用2工序沖壓成形,如圖6所示。工序1將坯料拉伸成V形截面形狀,工序2將工件拉延成最后零件形狀。

圖6沖壓工序

(1)邊界條件接觸設(shè)置與上述參數(shù)相同。采用2工序單動拉延成形,即第1工序?qū)⑴髁侠映蒝形,第2工序?qū)⒐ぜ映勺罱K形狀,每一工序均包含壓邊階段和沖壓階段參數(shù)設(shè)置如表2所示,凹模運(yùn)動方向?yàn)檎?

(2)結(jié)果分析經(jīng)LS-dyna求解后,進(jìn)入ETA/Post-Processor后處理軟件對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和評價。圖7、8為工序1完成時的成形極限圖、厚度分布圖。由圖7可知,當(dāng)工序1完成時,工件沒有發(fā)生折皺、拉裂等表面損傷;由圖8可知,紅色區(qū)域厚度約為2.570mm,表面此處減薄率為14.3%,藍(lán)色區(qū)域厚度為3.006mm,增厚率約為0.2%。由此可知,經(jīng)工序1拉延后,半成品工件沒有發(fā)生損傷,可繼續(xù)進(jìn)行工序2拉延。

圖7工序1成形極限

圖8 工序1厚度分布

圖9、圖10為工序2完成時成形極限圖、厚度分布圖。由圖9可知,當(dāng)工序2完成時,工件沒有發(fā)生折皺、拉裂等表面損傷;由圖10可知,紅色區(qū)域厚度約為2.505mm,表面此處減薄率為16.5%,藍(lán)色區(qū)域厚度為3.010mm,增厚率約為0.3%。由此可知,經(jīng)工序2拉延后,后扭梁成品表面質(zhì)量好,可用于后扭梁批量沖壓生產(chǎn)活動。