翁懷鵬，張光勝,2，張　雷

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽　蕪湖　241000； 2.安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽　蕪湖　241002；3.瑞鵠汽車模具有限公司， 安徽　蕪湖　241009)

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基于DYNAFORM的轎車后背門沖壓成形的仿真模擬

翁懷鵬1，張光勝1,2，張雷3

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽蕪湖241000； 2.安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽蕪湖241002；3.瑞鵠汽車模具有限公司， 安徽蕪湖241009)

[摘要]文章根據(jù)該外覆蓋件特點(diǎn)運(yùn)用CAE軟件DYNAFORM進(jìn)行精模擬，制定關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)的方案，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)拉延筋的綜合優(yōu)化(拉延筋圓角半徑和拉延筋筋高等)，達(dá)到制件無(wú)拉裂、少起皺、小回彈，保證沖壓件質(zhì)量，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)起指導(dǎo)作用.較采用傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”設(shè)計(jì)模具可以降低研發(fā)成本，從而增強(qiáng)企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力.

[關(guān)鍵詞]DYNAFORM；拉延筋；綜合優(yōu)化；成形極限圖

常用板料成形模擬軟件有很多，包括ROBUST、PRO/MECHANICA、ALGOR、PAM-STAMP、ANSYS、DYNAFORM、AUTOFOR等[1-4].DYNAFORM 是眾多板料成形 CAE 分析軟件中的一個(gè).它是由美國(guó) ETA 公司開發(fā)的用于板料成形模擬的專用軟件包，可以幫助模具設(shè)計(jì)人員顯著減少模具開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間及試模周期，不但具有良好的易用性，而且包括大量的智能化自動(dòng)工具，可方便地求解各類板成形問(wèn)題[5-7].DYNAFORM 要求用戶在實(shí)際求解中輸入高質(zhì)量的網(wǎng)格，并有諸多控制參數(shù)供用戶選擇使用.在正確掌握這些參數(shù)的作用規(guī)律后，可以計(jì)算得到較好的模擬結(jié)果.根據(jù)該結(jié)果預(yù)測(cè)成形過(guò)程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕、回彈并評(píng)估板料的成形性能，因此可以為模具設(shè)計(jì)者提供幫助[4].轎車后背門(尾門)外板較之一般的沖壓件，具有薄而復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸較大、表面質(zhì)量要求高、多為流線型空間曲面 、配合協(xié)調(diào)性高等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)模具，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高[8].

本文通過(guò)應(yīng)用 DYNAFORM 軟件對(duì)某汽車后背門外板零件進(jìn)行沖壓成形數(shù)值模擬分析研究，可比較直觀地了解沖壓成形的過(guò)程和結(jié)果.通過(guò)多次不同方案的優(yōu)化、調(diào)整模擬參數(shù)，找出合理的沖壓成形工藝參數(shù)并明確拉延筋圓角半徑和拉延筋筋高對(duì)板件沖壓成形性能的影響，達(dá)到優(yōu)化成形的目的，為實(shí)際生產(chǎn)后背門外板零件提供重要的指導(dǎo)，從而可以縮短生產(chǎn)研發(fā)周期，降低成本，提高零件質(zhì)量.

1數(shù)值模擬步驟

本文采用UG建模，家用轎車后背門外板的的UG模型如圖 1 所示. 盡管DYNAFORM 軟件自身攜帶有線和圖的操作能力，但往往比較簡(jiǎn)單，無(wú)法造型出復(fù)雜的型面，一般作為一個(gè)重要補(bǔ)充在前處理中使用.所以，一般都是使用者本人根據(jù)其他三維軟件建好的模型，再導(dǎo)入到 DYNAFORM 中. 在汽車模具行業(yè)中常用的三維軟件有 CAD、UG、CATIA 、Pro/E等 .

圖1　轎車后背門外板的UG模型(左)及導(dǎo)入DYNAFORM中的網(wǎng)格模型(右)

對(duì)于板料的處理步驟如下: 將建立好的幾何模型另存為IGES 格式，然后導(dǎo)入DYNAFORM 即可完成模型的導(dǎo)入. 采用網(wǎng)格劃分工具(MESHTOOL)，對(duì)導(dǎo)入的曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一般是網(wǎng)格劃分得越小，模擬時(shí)間就越長(zhǎng)；網(wǎng)格劃分過(guò)大，模擬結(jié)果不準(zhǔn)確，所以網(wǎng)格劃分大小要適當(dāng)[3].劃分好網(wǎng)格后還要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格檢查，主要看是否有重疊、漏洞、網(wǎng)格的法向是否一致，必要時(shí)還要進(jìn)行修補(bǔ).板料處理完成后，依次將凸模、凹模、壓邊圈的UG模型導(dǎo)入前處理中檢查修補(bǔ).在工具以及板料網(wǎng)格都劃分好并設(shè)置適當(dāng)?shù)能浖统尚蛥?shù)后，提交求解器計(jì)算，花費(fèi)一定時(shí)間計(jì)算完成后即可在后處理中打開.d3plot文件進(jìn)行結(jié)果查看和分析.

2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

對(duì)于外覆蓋件的拉深成形及質(zhì)量控制，方法有很多.如設(shè)計(jì)合理的毛坯形狀并盡量減少毛坯尺寸，拉深時(shí)壓邊力的合理控制，拉延筋合理布置及高度變化，選擇適當(dāng)r值、易屈服、延伸率大的材料等等[7].其中拉延筋的圓角半徑和高度變化對(duì)板料沖壓成形性的影響是本文研究的主要內(nèi)容.

對(duì)于CAE分析員來(lái)說(shuō)，要設(shè)計(jì)什么樣的拉延筋，除了應(yīng)該滿足阻力要求外，還必須要考慮以下幾個(gè)方面的因素：第一，對(duì)單筋來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和模具調(diào)試時(shí)拉延筋的修正；寬度比較小，可以減少模具尺寸；反力較小，所需壓邊力可相應(yīng)減少，能降低對(duì)模具剛度和設(shè)備剛度的要求.第二，對(duì)于重筋來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工難度大，寬度相對(duì)較大，會(huì)增加模具尺寸和毛坯尺寸，且模具調(diào)試時(shí)拉延筋參數(shù)的修正比較困難.因此，一般情況下多選用單筋.

2.1　拉深方案

本文主要考慮在工藝“沖壓方向”、模具“壓料面”以及“模具結(jié)構(gòu)”等設(shè)置確定的情況下，研究拉延筋圓角半徑和拉延筋筋高對(duì)后背門外板的成形性(主要考慮有無(wú)拉裂)的影響.研究的后背門外板的原始CAD圖和網(wǎng)格與如圖1所示.該汽車后背門外板的具體料厚為0.8 mm，長(zhǎng)度為1 300 mm，寬度為1 200 mm以及最大深度差為130 mm.沖壓質(zhì)量要求分別有尺寸精度即保證圖紙上的尺寸要求、保證與主模型相符合的形狀要求、保證表面無(wú)皺紋、滑移線等缺陷的表面質(zhì)量要求以及保證有足夠的剛度等.

在布置拉延筋的位置時(shí)，必須根據(jù)拉延件形狀特點(diǎn)、拉延深度及材料流動(dòng)特點(diǎn)等情況而定.例如后背門外板為了增加進(jìn)料阻力，提高材料變形程度，布置原則應(yīng)為放一整圈或間斷的 1~3 條拉延筋.為了增加徑向拉應(yīng)力，防止毛坯起皺，則應(yīng)在容易起皺的部位設(shè)計(jì)局部的短筋.為了調(diào)整進(jìn)料阻力和進(jìn)料量，在拉延深度大的直線部位放 1~3 條拉延筋，深度大的圓弧部位，不放置拉延筋，深度相差較大時(shí)，在深的部位不設(shè)置拉延筋，淺的部位設(shè)拉延筋.

本文所研究的后背門外板的拉延筋為一整圈圓筋和對(duì)稱布置的兩個(gè)局部短圓筋(見(jiàn)圖1).表1中所列的拉延筋圓角半徑和筋高變化量即為圖1中左圖(或右圖)中的左右兩側(cè)各布置的一條短的圓筋的參數(shù).試驗(yàn)方案如表1所示.

表1　試驗(yàn)方案

本文設(shè)計(jì)的方案主要用來(lái)研究拉延筋筋高和拉延筋圓角半徑對(duì)薄板件后背門沖壓成形性的具體影響.對(duì)于薄板件的沖壓成形，拉延筋圓角半徑和拉延筋的筋高的確定都不是確定的值.從查閱的資料來(lái)看一般以圓角半徑3 mm、筋高6 mm左右開始進(jìn)行CAE計(jì)算分析，若計(jì)算結(jié)果較差則進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.如結(jié)果拉裂則加大圓角半徑、降低筋的高度.如結(jié)果顯示嚴(yán)重起皺則減小半徑增加筋的高度；若計(jì)算后，結(jié)果較好則可采用該參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn).對(duì)比方案一、方案二、方案三的結(jié)果可以很直觀地看出拉延筋圓角半徑對(duì)后背門外板沖壓成形性的影響.對(duì)比方案三和方案四的結(jié)果可以清晰地看出筋高的變化對(duì)后背門沖壓成形性的影響.將前兩種對(duì)比的結(jié)果相互對(duì)比可以看出拉延筋筋高與拉延筋圓角半徑對(duì)后背門外板沖壓成形性的影響程度.

2.2　拉深成形Drawing的參數(shù)設(shè)置

采用單動(dòng)拉延成形，主要沖壓成形參數(shù)設(shè)置如下.

(1)Blank (毛坯)：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及資料進(jìn)行毛坯估算尺寸以及考慮到實(shí)際應(yīng)用，采用矩形毛坯，尺寸為1 500 mm×1 500 mm ，放置在模具上，材料選用DC06；

(2)Tools (工具)：包括die (凹模)、punch (凸模)和binder (壓邊圈)的設(shè)置，根據(jù)前面的模面設(shè)計(jì)，軟件會(huì)自動(dòng)生產(chǎn)相應(yīng)的工具，并用不同的顏色顯示；

(3)Process (過(guò)程)：設(shè)置模具運(yùn)行速度、時(shí)間和壓邊力.模具工作過(guò)程分為closing(閉合)和drawing(拉深)兩個(gè)階段.閉合階段凹模速度V=2 000 mm/s，凸模V=0,根據(jù)計(jì)算設(shè)置壓邊力為F=106N；拉深階段凹模速度V=5 000 mm/s，凸模速度V=0，壓邊力F=106N.根據(jù)工具之間相對(duì)位置，設(shè)置好壓邊圈下行時(shí)間和凸模下行時(shí)間以及閉合高度和拉深深度.首先凹模先向下運(yùn)行完成閉合后壓邊圈壓住坯料，然后凹模繼續(xù)下行進(jìn)行成形.

(4)Control (控制)：采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置參數(shù)并選中Selective mass scaling(選擇性質(zhì)量縮放)和Refining meshes(網(wǎng)格重劃分)復(fù)選框，將Time step size(時(shí)間步長(zhǎng))改為合適的數(shù)值，該值越小，計(jì)算所耗時(shí)間越久.

上述參數(shù)設(shè)置好后，保存后開始進(jìn)行模擬.本文所設(shè)計(jì)的四個(gè)方案均有一次模擬過(guò)程，每一次的模擬，其拉深成形drawing的參數(shù)設(shè)置均為上述參數(shù).方案一的模擬結(jié)束后，模擬方案二的前處理只需將方案一的前處理復(fù)制一份，再將凹模與壓邊圈上的拉延筋圓角半徑和拉延筋筋高設(shè)置成表1的參數(shù)即可.方案三和方案四依次類推.

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2所示為成形極限圖，它表示板材在不同的應(yīng)力狀態(tài)下的變形極限.它用來(lái)表示金屬薄板在變形過(guò)程中，在板平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)變的聯(lián)合作用下，某一區(qū)域發(fā)生減薄時(shí)，可以獲得的最大應(yīng)變量.板平面內(nèi)任意兩個(gè)主應(yīng)變的組合，只要落在成形極限圖中的成形極限曲線之上，薄板變形時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂，反之則是安全的.每一種材料的成形極限曲線一般都是由試驗(yàn)獲得.成形極限曲線試驗(yàn)的數(shù)據(jù)一般都是分散的，形成一定寬度的條帶，稱之為“臨界區(qū)”，處于臨界區(qū)的薄板有瀕臨破裂的危險(xiǎn).成形極限圖是判定和評(píng)定板料成形性能的最為簡(jiǎn)單和直觀的方法，是解決板料成形問(wèn)題的一個(gè)工具.

計(jì)算完成后，進(jìn)入DYNAFORM的后處理程序界面，在后處理中打開拉深模擬所得到的結(jié)果文件d3plot，就可以對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià).下圖是上述四個(gè)方案模擬所得結(jié)果的成形極限圖.從上面四個(gè)圖可以看出，四種方案下，板料都有處于破裂區(qū)的部分.但是仔細(xì)看方案一和方案二的成形極限圖，可以看出該兩個(gè)方案皆是不可取的.成形極限圖上，破裂區(qū)很分散，表示CAE計(jì)算并未完成就終止了.方案三和方案四對(duì)比前兩個(gè)方案，有一個(gè)明顯的改善——就是破裂區(qū)的分散度變小了.這說(shuō)明增加拉延筋圓角半徑效果是很好的，可以明顯減少進(jìn)料阻力.再看方案三和方案四，很明顯方案四的結(jié)果更加可靠一點(diǎn).兩者模擬條件的差別僅在于筋高不同，方案四的筋高較方案三降了1 mm，其成形極限圖就不錯(cuò)了，雖然有處于破裂區(qū)的部位，但這還不能判定其破裂，還得看模擬結(jié)果的網(wǎng)格形狀以及減薄率的大小.

圖2　四種方案模擬結(jié)果的成型極限圖

圖3為四種方案的模擬成形云圖.模擬成形云圖結(jié)合成形極限圖和變薄率可以幫助我們直觀地看到板料的具體情況，確定板件在拉深后的確切狀態(tài).對(duì)板料單元進(jìn)行拉深成形時(shí)，各部分的拉裂起皺狀態(tài)以及網(wǎng)格的形狀都會(huì)反應(yīng)在模擬云圖中.在大多數(shù)CAE仿真模擬中，板料的變形不會(huì)完全處于安全區(qū)域內(nèi)，但只要關(guān)鍵部位滿足條件且其他部位沒(méi)有大的風(fēng)險(xiǎn)即可滿足.若大多數(shù)變形區(qū)在安全區(qū)內(nèi)并且伴隨有拉伸不足，表明仍有繼續(xù)拉深變形的潛力.若有部分單元處于紅色區(qū)域且網(wǎng)格形狀發(fā)生嚴(yán)重拉長(zhǎng)或者其他異變，則肯定會(huì)發(fā)生拉裂；若有部分網(wǎng)格單元處于紅色區(qū)域但是網(wǎng)格形狀沒(méi)有變化，再結(jié)合變薄率比較小，表明該處網(wǎng)格正常，板件質(zhì)量有保證.

圖3　四種方案模擬成形云圖

分析上述成形云圖能夠得出，方案一和方案二明顯拉裂，計(jì)算異常終止，其最大減薄率分別達(dá)到93.825﹪和92.735﹪ 可以證實(shí)該形態(tài).方案三雖有改善但并不明顯，其最大減薄率也達(dá)到了86.258﹪，結(jié)合網(wǎng)格變形嚴(yán)重，故可判斷明顯拉裂.方案四的成形云圖可以明顯發(fā)現(xiàn)區(qū)別，網(wǎng)格形狀保持地較好，并沒(méi)有被拉長(zhǎng)的異樣網(wǎng)格且最大減薄率變?yōu)?5.011﹪，是可以接受的.綜合分析可以看出，根據(jù)成形極限圖所反映的與實(shí)際情況一致.

4結(jié)語(yǔ)

基于DYNAFORM的數(shù)值模擬分析技術(shù)，以典型汽車覆蓋件轎車后背門外板為例，探討了CAE仿真分析過(guò)程中的具體問(wèn)題，得出FLD圖和四種方案的成形模擬云圖.基于理論DYNAFORM分析技術(shù)的求解結(jié)果可以指導(dǎo)轎車覆蓋件零件的實(shí)際沖壓成形，能有效地解決模擬后模具的形狀參數(shù)化調(diào)整問(wèn)題，從而節(jié)省大量時(shí)間和成本，提高設(shè)計(jì)的可靠性[8].通過(guò)零件的CAE仿真分析，可以預(yù)計(jì)覆蓋件在成形時(shí)所需的有關(guān)拉延筋方面的各項(xiàng)參數(shù)，較之實(shí)際采用壓力機(jī)進(jìn)行沖壓試驗(yàn)具有難以比擬的優(yōu)越性.目前，CAE仿真分析技術(shù)還處于不斷完善階段，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的進(jìn)一步發(fā)展，CAE數(shù)值分析技術(shù)將能夠更迅速、更真實(shí)地反應(yīng)沖模成形過(guò)程中的各種問(wèn)題，從而能夠更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐[6].

通過(guò)上述模擬試驗(yàn)研究與分析，針對(duì)拉延筋的綜合優(yōu)化使得板料成形時(shí)避免拉裂可以得出以下結(jié)論：拉延筋圓角半徑和拉延筋高對(duì)板料成形是否拉裂均有影響，其中拉延筋筋高的影響更為顯著，降低筋高所帶來(lái)的進(jìn)料阻力的減少也更多；在模擬中出現(xiàn)明顯破裂時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮降低拉延筋筋高，得到較好的結(jié)果后再通過(guò)增加拉延筋圓角半徑進(jìn)一步優(yōu)化模擬結(jié)果.

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(責(zé)任編輯吳強(qiáng))

Stamping simulation of the car back door based on DYNAFORM

WENG Huaipeng1, ZHANG Guangsheng1, 2, ZHANG Lei3

(1. College of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China;

2. Anhui Business College,Wuhu Anhui 241002,China; 3.Rayhoo Eg. Inc. Ltd, Wuhu Anhui 241009, China)

Abstract：According to the characteristics of the outer covering parts, the CAE software DYNAFORM was used to simulate, and the key technology in the design scheme was developed. Based on this, through the comprehensive optimization of draw bead (draw bead radius and draw bead muscle higher), no cracking, less wrinkled, small rebound were achieved, to ensure the quality of stamping, playing a role of guidance for practical production. The use of the traditional trial and error design mold can reduce development costs, thereby increasing the enterprise competitiveness in the market.

Key words：DYNAFORM; draw bead; integrated optimization; forming limit diagram

[中圖分類號(hào)]TG386.2

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-8004(2015)05-0087-05

[作者簡(jiǎn)介]翁懷鵬(1990—)，男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事機(jī)械與汽車工程方面的研究.

[收稿日期]2015-04-21