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【論文關鍵詞】:有限元;數值模擬;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。針對拉延模擬結果進行應力應變分析，尋找工藝參數的優(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效率高、質量穩(wěn)定、成本低以及可加工復雜形狀等一系列優(yōu)點，在機械行業(yè)的應用非常廣泛，占有十分重要的地位[1]。但是沖壓模具的設計主要依據工程師長期積累的經驗。對于復雜的成形工藝和模具，設計質量難以得到保證;一些關鍵性的設計參數要在模具制造出來之后，通過反復的調試、修改才能確定。這樣就浪費了大量的人力、物力和時問[2-3]。隨著有限元技術和計算機技術的發(fā)展，數值模擬已逐漸成為工藝分析及優(yōu)化設計的有效工具。

1.有限元模型的建立和參數設定

一般汽車覆蓋件工藝設計流程具體分析如下:(1)根據產品圖及產品沖壓工藝設計，進行詳細的車身產品工藝性分析。為了實現拉延或創(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計。(2)在滿足產品使用的前提下，將過剩的質量要求及時反饋給產品設計部門，進行研討，力爭把產品完善到最簡單、最合理的工藝要求，以克服產品的過剩質量，減少不必要的工裝投入。(3)利用計算機進行車身產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計結構的有關知識，設計沖壓工藝過程圖。在設計過程中，同時要分析沖壓工藝方案，發(fā)現不足之處，進行必要的修正。(4)模具設計人員按照沖壓工藝過程圖的基本要求進行模具設計，模具CAD設計包括上、下模座，工作部分零件，導向部件，定位零件和進出料裝置等設計。數控編程和模型人員按照沖壓工藝過程圖和模具圖進行數控編程和模型制造，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試，最終調試出合格的產品。

選用某轎車內部地板零件產品圖，此零件是一個比較復雜的中小型車身結構件。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。

一般劃分網格時，首先建立一個拓撲結構模型。這一步驟是連接分離的型面，使你可以在網格劃分的時候得到連續(xù)的網格(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普通表面之問的分界線，以建立我們所說的拓撲模型。建立好拓撲結構以后，應定義網格劃分的參數，并進行網格的自動劃分。一般情況下要求用戶最少確定四個參數，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，網格的弦高。最小元素的大小影響著網格劃分中最小元素的尺寸。當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格密度，它的值越小網格則越密。例如:一般我們在劃分模具網格時，它的拉延圓角最好有五行元素，這時調整法向夾角的參數就可以達到目的。弦高的大小則影響著大網格半徑表面上的網格密度，它的值越大，則網格越少。在汽車覆蓋件模擬中，板料數據一般都是曲線，因此板料的網格劃分與模具的劃分不一樣。

根據實際需要確定板料特性，應力應變關系=537(0.0102+)0.23MPa，法向各項異性系數為1.8。其他參數如下:揚氏模量2.07E+5MPa;屈服極限210MPa;泊松比0.28;板材厚度0.8mm;板料質量密度7.83E-9;r0=1.87,r45=1.27,r90=2.17。由于摩擦系數必須有實驗得出，特別是幾種常用材料在工業(yè)生產中的實際摩擦系數。考慮到汽車覆蓋件生產廠家和模具生產廠家的實際，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，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。測定為此我們設計了覆蓋件模具的摩擦系數和實際拉延筋拉延阻力的測定的試驗，詳細試驗結果在第六章中。摩擦系數根據測量結果給定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果分析

經過計算后，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，而在應變云圖中紅色表示正應變，深藍表示副應變。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。通過主應變和次應變云圖可以看出在突起的鼓包頂端處為雙向拉應變發(fā)生破裂，并目_從板料輪廓的變化發(fā)現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，該處的主應變?yōu)槔瓚儯螒優(yōu)閴簯儯瑸槊黠@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，然后設定壓邊力為400KN,摩擦系數為0.12，進行模擬后如圖4所示。可以看出與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.結論

世界上每年的鋼材有半數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)中都占有相當重的比例。因此，提高相應的成形技術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值模擬和試驗研究的基礎上，采用有限元的數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].北京航空航天大學學報，1995.21(2):67-71.

[2]劉建華,姜全昌,土志恒.環(huán)形拉深筋成形力的計算及試驗研究[J].塑性工程學報，2000,7(3):15-18.

[3]何丹農,陶宏之,包向軍,等.拉深用潤滑劑的摩擦系數和壓邊力的關系研究[J].摩擦學學報，2000,20(3):223-225.