汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化文献综述

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1、本科生毕业设计(论文)文献综述设计 (论文)题目汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化作者所在系别机电工程学院作者所在专业车辆工程作者所在班级B13141作 者 姓 名马关益作 者 学 号201322416指导教师姓名许文娟指导教师职称讲师完 成 时 间2017年3月北华航天工业学院教务处制说 明1根据学校毕业设计(论文)工作暂行规定，学生必须撰写毕业设计(论文)文献综述。文献综述作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2文献综述应在指导教师指导下，由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成，由指导教师签署意见并经所在专业教研室审查。3文献综述各项内容要实事求是，文字表达

2、要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4学生撰写文献综述，阅读的主要参考文献应在10篇以上（土建类专业文献篇数可酌减），其中外文资料应占一定比例。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。5文献综述的撰写格式按毕业设计(论文)撰写规范的要求，字数在2000字左右。文献综述应与开题报告同时提交。汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化的文献综述摘要：近年来，随着环境污染、能源枯竭等问题的日趋严重以及国家政策的支持和鼓励，汽车轻量化已越来越被人们所重视，且已逐渐成为当前和未来汽车技术发展的主要方向。其中，铝合金板材作为一种低密度、高强度、可塑性强的

3、金属材料，受到了越来越多汽车厂商的青睐。然而，在板料成形技术中，起皱、破裂、变形不足和回弹等质量问题也越来越突出， 这不仅造成了大量的材料浪费，还严重制约了铝合金板材在汽车制造中的使用。因此，探索出一种适合铝合金板材冲压成型的优秀工艺，成了当前众多汽车厂商研究的重点。本文将利用有限元分析软件ANSYS Workbench对汽车保险杠中铝成型组件的冲压成型进行分析研究，找出导致其出现质量问题的主要因素，并结合分析结果尝试对现有的冲压工艺进行合理优化，达到提高成品率的目的。关键字：有限元分析；铝成型；工艺优化Finite Element Analysis and Process Optimizat

4、ion of Aluminum Brackets for Automobile BumperAbstract: In recent years, with the environmental pollution, energy depletion and other issues become increasingly serious and national policy support and encouragement, automotive lightweight has been more and more attention, and has gradually become th

5、e current and future development of the main direction of automotive technology The Among them, the aluminum alloy sheet as a low-density, high strength, plasticity of the metal material, by more and more car manufacturers of all ages. However, in the sheet metal forming technology, wrinkling, ruptu

6、re, deformation and rebound and other quality problems are more and more prominent, which not only caused a lot of material waste, but also seriously restricted the use of aluminum alloy sheet in the automotive industry The Therefore, to explore a suitable for aluminum alloy sheet stamping of the ex

7、cellent process, has become the focus of many car manufacturers. In this paper, the finite element analysis software ANSYS Workbench is used to analyze the stamping of aluminum forming components in automobile bumper, and the main factors leading to its quality problems are found out. Combining with

8、 the analysis results, the existing stamping process is optimized reasonably, To achieve the purpose of improving the yield.Key words: Finite element analysis; aluminum forming; process optimization一、 汽车保险杠铝成型组件工艺优化的科学意义及目的汽车保险杠是汽车上一个重要的结构部件，承受着汽车碰撞时的巨大冲击力，对汽车的安全性起着至关重要的作用。其中，保险杠结构中的部分组件采用铝合金板材冲压成型，

9、而在成型过程中极易出现起皱、破裂、变形不足和回弹等质量问题，若能通过合理的工艺优化，解决此类质量问题，那么不仅能使车身轻量化的研究更进一步，对于众多汽车厂商来说，还能大大节约成本，提高运经营利润。二、汽车保险杠铝合金板材冲压成型组件质量问题的国内外研究状况汽车保险杠铝成型组件属于板材冲压成型件，而对于板料冲压成形后容易出现的弹性恢复问题，自上世纪50年代以来，国内外大量学者对板料回弹问题进行了深入的理论分析、模拟和实验研究。（一）国外研究情况R.Hill、F.Proska、F.J.Gardiner 等人经过多年研究，为板料成形及回弹分析奠定了理论基础。F.Fenoglietto 等人研究了变弹

10、性模量对板料回弹的影响。A.M.Prior在比较板料成形模拟的静态隐式算法和动态显示算法的特点时指出，将二者结合起来求解回弹问题是一种更加有效的手段。随着汽车轻量化的不断发展，铝板和高强度钢板等轻量化材料在车身制造中的应用越来越广泛。随之带来严重的回弹问题也引起研究人员的极大重视，并对其进行了分析和研究。You Ming Huang通过数值模拟讨论了冲压工艺参数（如摩擦系数 、凹模圆角半径 rd、凸凹模间隙 C 等）对 U 形件成形后回弹的影响，模拟结果表明：减小 ，增大 rd和 C 会使回弹更加严重。M.Kawka 等用汽车复杂零件顶盖和轮毂作为研究对象，分别对其进行全工序成形及回弹模拟。回

11、弹会影响零件的形状和尺寸精度，因此一些学者对回弹控制方法进行了相关研究。Oral等人讨论了柱形弯曲回弹的模具补偿算法，使零件形状得到有效控制。Karafillis、Wu等人采用有限元模拟方法，针对不同形状零件的模具进行回弹迭代补偿，使最终成形后的零件正好符合其形状设计要求。S.G.Xu讨论了影响板料回弹的因素，并认为回弹对材料参数的波动变化非常敏感，针对高强度板的大回弹问题，提出了工艺参数优化控制和考虑板料变形历史的模面迭代补偿控制方法。（二）国内研究情况国内的板料成形回弹问题研究时间比较短，但也取得了一定成果。付宝连建立了金属成形过程的回弹最小势能原理和最小余能原理，最后将该原理用于悬臂梁和

12、曲梁回弹变形计算。蔡中义教授等提出采用静力隐式算法对板材回弹进行数值分析。刁法玺，张凯锋基于连续介质力学及有限元变形理论，给出了 V 形弯曲回弹的动力显式算法，并开发了有限元分析程序 DEFORM-3D。杨光等针对板材成形后的切边回弹问题，发明了基于大变形弹塑性有限元理论的切边处理技术-AIA 方法。章婷，单以才等采用 FEM 技术，通过建立正交优化试验对 U 形件进行冲压回弹仿真研究，得出影响铝合金板料成形和回弹精度的数值模拟参数。在回弹控制方面，李延平，朱东波，卢秉恒对板料回弹进行了较为系统的研究，建立了能对 3D 复杂形状冲压件回弹误差进行有效补偿的闭环控制补偿系统。张立力，曹飞等针对于

13、板材成形中的回弹补偿问题，通过采用通用机械软件 UG 和 CAE 软件 Pam-Stamp 所开发的回弹补偿的模具设计系统，提出了一个根据工件的几何形状和回弹误差来进行模具补偿的方法。三、汽车保险杠铝成型组件的发展趋势随着环境污染、能源枯竭等问题的日趋严重以及车辆技术的不断发展，汽车轻将逐渐成为当前和未来汽车技术的发展趋势。当然，汽车的安全性仍会被人们放在首位。在汽车车身上用铝合金板代替传统钢板可使白车身减重约 40%-50%，因此车身的铝合金化对汽车质量的减重效果是立竿见影的。同时，铝合金材料的使用不仅能使车身减重，而且有助于提高汽车的机动性能，提高乘客的舒适性和安全性。铝的密度仅为钢铁的

14、1/3 左右，但其具有抗冲击性好、耐蚀性高、散热快、比强度和比刚度高等特点。因此当今世界各大汽车公司为了追求轻量化同时兼顾汽车安全性，都大力开发铝合金车身零部件甚至全铝车身。保险杠组件作为汽车上的一个重要部件，且因其工作时将承受巨大冲击载荷，当然会首先进入人们的视线。四、 汽车保险杠铝成型组件缺陷分析由于汽车保险杠铝成型组件形状较为复杂，几何尺寸较大，冲压成形过程中板料与模具不断接触，其所受载荷路径极为复杂，导致变形过程中可能出现起皱、破裂、擦伤以及成型后回弹大等多种缺陷。为了保证零件表面质量和装配精度，这些缺陷是不允许出现在零件上的，这就使得零件成型模具开发设计这项工作变得十分棘手，下面针对

15、上述的主要缺陷进行分析。（一） 起皱起皱是保险杆铝成型组件等此类汽车覆盖件冲压成型过程中常见的缺陷之一，它是由于板料在塑性变形过程中受到复杂应力状态而出现的不均匀变形。由于受压成型的板料较薄，在成型过程中厚度方向上的变形极不稳定。板料内部的压应力一旦超过材料在厚度方向上的失稳极限后，便会产生失稳起皱。当然，板料受到一定程度的不均匀拉应力、剪应力或板内弯曲应力也可能导致板材出现起皱缺陷。起皱缺陷会对尺寸精度和表面质量要求较高的车身覆盖件产生极大影响，严重时直接导致冲压件报废。解决此类零件起皱问题时，一般可以从改变零件的形状、采用合理的冲压工艺、改善冲压条件和材料性能及模具设计制造等方面入手，最终

16、达到改善和消除起皱缺陷的目的。（二） 破裂 除起皱缺陷外，破裂也是汽车保险杠铝成型组件冲压成型过程中常见的缺陷之一，它是板料在成型过程中拉伸失稳的一种主要表现形式。板料变形过程中内部存在拉应力集中区域，随着变形的不断发展，当某处材料所受到的拉应力接近或者超过材料本身的最大抗拉强度时，会相应的产生拉伸失稳，进一步发展成为缩颈，从而出现裂纹或拉裂。保险杆铝成型组件拉延过程主要在以下两种区域出现破裂：一种是出现在板料传力区，主要由于材料强度不够所引起；另一种破裂出现在零件大的塑性变形区，由于材料的塑性性能较差所导致。但是不管哪种破裂形式，拉裂在实际生产中直接影响着产品的成形质量，在实际生产中绝不允许

17、出现此种缺陷。在冲压成型过程中，很多因素都有可能引起板料破裂。为防止，可以采取以下措施：根据零件的具体情况选用合适的毛还形状和尺寸；采用机械性能较好的材料作为零件材料；在条件允许的情况下，增大拉裂区域的凸凹模圆角半径；修正模具参数、提供良好的润滑条件；选择优化的压料面形状和合适的压边力；合理设置拉延筋及参数等。（三） 回弹板料在冲压成型时发生的变形形式主要包括两部分：弹性变形和塑性变形。成形结束后由于模具和零件逐渐分离，板料会发生弹性回复，导致零件尺寸和形状与标准的冲压件产生偏离的现象称之为回弹。对于以弯曲变形为主要成形方式的保险杠来说，回弹现象是不可避免的，它严重影响着零件的形状和尺寸精度。

18、当回弹量超过允许误差后就成为影响零件质量的成形缺陷，这就增加了模具调试及成型后校形的工作量，为后续装配带来麻烦。在实际生产中，为了提高汽车整车水平及质量，许多汽车公司对此类汽车覆盖件的成形精度都有严格的要求。影响零件产生回弹的因素有很多，与成形材料的性能、模具的间隙和零件本身的形状、压边力、摩擦接触等因素都切实相关。解决回弹问题，要根据冲压件的具体形状、尺寸及成型过程的变形特点进行具体分析。五、总结汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化的课题，是汽车制造领域前言性课题，其研究成果不仅适用于汽车保险杠铝成型组件，还适用于诸如此类零件的诸多汽车覆盖件。随着相关学科及汽车制造技术的迅猛发展，人们汽

19、车零配件上的缺陷越来越重视。另一方面，环境污染、能源枯竭等问题也越来越严重，汽车轻量化的问题逐渐成为汽车技术发展的主要方向。铝合金板材由于具有高强度、低密度、低成本等诸多优点，被越来越广泛的使用在汽车上。因此，若能通过合理的分析研究，探索出一种适合铝合金板材冲压成型的优秀工艺，对于汽车制造业来说，将会受益无穷。 六、参考文献 1兰博.汽车铝合金覆盖件冲压成形数值模拟研究D.吉林:吉林大学,2015.2舒莉.基于有限元法的保险杠立柱成形回弹分析及其控制D.重庆:重庆大学,2007.3付宝连.金属成形过程的回弹变分原理J.工程力学,2002,19(6):87-92. 4安治国,周杰,张渝.工艺参数

20、对AA5754铝镁合金板料成形的影响J.热加工工艺, 2009,38(13):5-7. 5王宏雁,陈君毅.汽车车身轻量化结构与轻质材料M.北京:北京大学出版社,2009.6杨曼云,孙希平.汽车覆盖件成形数值模拟过程及影响因素研究J.模具技术, 2006,(1): 3-7.7赵侠,傅建,余玲,等.数值模拟技术在汽车覆盖件成形中的应用J.锻压技术, 2006, 31(1): 15-18.8罗亚军等.板料成形中的有限元数值模拟技术J.金属成形工艺.2000,18(6):1-39钟志华，李光耀薄板冲压成型过程的计算机仿真与应用M北京:机械工业出版社,1998 .10Makinouchi A，Kawka M.Process Simulation in Sheet Metal FormingJJournal of Materials Processing Technology，1994(46)：291-307 11Hirsch J.Aluminium alloys for automotive applicationC. Materials Science Forum. 1996, 242: 33-50. 指导教师意见 指导教师： 年 月 日专业教研室审查意见 负责人： 年 月 日第 6 页 共 7 页