汽车横梁冲压成型有限元分析本科毕业论文

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1、材料科学计算机数值模拟结课论文 汽车横梁冲压成型有限元分析摘要随着数值模拟分析技术、塑性成形理论、冲压成型技术和计算机技术的发展，以有限元为核心的DynaForm技术得到了快速发展。用于板料冲压成形的DynaForm技术，可以模拟板料冲压成形的全过程。本论文以汽车横梁为研究对象，应用DynaForm软件对其冲压成形过程进行有限元分析，分析了其成形过程当中典型缺陷产生的原因及其控制途径，讨论了凹模圆角半径、冲压速度、摩擦系数、压边力、拉延筋等参数对汽车横梁拉延质量的影响。并结合生产实际提出了合理的成形工艺方案和改进途径。此次模拟用于指导实践，可缩短模具开发时间，降低模具成本，提高企业收益，对生产

2、实践具有一定的指导意义。关键词：数值模拟；冲压成型；横梁；DynaFormAbstractWith the development of numerical simulation analysis technology, plastic forming theory, forming technology and computer technology, the finite element has been rapid development. DynaForm technology can simulate the whole process of sheet metal stamping

3、.In this thesis,cross member as the research object, we use Dyna发orm for finite element analysis of the stamping process and analyze the reasons and the ways to control the forming process of typical defects. We discussed the influence of radius of die, punch speed, friction coefficient, blank holdi

4、ng force, drawbead in the drawing quality has been discussed. Combined with the actual production ,we put forward reasonable forming process and ways of improvement. The simulation results are used to guide the practice, and they can shorten development time, reduce the mold cost, increase the incom

5、e of the enterprise,which has a certain guiding significance to the production practice.Key Words: numerical simulation; forming; cross member; Dyna发orm1 绪论1.1引言据统计，在汽车制造行业当中有6070的工件是利用冲压成形得到的。汽车覆盖件主要是指构成汽车驾驶室和车身表面的零件，也包括发动机和底盘的某些表面零件，分外覆盖件和内覆盖件两大类。和一般的薄板冲压件相比，汽车覆盖件具有结构尺寸大、形状复杂、板料相对厚度小等特点，成形过程当中容易出现

6、拉裂、变薄、起皱、成形不足等缺陷。因此，覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。1.2冲压技术介绍冲压成型是指靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件的加工方法。全世界的钢材中，有6070%是板材，其中大部分经过冲压成形制成成品。冲压成形在技术方面和经济方面都具有许多独特的优点。主要表现如下：(1)冲压成形生产效率高，操作方便，易于实现机械化和自动化。(2)冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量。因此既能够制造一般尺寸公差等级和形状的零件，又能够制造精密（公差在微米级）和复杂形状的零件。(3)冲压成形

7、可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件。(4)冲压一般没有切屑碎料产生，材料的消耗较少，且不需要其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，成本较低。由于冲压具有如此多的优越性，冲压加工在国民经济的各个领域应用范围非常广泛。冲压在电机、汽车制造、仪器仪表、航空航天、武器制造中，都具有十分重要的地位。据中国模具协会发布的统计数据可知，2008年我国冲压模具总产出约610亿元，其中出口约17.2亿元。根据我国海关统计资料，2004年我国共进口冲压模具约46.6亿元。从上述数字可以看出：2004年我国冲压模具市场总规模约为266.6亿元。其中，国内市场需求为260.4亿元，总供应约为213.8亿元

8、，市场供应率为82%。在上述供求总体情况中，有两个具体情况：一是进口模具大都是大型复杂精密模具，而出口模具大多是小型简单的中低档冲压模具；二是由于我国的模具价格要比国际市场价格低许多，具有一定的竞争力，因此其在国际市场前景看好。1.3板料成形有限元数值模拟技术板料成形数值模拟技术的研究开始于20世纪60年代1 2。早期主要采用有限差分法，直到20世纪70年代，有限元的方法才开始应用于板料成形数值模拟技术。20世纪80年代初，福特汽车公司的S.C.Tang和通用汽车公司的M.S.Wang等人经过长期探索，成功地对轿车行李箱盖和汽车翼子板的冲压成形过程进行了数值模拟3 4，开创了汽车覆盖件冲压成形

9、数值模拟技术的应用领域5 。随着数值模拟分析技术、塑性成形理论、冲压成型技术和计算机技术的发展，以有限元为核心的DynaForm技术得到了快速发展。用于板料冲压成形的DynaForm技术，可以利用计算机模拟板料冲压成形的全过程，得到成形极限、减薄率、应变量、回弹量等成形结果，通过观察材料的流动，对板料开裂、起皱、回弹等缺陷进行预测，从而了解材料参数、摩擦、力学参数、模具参数等对板料成形性能的影响。通过数值模拟技术在汽车覆盖件成形工艺上的应用，对提高模具研发能力有重大意义，突出体现在缩短模具生产周期、提高覆盖件质量和减少成本上6。 国外，板料成形有限元分析技术已成为许多模具制造公司和汽车生产厂家

10、提高产品竞争力的手段，此外还将 CAE 模拟分析作为产品设计与制造流程中不可逾越的工艺规范。如今，许多汽车行业开始应用 DynaForm模拟板料成形过程7。在美国，DynaForm技术的应用已经相当广泛，先进的计算机模拟已逐步与试验结合起来，并且有取代传统实验手段的发展趋势。法国的雷诺汽车公司不仅有自己的技术人员专门从事数值模拟研究工作，且与北京航空航天大学合作，对轻型汽车钣金零件材料的冲压成形技术进行数值模拟分析8。此外，日本的荻原公司也已经为多种车型建立起了基于有限元技术的板料成形数据库，目前，该公司能对汽车开发中的30%50%的冲压件进行板料成形模拟数值分析。 国内在冲压成型数值模拟方面

11、起步较晚，初始于20世纪80年代后期9 10，且主要集中在高校里，如上海交通大学、华中科技大学、吉林大学等。吉林大学何金保11等人利用DynaForm 软件对筒形件进行了有限元分析，较为完整地论述了防止零件起皱的方法以及零件断裂时压边圈和压边力的确定方法。于汇泳12等人利用 DynaForm 软件对汽车覆盖件的冲压成形过程进行了数值模拟，分析了影响其成形的因素 13。总之，改善汽车覆盖件的成形工艺和模具设计是提高产品质量、增强市场竞争力的关键，而板料成形有限元数值模拟技术将在覆盖件的模具设计和工艺优化过程当中起到重要作用，成为成形工艺性分析的有效手段。1.4课题的来源和意义汽车横梁产品模型如图

12、1-1所示，汽车横梁是一类较为典型的内覆盖件，是典型的承载零件。在车辆发生撞击时，对减震起到很大作用。因此，汽车横梁成形的好坏直接关系到汽车质量的优劣和汽车使用的安全性。横梁两侧的四个短边采用后续翻边来完成，横梁梁身采用一次拉深成型。图1-1 横梁模型 在汽车拉深模模具型面设计过程中，压料面和工艺补充面的设计是汽车覆盖件拉深模模具型面设计的重要环节，其设计的合理性是决定拉深成形能否顺利进行和能否获得合格工件的关键 14。传统的冲压成形工艺分析中，模具设计阶段主要是靠模具工程师的经验，必须进行反复试模和修模15 16。这种模具设计的方法大大延长了模具开发时间, 进而导致模具成本增加。 本课题借助

13、美国LSTC公司和ETA公司联合开发的板料成形分析以及数值仿真专用软件DynaForm，对汽车横梁的成形过程进行了数值模拟，分析了其成形过程当中典型缺陷产生的原因及其控制途径，并结合生产实际提出了合理的成形工艺方案和改进途径17 18。利用模拟结果指导生产实践，此方法大大缩短了模具开发时间，降低了模具成本，提高了企业收益19。2 横梁冲压成型有限元分析2.1横梁几何模型的建立2.1.1导入工件三维模型 本论文所研究的汽车横梁的三维模型如图1-1所示，它具有如下特点：拉延深度大，且分布不均，侧壁与底面、侧壁与法兰存在小圆角过渡，不利于充分成形。 2.1.2网格划分 有限元分析的成功与否，很大程度

14、上取决于网格质量。网格重叠会使计算进入循环，这种情况是不允许的。利用Dynaform的自适网格划分功能，可以给模型快速划分网格。再利用前处理中的模面检查功能，找出不合理的单元加以改正，这样就可以获得优质的网格模型。2.1.3产品模型向工艺模型的转化由汽车覆盖件产品模型向工艺模型的转化过程，就是根据所设计的冲压工序，由覆盖件形状设计出相应模具的过程。具体过程如下：1）确定冲压方向 选择正确合理的冲压方向不仅可以决定能否拉出合格的制件，而且还会影响到压料面和工艺补充面的形状。合理的冲压方向应满足以下4个方面的要求：（1）无负角 设定冲压方向时不允许产生如图2-1(a)所示的冲压负角（红色为冲压负角

15、区，绿色为合理区）；图2-1(b)无冲压负角，更合理。 (a)有冲压负角 (b)无冲压负角 图2-1 冲压方向示意图（2） 无滑移 正确合理的冲压方向要确保开始拉延时凸模与毛坯的接触状态良好、平坦、多点接触、平衡受力、材料不发生窜动。接触面积越大，接触面与水平面间的夹角越小，毛坯越不容易因局部应力过载而导致工件破裂。材料在拉延时贴模性越高，越容易获得完整的凸模形状，越有利于提高工件变形质量。设定时成形深度要尽量浅。 （3）无侧向力 正确合理的冲压方向要确保进料阻力平衡，拉延深度均匀。因为拉延深度均匀才能保证压料面进料阻力均匀，而压料面各部分进料阻力均匀才能确保拉延件不开裂、不起皱，所以应尽可能

16、地减少产品倾斜。（4）无冲击线 轿车外板不得在工件表面留下冲击线的痕迹。 2）工艺补充面的设计为了顺利实现拉延，需首先构造封闭曲面。为了构造封闭曲面，需要在工件模型的两端加上工艺补充面。工艺补充面是构成完整拉延件的必要组成部分，是指工件本身以外的部分，它对拉延能否成功有关键性的影响，也是衡量冲压工艺设计水平的标志之一。图2-2中蓝色部分为汽车横梁拉延模的工艺补充面。 图2-2 添加工艺补充面后的工件 合理地添加工艺补充面应当满足以下4个方面的要求：（1）添加后必须构成完整的拉延件，即生成一个完整的壳体，以便于进行拉延成形； （2）能够平衡成形阻力，控制材料的流入量，拉延深度要保证均匀，既可充分

17、利用材料的成形极限，又可避免开裂和起皱的产生； （3）必须满足压料面的设计要求； （4）必须满足拉延之后修边、翻边工序的要求。设计工艺补充面时应根据修边线的位置来合理确定补充面的尺寸，特别是凹模圆角处。因为凹模圆角对材料进料阻力的影响非常大，直接关系到拉延件的成形效果，所以取值要合理。在能够拉深出合格工件的前提下，尽可能减少工艺补充部分。3）确定压料面压料面是工艺补充的一部分，在添加工艺补充之前必须首先确定压料面的形状，以保证板料各部分所受的进料阻力相对均匀。要做到这一点，首先必须要保证拉延深度尽可能均匀，只有当压边圈可以将板料平坦的压紧在压料面上的情况下，拉延件才可以不出现起皱、开裂等缺陷。

18、在确定压料面时要注意以下5个方面： （1）压料面尽可能选择平面； （2）若压料面必须一个方向是曲线的话，另一个方向尽量保持直线； （3）压料面尽量避免急剧变弯； （4）压料面应尽量降低拉延深度；（5）压料面展开长度比与凸模展开长度相近或压料面展开长度比凸模展开长度短板料才能产生有效拉延，如果压料面展开长度比凸模展开长度长，拉延时可能会产成起皱甚至波纹。图2-3为本论文中凸模展开尺寸，图2-4为压料面展开尺寸。 图2-3 凸模展开尺寸 图2-4 压料面展开尺寸4）凸凹模的生成及其网格划分 在汽车覆盖件冲压成形有限元分析过程中，把模具作为刚体对待，计算过程当中，不需要计算模具中的应力应变，不影响系

19、统的临界时间步长，因此表征模具形面的网格，主要用于坯料之间的接触处理，即使是质量非常不好的单元，也可以方便地进行接触处理，所以，模具的网格形状和密度对冲压过程的有限元分析过程与结果都不会产生明显的影响，模具网格的划分只要能够适合模拟模具形面的形状即可。网格划分情况如图2-5所示： (a) 压边圈网格划分情况(b) 凹模网格划分情况图2-5 网格划分2.1.4估算毛坯尺寸并划分网格图2-3所示也可视为工件展开轮廓线，将其向外偏置10mm作为坯料轮廓线，选择10mm作为偏置量既保证了压料的可靠性又节省材料。为了得到理想的计算结果，要采用较小的单元网格，而单元尺寸的减小又有可能降低临界时间积分步长，

20、从而增加计算费用。 图2-6 毛坯尺寸2.2确定成型工艺参数2.2.1控制参数的设定成型工艺参数主要是指凸凹模、压边圈和板料之间的相对位置、接触类型、摩擦系数、压边力、冲压速度、拉延筋参数和材料性能参数等。本课题主要成形参数设置如下：采用反拉延成形，模具间隙1.65mm，初始摩擦系数取为缺省值0.125，即为无润滑条件下的摩擦系数，拉延筋类型选择input，选用等间隙压边方式。2.2.2工具定位汽车横梁冲压成形的压力机为单动压力机，单动压力机一般以凸模为基准，凸模在下，凹模在上，在这种情况下的拉深也被称为“反拉深”。本论文初始设计凸模、凹模、板料、压边圈的位置从高到低依次为：凹模、板料、压边圈

21、、凸模，具体位置如图2-7所示： 图2-7 工具定位 2.2.3工序设置 单动压机工作过程有两个动作，先是压边圈与凹模的压料动作，即凹模向下运动，使之先后与板料、压边圈相接触，从而压紧板料。然后是凹模的冲压动作，即凹模继续向下运动，对板料进行拉延，待凸凹模接触，凹模运动停止，得到板料的最终形状。 (1)冲压速度的设置 在实际的冲压成形过程中，模具的运动速度是缓慢的。但是，如果在模拟过程中使用实际的冲压速度，将导致计算时间过长，因此，需要人为的提高模具冲压速度、来减少分析的求解时间。另一方面模具的运动速度过快对成型质量不利，因此需要合理的选择冲压速度，争取既可以减少计算时间又能将冲压速度控制在工

22、件成形允许的范围之内。进行有限元仿真模拟时，模具的冲压速度应保持在2000 mm/s 到5000 mm/s 范围之内，同时应另速度曲线以零开始以零结束。 (2)压边力的设置 压边力 F的估算方法20如下： F = qA 式中 A 压边面积(坯料面积减去凸模形腔开口面积)q 单位面积上的压边力 q的经验公式21 为： q=48(z-1.1) 式中 z 各工序拉深系数的倒数 毛坯材料的抗拉强度 t 材料厚度 D 毛坯直径2.3有限元分析前处理完成之后就可以进行有限元分析了，Dynaform引入Lsdyna进行计算运行，并生成一个d3plot文件。本论文中汽车横梁的仿真结果如图2-8所示： (a)

23、成形极限图 (b) 材料流动情况 (c) 减薄率图图2-8 仿真结果 由成形极限图可以看出，本次拉延成形是有一定成形裕度的，因此本次模拟仿真是偏安全的，不会出现拉裂现象。在横梁的顶端板料最大增厚0.188 mm，增厚率9.4%，在允许增厚率10%的范围内。最薄处为1.363 mm，减薄率为31.85%，超出了允许减薄率30%的范围，因此，横梁侧壁的两端有破裂的危险。从材料流动情况可以看出：板料两端进料太慢，容易形成拉裂，板料中部进料较快容易产生起皱。从产品形状上分析，该工件顶面中间部分和端部结构的深度显著不同、零件圆角半径太小，导致变形差异较大，非常容易导致板料发生不均匀流动，从而导致成形之后

24、在横梁端部侧壁板厚减薄严重，易于出现端部侧壁破裂现象，而在中间部分则由于塑性变形不充分使成形具有一定难度。2.4本章小结本章利用DynaForm软件中的BSE模块完成了毛坯尺寸估算以及成了横梁工件的工艺补充。完成了前处理中的单元网格划分，并设定了各项工艺参数，用DynaForm软件进行了显式动力模拟仿真，得到了模拟仿真结果，并对结果中出现的缺陷做出简单分析。3 汽车横梁冲压成型工艺参数优化在汽车横梁冲压成形过程中，模具参数(凹模圆角、压边圈、拉深筋等)和工艺参数(压边力、冲压速度、摩擦系数等)对工件的成形程度和成形质量有决定性的影响22 23。在实际的冲压生产过程中，一旦模具参数确定，只有工艺

25、参数可以调整24。冲压工艺参数对汽车覆盖件冲压成型质量的影响存在诸多不确定因素，这是成形过程工艺优化和质量控制的难点之一25。通过有限元技术可对冲压工艺调整做出定性的指导，试验设计方法在一定程度上可以减少反复修模的盲目性，能够以较少的试验次数得到试验范围内较合理的工艺组合，降低生产成本。针对在利用Dynaform对汽车横梁进行有限元分析过程中所出现的开裂与起皱等缺陷问题，在今后模拟计算当中，可通过下列方法加以避免：（1）凸凹模圆角半径适中凹模圆角半径与材料流动密切相关。在一定范围内，凹模圆角越大，越有利于板料两端的材料向工件顶部流动，工件四壁越不易因料流入不足而破裂。但是，若凹模圆角过大，则会

26、导致流料阻力过小，加上大面积坯料在成型过程中处于悬空状态，易于在凹模圆角处产生褶皱，进而导致拉裂。因此凹模圆角太大或太小均不利于横梁的冲压成型，它存在一个最优值。（2）适宜的压边力压边力越大，板料边缘的材料越不易流入，板料拉裂的倾向越严重；反之，压边力越小，板料边缘的材料越易流入，板料拉裂的倾向越小，起皱的倾向越严重。实际生产过程中，应结合拉延筋阻力和摩擦系数，综合考虑压边力的大小。考虑到大压力机成本高，在可以成型工件的前提下，应尽量选择使用小压边力。（3）摩擦系数适中摩擦系数越大，板料边缘的材料越不易流入，板料拉裂的倾向越严重；反之，摩擦系数越小，板料边缘的材料越易流入，板料拉裂的倾向越小，

27、起皱的倾向越严重。实际生产过程中，应结合冲压件成型效果，对摩擦系数做出适当的局部调整。摩擦系数的调整可通过改变模具表面光洁度、加润滑油等方法调整。（4）合理的冲压速度冲压速度越大，板料边缘的材料来不及流入就已经冲形结束，板料拉裂的倾向越趋于严重；反之，冲压速度越小，板料边缘的材料流入较为充分冲形才结束，板料拉裂的倾向减小。（5）拉延阻力适中拉延筋起到阻碍板料流动的作用，拉延阻力越大，起皱现象减少，拉裂现象增加。4 结 论本文应用 DynaForm 软件对汽车横梁的冲压成形过程进行了仿真，为工厂实际的汽车横梁冲压模设计提供了一定的依据，实际冲压成型参数的设计提供了理论指导。建立了有限元分析模型，

28、利用 DynaForm 软件进行了拉延分析。通过对成形极限图、材料流动图、减薄率图的分析可知：凸凹模圆角半径、压边力、摩擦系数、冲压速度、拉延阻力均对冲压成形过程有较大影响。在实际生产中，应根据模拟情况，选择合理数值。参 考 文 献1.D.M.Woo.On the Complete Solution of the Deep Drawing Problem. Int.J.Mech.Sci,1986,10:8994.2 N.M.Wang.Large Plastic Deformation of a Circular Sheet Caused by Punch Stretching. J.Appl.

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