汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺【优秀课程毕业设计含三维5张CAD图纸+带任务书+开题报告+文献综述+答辩ppt+外文翻译】

汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺【优秀课程毕业设计含三维5张CAD图纸+带任务书+开题报告+文献综述+答辩ppt+外文翻译】汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺摘    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。基于此，在汽车车身及其零配的件的材料选择上，人们越来越关注材料本身的重量。其中，铝合金板材作为一种低密度、高强度、可塑性强的金属材料，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、断裂、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 Optimization of Aluminum Brackets for Automobile BumperAbstractIn 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 the 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, rupture, 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 excellent 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 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目录第1章 绪论11.1 引言11.2 汽车保险杠铝成型组件工艺优化的科学意义11.3 汽车保险杠铝成型组件质量问题的国内外研究状况11.3.1 国外研究情况21.3.2 国内研究情况21.4汽车保险杠铝成型组件的发展趋势21.5汽车保险杠铝成型组件缺陷分析31.5.1起皱31.5.2破裂41.5.3回弹51.6本文研究的主要内容51.7本章小结6第2章 板材冲压有限元分析理论72.1 ANSYS Workbench软件介绍72.2 材料的特性72.3 材料的屈服准则82.3.1 Tresca 屈服准则82.3.2 Von Mises 屈服准则92.4材料的硬化准则92.4.1各向同性硬化准则92.4.2随动硬化准则102.5 冲压过程应力加载和卸载法则112.6 冲压过程接触算法112.6.1 拉格朗日算法122.6.2 罚函数接触算法122.6.3 非线性罚函数接触算法12第3章 保险杠组件冲压成型工艺153.1 保险杠组件冲压成型的的工艺特点153.2 保险杠组件冲压工艺的详细说明163.3 本章小结20第4章 有限元分析过程及结果214.1概述214.2 分析流程及结果214.2.1分析流程214.2.2 分析结果254.3 本章小结26第5章 工艺优化内容及结果275.1 工艺优化的注意事项275.2 工艺优化的内容275.3 优化效果305.4 本章小结30致  谢31参考文献32【详情如下】【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】三维图.zip上模切边刀块.dwg下模废料刀块.dwg产品.dwg任务书.doc冲头固定座.dwg原创性声明.doc外文翻译.docx封面.doc成绩单.doc文件清单.txt有限元分析结果有限元分析结果.zip模具装配图.dwg汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化.docx汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化开题报告.doc汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化文献综述.doc答辩PPT.pptxCAXA副本图纸.zipFinite Element Analysis and Shape Optimization of Aluminum Alloy Automobile Energy-absorbing Components.pdf 2,a, ,b , 50086, 50086, a In of by a In E of by E of an of in to of of he of an in of As to of in 1, 2. no t s It is to in is of it at of a In it is to be to so of is be 3, 4. It in 1. In at by is In of of by 3. of is s , p , of m . m by 2), Es is is 0121662249542013 No of of be or in or by (#69714362, 9/16,05:27:40) (1) Fm is m of m, in of of a of to in a of 5. In a by of 70mm 160mm is 2. A 000on of as in 2, at m / h. 075y = 455 = x 10 v= s E = 711 of in 2 of of on of is 3. of is of of of 180It is to to to of 3 of 4 of （）（J）24955 E of by E to we m as an to of m is 6. = (2) )= 1 , 2 is u is t b is of in +=+= 3) =mF (3) of m=E 7on of E of in In to of it is to of an of of 5, (a) (b) (c) (d) e) 20mm 80mm 075to E of 0 ms as we is a), of a) (b) (c) (d) e) 180is a). We of (a) (b) (c) (a) (b) (c) (d) (e) (d) (e) 5 of 6 70s of EM 956 to to . to be 7 8 In on as 9(a). FE as (b). (a) （b） 9 of is 10. of of of 0 We by 12511391). 1 A M S 32 (2007), 2 M A M 2006) 3 H. R. . 46(2008), 4 X. Y. X. L. Y. Y. Li . G. 29( 2005), 5 Q. F. et 2009) 6 A et 3001) （J）（） （）no 24957 任务书 (理工类 ) 学生姓名： 专 业： 班 级： 学 号： 指导教师： 职 称： 完成时间： 毕业设计 (论文 )题目： 汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化 题目来源 教师科研课 题 纵向课题（ ） 题目类型 理论研究（ ） 注：请直接在所属项目括号内打“ ” 横向课题（ ） 应用研究（ ） 教师自拟课题（ ） 应用设计（ ） 学生自拟课题（ ） 其 他（ ） 总体设计要求及技术要点 ： 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。 铝合金 具有 密度低，强度高，塑性好 等物理特性 ，在汽车轻量化和提升碰撞安全性能等方面有着出色的表现。但由于铝合金晶的体结构与普通钢材存在很大差异，导致铝合金板的成型性能比普通钢板较差，而汽车上的铝合金板材以覆盖件形式居多，形状较为复杂且尺寸轮廓大，导致汽车铝合金覆盖件在冲压成形过程中更容易出现起皱、破裂、变形不足以及回弹等缺陷。这些问题不但导致材料被大量浪费，还增大了零件质量控制以及模具设计的难度，严重 制约了铝合金材料在汽车覆盖件上的应用。因此，通过优化工艺方案及工艺参数，探索出一种适合车用铝合金材料的冲压成形工艺，改善铝合金覆盖件的成品率和成形质量。 工作环境及技术条件： 以某轿车为例，对汽车保险杠铝成型组件进行有限元分析及工艺优化。 工作内容及最终成果： 1、 根据产品设计要求，完整地画出产品零件 2D、 3D 各 1 张，模具零件图若干，装配图 1 张，所画图纸需能满足产品实际功能且能满足客户要求；并能应用于实际生产中。 2、 工艺优化部分，要求以公司实际生产情况为基础，提出合理可行的优化建议，并要 求提供以下资料，且装订成册： 1）造成目前问题的主要因素分析结果； 2）现有工艺存在的具体问题； 3）合理可行的改进建议或措施； 4）实施改进所需的器件、资金投入、技术支持等； 5) 优化后具体实践数据支持； 6) 优化前后具体结果对比； 时间进度安排： 广泛查阅参考资料，重点阅读重要参考文献； 查阅资料，确定具体实施方案 计算所需参数 画出各个零件图和装配图 完成有限元分析并提出工艺优化建议或措施 撰写论文，准备答辩。 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字： 年 月 日 北华航天工业学院 本 科 生 毕业设计（论文）原创性及知识产权声明 本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有，本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。 本毕业设计（论文）成果归北华航天工 业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。 特此声明 毕业设计（论文）作者： 指导教师： 年 月 日 年 月 日 第 1 页 译文标题 汽车铝合金能量吸收组件的有限元分析和形状优化 原文标题 作 者 an 名 刘艳杰，丁林 李庆芬，王丹 国 籍 中国 原文出处 应用力学与材料 1662 24954 013 士 译文： 关键字 有限元分析 铝合金 形状优化 能量吸收组件 摘 要 ： 在本研究工作中，通过有限元（ 对汽车铝合金能量吸收组件的结构进行了仿真分析和优化设计。使用 件进行数值模拟。汽车能量吸收组件通常制成薄壁管结构。 在本文中，管是采用铝合金材料。对薄壁管的有限元模进行分析， 通过比较理论结果和有限元模型结果，得到的结果为二者具有良好的相关性，这表明数值分析是可靠的。 为提高薄壁管的耐冲击性，将注意力集中在找到一种最佳横截面形状上。 对所研究的几种类型的横截面比较， 结果表明，当采用带槽的方形洁面时，管的耐冲击性明显提高。 引言 汽车的安全性一直是汽车研究领域的一个重要问题。在世界范围内，交通事故都是一个严重的社会问题。在中国，由于汽车高速撞击造成的死伤的案例，一直是人们关注的焦点。然而 ,由于低速碰撞通常发生在城市的交通拥堵区 1， 2 。对于人员没有较重伤害，因此低速度碰撞没能引起人们的注意。正因为如此，研究低速撞击中涉及的技术问题，就显得尤为必要。薄壁管通常装在汽车前端，是汽车发生碰撞时能量吸收的重要部件之一。在低速碰撞事故中，薄壁管将会在人的身体受到冲击之前，预先吸收撞击所产生的能量，使乘客舱的受损变得最小化，乘客可以幸存 3， 4。薄壁管在车身的位置如图 1 所示。 本文采用有限元（ 法对汽车吸能部件进行了低速冲击试验研究，并进行了理论验证。并以此优化薄壁管的形状。 有限元建模 主要性能评价参数：在正面低速碰撞的情况下，管材吸收冲击能量，主要通过塑性变形降低冲击载荷峰值 3 。该管的最重要的性能评价参数是通过塑性变形吸收的总冲击能量 击力峰值 管的压缩位移 m。 方程 (1)给出的平均冲击力 ,式中， 总的冲击能量吸收， ) 第 2 页 术平均值 ,随着 增加，管的吸收能量将增加。 大，能量吸收越大，乘客的安全更有保障。因此，在不超过许可峰值的前提下，平均冲击载荷越大，吸收性能越好。 模型的建立：薄壁管，特别是方形截面的薄壁管，一种常见的汽车防碰撞装置，因为它们相对便宜，通用和高效的吸收能量。导致他们被用于各种各样的冲击加载应用 5 。 在本文中，利用 先创建了一个方形截面管的轴向低速冲击的有限元模型，（ 70、长 160 ），管有限元网格如图 2所示。 刚性板 1000置在管的顶部，如图 2所示，轴向冲击速度为 小时，管是用 7075铝合金制造的模型，屈服强度 y= 455度 = x 10 松比 v= 033 ，杨氏模量 E = 71 图 1 图 2 仿真分析：模拟了方形截面管在轴向低速冲击下的吸能特性。冲击载荷与位移的曲线如图 3 能量曲线所示。位移显示如图 4 所示。其中，冲击载荷峰值是能量吸收的重要参数之一，为 237427于允许值 180了提高吸能特性，必须对管进行优化设计，特别是降低冲击载荷峰值。 图 3 图 4 理论验证：通过比较理论和有限元模型结果，验证了方形截面铝合金管的有限元模型。由于空间的限制，我们只能采取平均冲击负荷的 例。一些研究人员已 经进行了实验研究，以更准确地预测工程应用的临界应力。其中，矩形截面薄壁 第 3 页 管平均冲击载荷的经验公式为 2 。 3 (2) 当 0 = 12（ 02 + u)，其中 02屈服强， t 是壁厚 ,于目前工作中使用的材料，有： 0=（ 02+ u） /2=（ =此，平均冲击载荷计算由方程（ 3）计算得： 70/ 平均冲击载荷理论计算结 有限元模型的结果 7结果表明，理论计算结果与有限元模型结果的平均差异为 结果相关性良好。为后续的分析结果提供了依据。 优化设计 横截面的形状优化：为了提高碰撞箱的能量吸收特性，优化薄壁管的形状结构是必要的。首先关注的是找到一个最佳的横截面形状的管。五种类型的薄壁管进行了研究和比较。管截面几何形状如图 5 所示，其中，（一）方形、圆形截面（ B），（ C）六边形截面，（ D）和（ E）八角形截面、矩形截面。所有的管子都长 120的是同一圆周 2807075 铝合金材料。根据相同的有限元建模方法和边界条件，对五铝合金管进行了数值模拟。 20 毫秒后冲击载荷下的管倒塌显示如图 6 所示。 对比仿真结果（能量与位移和冲击载荷与位移）如图 7 图 8 所示。我们可以得出结论为：最好的横截面是形状方形截面（ a），峰值冲击负荷对不同截面形状的管分别为： (a) (b) (c) d)(e) 比允许值 180很多。其中，形状（ a）所受载荷最低。因此我们采取薄壁方形截面管的进一步优化设计。 图 5 图 6 由于薄壁管受到冲击，管子发生内外反复收缩变形，如图 4 所示。根据变形趋势集槽，冲击载荷将减少。 第 4 页 图 7 图 8 本文采用方形截面管上的凹槽，如图 9（ a）所示。有限元模拟的结果（带凹槽的方形铝合金模型变形，管和冲击载荷与位移的）如图所示 9（ b）。 图 9 图 10 图 10 中给出了没有槽和槽的管的比较。 结果表明，当采用槽时，方形截面薄壁管的能量吸收特性明显。 当冲击载荷的峰值为 70 ， 因此，我们得出结论，通过选择适当的横截面和采用适当的凹槽，可成功对薄壁铝合金材料的形状进行优化。 第 5 页 致 谢 这项工作得到了黑龙江省教委科技项目（ 12511391）的财政支持。 第 6 页 参考文献 1 A M S 32 (2007), 2 M A M 2006) 3 H. R. . 46(2008), 4 X. Y. X. L. Y. Y. Li . G. 29( 2005), 5 Q. F. et 2009) 6 A et 3001) 第 7 页 指 导 教 师 评 语 外文翻译成绩： 指导教师签字： 年 月 日 第 8 页 注： 1. 指导教师对译文进行评阅时应注意以下几个方面：翻译的外文文献与毕业设计（论文）的主题是否高度相关，并作为外文参考文献列入毕业设计（论文）的参考文献；翻译的外文文献字数是否达到规定数量（ 3 000 字以上）；译文语言是否准确、通顺、具有参考价值。 2. 外文原文应以附件的方式置于译文之后。 毕业设计报告 (论文 ) 报告 (论文 )题目： 汽车保险杠铝成型组件有 限元分析及工艺优化 作者所在系部： 机电工程学院 作者所在专业： 车辆工程 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 马关益 作 者 学 号 ： 201322416 指导教师姓名： 许文娟 完 成 时 间 ： 2017 年 5 月 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院 本科毕业设计（论文）成绩单 姓 名 马关益 班 级 号 201322416 入学时间 别 机电工程学院 专 业 车辆工程 指 导 教 师 许文娟 职 称 讲师 设计（论文） 起止时间 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 指导教师评语 成绩 1 指导教师签名： 年 月 日 评阅验收小组评语 成绩 2 评阅人签名： 年 月 日 答辩小组评语 成绩 3 答辩小组负责人 签名： 年 月 日 综合评定成绩 系答辩委员会主任签字： 年 月 日 注： 综合评定成绩 =成绩 1*绩 2*绩 3*0.4 北华航天工业学院毕业论文 汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化 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。 基于此， 在 汽车车身及其零配的 件的材料选择上，人们越来越关注材料本身的重量。 其中，铝合金板材作为一种低密度、高强度、可塑性强的金属材料，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、断 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 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 北华航天工业学院毕业论文 n of of as a of by of in a of of in to a of of In is to of in to is To of 华航天工业学院毕业论文 目录 第 1 章 绪论 . 1 言 . 1 车保险杠铝成型组件工艺优化的科学意义 . 1 车保险杠铝成型组件质量问题的国内外研究状况 . 1 外研究情况 . 2 内研究情况 . 2 车保险杠铝成型组件的发展 趋势 . 2 车保险杠铝成型组件缺陷分析 . 3 皱 . 3 裂 . 4 弹 . 5 文研究的主要内容 . 5 章小结 . 6 第 2 章 板材冲压有限元分析理论 . 7 件介绍 . 7 料的特性 . 7 料的屈服准则 . 8 服准则 . 8 服准则 . 9 料的硬化准则 . 9 向同性硬化准则 . 9 动硬化准则 . 10 压过程应力加载和卸载法则 . 11 压过程接触算法 . 11 格朗日算法 . 12 北华航天工业学院毕业论文 函数接触算法 . 12 线性罚函数接触算法 . 12 第 3 章 保险杠组件冲压成型工艺 . 15 险杠组件冲压成型的的工艺特点 . 15 险杠组件冲压工艺的详细说明 . 16 章小结 . 20 第 4 章 有限元分析过程及结果 . 21 述 . 21 析流程及结果 . 21 析流程 . 21 析结果 . 25 章小结 . 26 第 5 章 工艺优化内容及结果 . 27 艺优化的注意事项 . 27 艺优化的内容 . 27 化效果 . 30 章小结 . 30 致 谢 . 31 参考文献 . 32 北华航天工业学院毕业论文 1 第 1 章 绪论 言 近年来，由于人们人们生活水平的不断提高 ， 对衣食住行的要求也越累越重视。汽车 最为一种最常见的交通工具，为人们的出行提供了极大的方便，因此汽车的保有量近年来出现了持续增长的趋势 。据统计， 2016 年新注册登记的汽车达 2752 万辆，保有量净增 2212 万辆，汽车 总 保有量 已 达 辆 ， 均达到历史新高 。 另一方面，由于环境污染、空气恶化等社会问题日趋严重，节能环保的问题也开始得到人们的重视。在汽车制造领域，越来越多汽车厂商开始重视汽车的减排问题，都致力与研发同时兼顾 节能、 环保和安全 三个优点为一体的新时代汽车。研究发现，通过减轻汽车自重来减少能源消耗效果可谓说是立竿见影， 据统计： 汽车每减重 10%，油耗可降低 6%8%，车身质量占汽车总质量的 40% 60%， 因此， 可以说，减轻车身重量对于节约能源减少排放有着十分重要的作用。 当然， 减轻车身质量并不是盲目为之 ，而是 必须 在保证 不影响 汽车安全和性能的前提下，最 大 可能 地减轻车身的质量。传统的高强度钢材料尽管有许多优良性能，但对于减轻车身重量而言，显然不尽人意。随着材料技术的发展， 很多轻质材料诸如 铝合金等 材料 运用越来越广泛， 运用铝合金 等轻质 制造车身 及汽车配件不仅 为车身轻量化提供了巨大的发展空间， 而且与传统的高强度钢相比相比具有密度小、耐锈蚀 易成型 等优点， 因此，铝合金材料在 车身上的使用量 越来越多 ， 已经 逐渐成为 减轻车身质量化技术中取代 钢材的主要材料 之一 ， 在 汽车轻量化 中，铝合金等轻质材料做出了不可磨灭的贡献。然而 ， 在实际的生产制造过程中 ， 由于 铝合金板与传统钢板 的 冲压成形特性 并不完全相同，尤其 是 汽车车身覆盖件冲压成型工艺中常见的 起 皱、破 裂、 回弹 等 问题， 根本 无法完全借鉴钢板成形方面的经验 来解决 ， 导致实际生产 过程中 由于 零件 产生 因质量问题 而 无法满足外观使用、装配性等要求，所以， 对铝合金车身覆盖件的质量 研究正成为汽车车身成形技术的前沿和热点 。 车保险杠铝成型组件工艺优化的科学意义 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，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 营利润。 车保险杠铝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 此类由 板料冲压成形 的零件北华航天工业学院毕业论文 2 容易出现的常见 缺陷 问题，自上世纪 50 年代以来，国内外大量学者 针对这些 问题进行了深入的理论分析、模拟和实验研究。 外研究情况 从 上世纪 50 年代起， 等人 通过 多年 探索 研究， 在板料成形及回弹分析 方面取得了初步进展，为后续的研究 奠定了理论基础。 随后，人 尝试通过对 弹性模量 的研究，找出其 对板料回弹的影响。 板料成形模拟的静态隐式算法和动态显示算法 结合起 ，以此 来求解回弹问题是一种十分 的方法 。 随着人们不断的追求车身轻量化并将铝和强度钢等材料大量用于车身上 。 板材冲压成型所出现的质量问题也越来越得到人们的重视 ， 由此对其进行了大量的分析和研究。 析 了 工艺参数（ 如 凹模圆角半径 摩擦系数 、凸凹模间隙 C 等）对 U 形件成形后质量的影响，其分析 结果表明： 增加凹模圆角半径和凹凸模空隙并减小摩擦系数会加重 零件的回弹现象。此外， 人也用汽车 轮毂 和顶盖作为研究对象， 对其进行了 研究 分析 。 还有 人 通过 有限元模拟方法，针对不同形状配件的模具进行回弹迭代补偿，使最后 成形后的零件 刚好与零件本身的设计要求相符。究了板料回弹的 影响因数 ，他 认为材料参数的波动变 对回弹缺陷的影响 化非常敏感， 此外， 对 于 高强度板的大回弹问题， 他 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。 内研究情况 我国对于此类 的板料成形 质量 题研究时间比较短，但也取得了一定成果。 首先由付宝连 等人 创立 了金属成形过程的回弹最 最小余能原理 和小势能原理 ， 并将该原理运用于 曲梁回弹变形 和 悬臂梁回弹变形计算。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 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 法。章婷等 人 采用 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，张立力等 人 针对板材成形中的回弹补偿问题，通过采用通用机械软件 件 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。 车保险杠铝成型组件的发展趋势 无论汽车技术怎样发展，人们在研究汽车轻量化的同时， 汽车的安全性仍会被人们放在首位。 如果一辆汽车车身重量很轻，节能减排的效果十分出色，但也丧失了其基本的安全保障能力，那么，这样的汽车也必将不会被人们接受，因此，在降低车身北华航天工业学院毕业论文 3 质量的问题上，选择合适的材料十分重要。由于铝合金具有诸多优点，使用铝合金材料代替传统钢材在汽车车身上使用， 不仅 能最大限度的降低车身质量 ， 而且 在 提高汽车的机动性能和 高乘客的舒适性及 安全性 的方面， 也 具 有这显著效果 。正是由于这些原因， 现如今全球 各大汽车公司为了 在保证汽车安全性的同时降低车身质量 ，都 在不遗余力的研发铝合金车身零部件 乃至 全铝车身。 而保险杠 作为汽车上的一个重要 零 部件， 当汽车受到外界撞击时，它能有效的减缓外界冲击， 保护车内乘客安全，在一定程度上还能保护车身不被严重破坏。 所以 无论是传统车型还是近几年兴起的新能源车型， 都无法舍弃这一装置，而 且因其工作时将承受巨大冲击载荷， 制作材料要求具有高强度、高硬度等特点。铝合金材料不仅能满足这一要求，而且还能大大降低其自身重量， 当然会首先进入人们的视线。 因此，用铝合金材料制作保险杠及其相关组件，将会有很好的发展趋势。 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 的 形状较为复杂， 其 几何尺寸较大， 而且在实际生产中，模具总是在不断的打开和关闭，致使 板料与模具 不断接触，另一方面，由于冲压过程中板料 所受载荷路径极为复杂， 因此很难保证在冲压过程中材料不会出现失稳变形的情况。而 为了保证零件表面质量和装配精度，这些 诸如起皱、破裂、回弹等质量问题 是 绝对不允许出现在零件上的，这就增加了 零件成型模具开发设计 工作的难度，以下将 针对上述的主要缺陷进行分析。 皱 起皱是保险杠 铝成型组件冲压成型过程中 比较普遍 的 质量 缺陷之一 。 它是由于材料 在塑性变形过程 中局部压应力过大而出现的 不均匀变形。 由于是板材冲压成型 ， 受压材 料一般较薄， 因此 在成型 的过程中厚度方向上的变形很不稳定。材 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。 如图 1示。 当然，除此 之外，成型过程中 往往还跟 随着一些 不均匀拉应力、剪应力或板内弯曲应力 等，这些因素 也可能使 板材出现起皱缺陷。起皱缺陷会对 此类 尺寸精度和表面 质量要求较高的车身覆盖件 会 产生极大影响， 若起皱过于严重，则零件将直接报废， 造成资源浪费。 图 1险杠组件起皱缺陷 北华航天工业学院毕业论文 4 解决此类零件起皱问题时， 一般 在保证 产品使用功能不丧失 的前提下 通过调整 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 优化 模具设计制造等，最终达到改善和消除起皱缺陷的目的。 裂 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，它是材 料在成型 的 过程中拉伸 过度导致 失稳的一种主要表现形式。板料变形过程中 在其 内部 会 存在拉应力 相对集中区域，随着变形的不断加大，当某处材料所受到的拉应力 过大， 接近或超过材料本身的 最大抗拉强度时 ， 材料就将出现拉裂或拉断现象，也就产生了破裂的缺陷 。 保险杆铝成型组件拉延过程主要在以下两种 区 域 容易 出现破裂：一种是出现在 材 料 的 传力区，主要 原因是 由于材料强度不够， 这种破裂缺一般延伸至零件边缘，如图 1示。 另 一种破裂 容易 出现在零件大的塑性变形区， 主要是材料的塑性无法满足拉延变形要求而引起的 ，如图 1示。 无论是上述哪种破裂形式，此种 缺陷 在实际生产中 会 直接影响着产品的成形质量， 导致产品报废，因此 在实际生产中绝不允许出现此种缺陷。 图 1险杠组 传力区 件破裂缺陷 图 1险杠组件塑性变形区破裂缺陷 北华航天工业学院毕业论文 5 在 板材 冲压成型过程中， 存在很多容易导致板材破裂的因素 。为防止 此种缺陷的产生 ， 一般采取以下措施：可根据最终产品的具体情况选择合适的毛坯 形状和尺寸；采用机械性能较好的材料作为零件材料； 此外，可 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 的参数，并 提供良好的润滑条件 等。 弹 起皱缺陷和 破裂缺陷， 究其原因 都是由于板料在冲压成型过程中 内部 应力变化造成的，然而，除了上述两种常见缺陷外， 在保险杠组件 实际生产 过程中，还有一种常见缺陷， 它主要由 材料本身的性能决定， 且往往发生在冲压成型之后， 那就是回弹缺陷，众所周知，金属板材在冲压成型时发生的变形形式主要包括两种 ：弹性变形和塑性变形。 当冲压成型 结束后 ，由于模具和零件分离，而金属板材本身具有弹性， 因此在无外部压力的情况下 ， 冲压之后的板材部分区域会出现弹性回复的现象，这种现象往往导致成形后零件的实际尺寸值与标准值存在偏差，当然，对于零件的实际形状 也会产生很大影响， 这种现象就称之为回弹现象。 汽车保险杠组件主要以弯曲变形为主，因此产生回弹现象是不可避免的。 回弹现象对零件的成品质量影响很大， 当回弹 的 量过大且 超过 零件 允许误差后 ，零件就将直接报废， 因此，回弹也是 影响零件质量的 重要缺陷。 实际生产过程中很多因素都可能导致最终零件产生回弹现象。除了材料本身的性能外 ， 还有模具的间隙和零件本身的形状，以及 压边力、摩擦接触等因素 都对回弹有较大影响 。解决回弹问题，要根据 零件 件的具体形状、尺寸及成型过程的变形特点 等进行具体分析。 文研究的主要内容 本文将以汽车保险杠铝成型组件为例，并结合 限元分析软件，模拟保险杠组件冲压 成型过程，分析现有工艺状况及实际生产条件， 找出其中容易导致产品成形后出现起皱、破裂、回弹等缺陷的 因素，并依据分析结果，结合企业实际生产条件，对冲压成型工艺做出合理优化，力求达到提高最终成品率的目的。 具体工作内容如下： （ 1） 研究背景及研究意义简要介绍； （ 2） 板材冲压有限元分析基本理论说明，包括相关软件介绍，材料特性，材料屈服、硬化准则，接触算法，加载卸载法则以及三维模型建立等内容； （ 3） 研究对象的工艺特点及工艺分析； （ 4） 对模型进行有限元分析 ，研究其变形状况，为工艺优化做准备； （ 5） 结合有限元分析内容，提出几点符合企业实际情况工艺优化措施，并对现有工艺适度改进优化； 北华航天工业学院毕业论文 6 （ 6） 通过现场实验，对优化后的工艺进行验证，并与优化前的结果作对比，记录相关实验数据。 （ 7） 对研究结果做出总结。 章小结 本章主要对研究内容做了一个简要说明，分析了课题研究意义、国内外发展状况以及相关技术的发展趋势，并从针对本课题的具体对象，简要介绍其实际生产中常见的缺陷类型。 北华航天工业学院毕业论文 7 第 2 章 板材冲压有限元分析理论 件介绍 件 由 美国 司 开发 ，是 一款功能 十分 强大的 大型通用有限元分析（ 件， 同时也 是 目前全球 范围内增长最快的计算机辅助工程（ 件 。它 能与 大部分的 计算机辅助设计 软件 （ 接口，实现数据的 共享 以及 交换。是融 合 了 流体、电场、 声场 、 磁场 、 结构 分析 等 于一 身 的大型通用有限元分析软件 。而 自 始， 司 便 推出了 经典版 ）和 两个 不同 版本，并且目前均已开发至 本。 其中， 司提出的协同仿真环境， 目的是 解决企业 在 产品研发过程中 常见的 件 异构问题。 它不但继承了 面在有限元仿真分析上的大部分强大功能，还提供了 向参数链接互动、项目参数自动更新机制、全新的参数和无缝集成优化设计工具等，使得 “仿真驱动产品设计”方面达到了前所未有的高度。可以说， 正实现了集产品设计、仿真、优化功能于一身 ，可以帮助设计人员完成在同一平台上完成产品研发过程的所有工作，从而大大缩短了产品研发周期，加快了上市步伐。 本课题研究所用的 为 本。 它是一个集成框架，整合了现有的各种应用并将仿真过程集成在同一界面下， 其主要有三个模块组成，分别是： 何模型 建立模块 ，为 后续 分析做准备。 用 分析模块实现网格划分，用来求解以及后处理，包括常见的 。 用于研究变量（几何、载荷等）对响应（应力、频率等）的影响，可实现优化。 除了以上三个主要模块， 很多其他模块，其中比较典型的有：进行全隐性耦合算法的 于专业涡轮叶片设计的 于爆炸等场合的高度非线性显示动力学分析的 些模块将 造成了应用极广的有限元分析软件。 料的特性 本文研究的例子是保险杆组件，属于汽车覆盖件的一种。而汽车覆盖件的 原 材料一般为金属材料，本例也不例外。 该组件使用的原材料是铝合金，牌号为 其泊松比 性模量 E 72体规范如 表 2 所示。 北华航天工业学院毕业论文 8 项目 名称 数值 单位 尺寸（长 *宽） 980 380 度 10% 度 2160 10% g/花高度 0.5 裂伸长率 =38% /50拉强度 70 80 分 铝（ =g 硅（ 0 g 铜（ 0 g 镁（ 0 g 锌（ 0 g 锰（ 0 g 钛（ 0 g 钒（ V） 0 g 铁（ 0 g 其他 0 g 表 2材料基本信息 1050A 铝合金主要成分是 工业纯铝， 其 含量 高达 （质量分数） 上 ， 所以 ，1050A 铝合金 的熔点比较低， 不可运用热处理的方法来加强它本身的硬度 。 但是 它 的塑性 特别好 ， 在冲压成型方面有很大优势，易被加工成各种形状。 不仅如此， 1050导电性和导热性也十分出色 。 因此， 在制造领域 1050A 铝合金被 广泛 使用，并 应用于 各种各样的产品 。 料的屈服准则 金属材料在受到外力作用的过程中，其自身性能以及它受到的应力状态会使它由弹性变形逐渐向塑性变形过度。在 同等 条件下，金属材料的屈服极限仅由应力状态决定，当金属材料受力时，材料内部的质点由弹性状态逐渐过度到塑性状态的准则，称之为为屈服准则。 对于金属材料而言，常用的屈服准则主要有以下几种： 服准则 材料 的 塑性变形与 其受到的 最大切应力 之间 存在某种关系， 当 最大切应力 的值 达到某一特定值 （ 即材料单向拉伸或者压缩时屈服强度值（ ）的一半）时，材料就会发生屈服。 服准则可表示为： 北华航天工业学院毕业论文 9 （ 2 式 中 材料的最大切应力 （ N/ 材料的屈服强度 （ N/ 从上式可以看出，当材料的最大切应力达到屈服强度的一半时，材料就将进入并保持塑性变形状态，而和另外的两个差值没有关系。 服准则 计算 虽然简单，但只能 看出是否发生屈服与最大主应力和最小主应力的关系，无法反应第二主应力的影响。 服准则 服准则是在 1913 年由德国力学家 对 服准则作了进一步的弥补和改进之后提出的，该准则指出，在一定的变形条件下，不管物体处于什么状态，一旦其 所受 应力的三个主应力组合符合 某种 特定条件， 则 材料的屈服准则可表示为 服准则于。 与 服准则 相比，凡是 通过 服准则 来 描述的材料 ，都 是各向同性的，即 当 材料内 部 任意一点的等效应力达到屈服极限时， 那么该点就 会进入塑性变形状态。 服准则 采用三个主应力的函数表达式如下： ( ) （ 2 式中 材料内部的等效应力 （ N/ 料的硬化准则 在金属塑性变形过程中，随着应变的增加，应力会急剧增大，此时就会发生加工硬化现象，而硬化准则 就是用数学表达式来描述 材料变形 过程中 所受 应力与 自身 应变之间 的关系。金属板料塑性变形中的硬化准则主要描述了材料发生塑性变形后初始屈服准则随着塑性应变增加的变化规律。硬化关系式可用如下一个基本方程表达： ( ) （ 2 式中 材料所受应力 ； 材料应变。 通常，我们 根据 材料在发生硬化过程中 加载曲面变化的不同， 一般将 材料的硬化准则简化为三种 形式，分别为 ： 各向同性硬化准则、随动硬化准则、混合硬化准则。 向同性硬化准则 有的材料在变形过程中，材料内部各个方向上应变量会 始终保持某一固定比值逐渐增加或者减少，这种特性就是各向同性。当计算各向同性材料的变形时，需要采用的硬化准则即为各向同性硬化准则。当 材料 所受应力使其 达到屈服极限后， 材料的 屈服面 向各方向扩展时，会 基于同一中心匀地 向个方向扩展 ，如图 2示。假如材料在变形过程 中 一直保持 各向同性， 且 忽略各向异性对变形的 影响，那么 后继屈服函数北华航天工业学院毕业论文 10 的表达形式 将与 初始屈服函数 的表达形式保持一致 。 可用如下表达式表示 材料各向同性硬化准则： ( ) ( ) （ 2 （ 2 （ 2 ( ) （ 2 式 中 k 硬化参数； 等效塑性应变。 图 2向同性强化模型 动硬化准则 并 不是所有材料在成型过程中都 保证按各向同性的规律进行变形，因此各向同性硬化准则对于此类材料并不适用。这些材料在变形时，屈服面的大小、形状、方位都不发生变化，而是在屈服方向上 作一个刚体移动，如图 2示，这种特性我们可以称之为随动性。计算这类材料的变形情况时，我们所用的硬化准则称为随动硬化准则。随动硬化准则的表达式可用如下关系式表示 ： =0 （ 2 式 中 屈服面中心的位置变化 （ 图 2动硬化准则模型 北华航天工业学院毕业论文 11 合硬化准则 除了上述的两种变形情况外，某些材料在变形过程中，不仅屈服面的大小在应力作用下发生变化，而且其位置也会发生变化，遇到这样的变形情况，无论是各向同性硬化准则还是随动硬化准则都不适用，这种情况下的之为混合硬化准则。顾名思义，混合硬化准则包含了 各向同性变化和随动变化过程中的屈服行为，变形过程中屈服面的 形状、大小和中心位置都在应力空间中发生变化，因此对板料成形过程中的应力 与应变 之间的关系描述得 更加 准确 。混合硬化准则将塑性应变增量分解为两部分， 适用于各向异性材料， 表达式如下： d （ 2 式中 屈服曲面扩张时的塑性应变增量 （ ； 屈服曲面移动的塑性应变增量（ 因此， 混合硬化准则的函数表示为： ( ) （ 2 （ 2 （ 2 式中 M 材料 在发生 塑性行为 时 的混合硬化参数，一般 在 1 之间取值 。 压过程 应力加载和 卸载法则 当板料受压达到屈服极限并进入塑性变形状态以后，由于受到变形过程中载荷的加载路径以及 加载历程的影响，板料内部的应力和应变都不再是线性关系。材料 进入屈服 状态 后 ，其 塑性应变增量的方向可以 依靠冲压过程中应力加载和卸载法则进 行精确预测和 判定， 由此便可 确定板 料处 在不同状态下 的本构关系。对于硬化材料 来说，判 断 板料是否 会 继续发生塑性变形的准则如下 ： （ 1） 如果 ， 则 板料将处于弹性状态 ； （ 2） 如果 ，且 , 则板料将处于继续塑性加载状态 ； （ 3） 如果 ， 且 则板 料 将 由塑性状态按 照 弹性卸载 ； （ 4） 如果 ，且 ， 则材料处于加载的过渡状态，此状态下板料 不会产生新的塑性 流动 ， 而是始终保持塑性变形状态。 压过程 接触算法 汽车覆盖件冲压成型 的有限元分析是 十分 典型的复杂非线性 静力分析 求解过程，因为在成型过程中模具与板料总是动态变化的 处于接触和摩擦状态。 而诸如此类的 数北华航天工业学院毕业论文 12 值模拟过程 中 通常 采用的处理方法主要 有三种， 分 别 为： 拉格朗日接触算法、罚函数接触算法以及 非线性罚函数接触算法。 格朗日算法 在 拉格朗日算法 中， 不会 发生从节点穿透主动面的现象。该方法把 接触力以未知量的 方式 带入到运动方程中，并 且引入拉格朗日因子 ， 再 通过 将各方程 联立 成方程组，以此 求解 出接触力大小。因此拉格朗日算法得出的计算结果 较 为 精确， 当接触非常高时，就 适合 用此算法来求解。需要注意的是，拉格朗日 对 于 模具网格形状 的 质量要求非常 高， 在网格划分时， 任何单元 都不允许出现不连续或者 交叉重叠 现象 ，也不允许存在 初始穿透的 现象 。 除此之 外， 在运算 处理过程中 ，由于所 联立程组 比较复杂，计算消耗量会比较高。 函数接触算法 与拉格朗日算法相比较，用 罚函数接触算法处理接触问题时 ， 具有 稳健以及高效的优点， 罚函数接触算法 几乎可以用 来处理 任何板材 在冲压成型模拟过程中 的接触计算 。这种 算法的具体处理原则 为 ： 若出现从动面节点穿透 主动面的现象，那么 一个界面法向接触力 就会在 主动面和从动面 之间产生，而且 随着穿透深度的增加，此 接触力也会随之增大。 罚函数 的数值就是 表示 在模具与板料的 接触过程中相应的接触力大小。用 此种接触算法模拟过程 时，可能在模具与 板 料之间会出现穿透现象，因此应力计算的结果不是十分准确。 此外， 罚函数接触算法 模拟计算的 精度以及 稳定性与接触刚度比例系数 的 设置是否合理有很大关系。 线性罚函数接触算法 从本质上来 说， 非线性罚函数接触 算法 其实 还是属于罚函数 接触 算法。与 上述 的罚函数 接触 算法相比 较 ， 这种算法 只是在 接触力计算方法和接触搜索方式 上略有 所 不同。 非线性罚函数接触算法 在判断 是否有 接触 发生时， 先将从动面 的节点看成 是球体，该球体的直径即为材料厚度，如果 球体 和 主动面 之间 存在穿透 现象 ，则 可以 确定 二者之间发 生了接触。 所以在 使用 此 算法 的 过程中，模具的法 线方 向不需要 全部 指向 受压材 料。在接触力 的 计算过程中，衡量惩罚强度的罚因数不再保持 不变，而是 以非线性变化 呈 现 。因此在 此种 算法中， 几乎不可能出现 从节点穿透主动面 的情况 ， 计算精度也就比 传统的罚函数法 要高。 维数模建立 本文的研究对象是汽车保险杠铝 成型组件，在进行有限元分析之前，必须先建立零件及模具的三维模型 。在 ，有专门用来建立模型 的模块，及称 块，因此可以直接在 建立待分析的模型。当然，模型建立也可以采用常用的绘图工具来实现，如 华航天工业学院毕业论文 13 。 此次分析的模型采用 5立，分别建立了产品零件图、模具装配图等模型，建立结果如图 2图 2示。 图 2险杠组件零件图 (a) (b) (c) (d) 图 2具装配图 北华航天工业学院毕业论文 14 章小结 本章主要介绍一般有限元分析过程中常用的算法及理论，为后续有限元分析部分做准备，除此之外，分析过程中需要的三维数模以及分析软件也在本章做出了说明。 北华航天工业学院毕业论文 15 第 3 章 保险杠组件 冲压成型工艺 险杠组件冲压成型的 的工艺特点 此次的研究对象保险杠组件是由 铝合金 板料 冲压成型的， 而诸如此类冲压成型工艺 的特点是 原材料 厚度方向上的变形 比起长宽两个 方向 的变形来说是十分微小 。 在实际生产中， 板料冲压成型时 其变形形式 主要 包括 以下几种：双向拉伸、 单向拉深、深拉延、 平面应变、 弯曲以及 反弯曲。 一般可以将板料的冲压成型看成是一个准静力过程， 即在成型 过程 中 ， 加速度和 速度可以忽略 不计 。 此外，与一般的冲压产品相比，诸如保险杠组件 之类的零件 都 具 有形状复杂、 材料 厚度 薄、多为空间曲面、 表面质量高和 结构尺寸大等特 点，因此 ，这类零件 的冲压工艺、模具设计 以及模具制造工艺也存在其特有 的特点： （ 1） 由于此类零件成型过程中拉延时要求进料阻力必须均匀，所以拉延模的拉延筋应多加在原材料容易流动的区域，而对于原材料不易流动的区域可以减少或者不加拉延筋，甚至可以在这些区域增加润滑。所以，为保证材料各部位的变形趋于均匀，防止零件发生起皱现象 ，应该 合理 的 布置拉延筋 ，以此来 改善 压边圈下 拉延毛坯的流动条件 。 （ 2） 在变形过程中，一般而言冲压件的毛坯变形都十分复杂 ， 而且 材料 在各个方向的变形都不 均匀， 因此在计算毛坯的拉延可能性及拉延次数时不能 直接使用拉延系数进行 简单 的 判断和计算。 只能通过类比的方法， 经生产 现场 调整 并 确定。 （ 3） 零件上某些部位的变形深度较浅，这些部位的材料得不到充分的变形， 容易出现 起皱 现象 ， 而 且刚性 还不够。这种情况下 需 使 用拉延槛来 增加模具 压边圈下 的材料 流动阻力，使 材料在 拉延时 可以充分的发生 塑性变形， 以此 保证 零件 修边 以 后弹性变形 减小 ，刚性 也满足要求。