本文選自期刊《設(shè)備管理與維修》，與之同類的期刊還有《科技致富向?qū)А冯s志是經(jīng)科技部和國家新聞出版總署批準(zhǔn)，由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)科普部、山東省科協(xié)主管主辦的國家級(jí)正規(guī)刊物，雜志融新聞性、科技性、創(chuàng)新性、可讀性、針對(duì)性為一體，以“引領(lǐng)科教新潮流，展現(xiàn)科技新成果”為宗旨。
　　【摘要】：針對(duì)汽車覆蓋件沖壓的有限元模擬方面的具體問題進(jìn)行了研究，采用彈塑性有限元的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究的方法，對(duì)汽車覆蓋件拉延過程中的成形進(jìn)行了研究。針對(duì)拉延模擬結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，尋找工藝參數(shù)的優(yōu)化方案，改進(jìn)的工藝方案使破裂情況明顯改善。

　　【關(guān)鍵詞】:有限元,數(shù)值模擬,汽車覆蓋件,拉延

　　由于沖壓工藝具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、成本低以及可加工復(fù)雜形狀等一系列優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，占有十分重要的地位[1]。但是沖壓模具的設(shè)計(jì)主要依據(jù)工程師長期積累的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于復(fù)雜的成形工藝和模具，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以得到保證;一些關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)參數(shù)要在模具制造出來之后，通過反復(fù)的調(diào)試、修改才能確定。這樣就浪費(fèi)了大量的人力、物力和時(shí)問[2-3]。隨著有限元技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已逐漸成為工藝分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效工具。

　　1.有限元模型的建立和參數(shù)設(shè)定

　　一般汽車覆蓋件工藝設(shè)計(jì)流程具體分析如下:(1)根據(jù)產(chǎn)品圖及產(chǎn)品沖壓工藝設(shè)計(jì)，進(jìn)行詳細(xì)的車身產(chǎn)品工藝性分析。為了實(shí)現(xiàn)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(bǔ)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(jì)算機(jī)進(jìn)行的工藝補(bǔ)充面三維設(shè)計(jì)。(2)在滿足產(chǎn)品使用的前提下，將過剩的質(zhì)量要求及時(shí)反饋給產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門，進(jìn)行研討，力爭把產(chǎn)品完善到最簡單、最合理的工藝要求，以克服產(chǎn)品的過剩質(zhì)量，減少不必要的工裝投入。(3)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行車身產(chǎn)品的沖壓工藝性分析，進(jìn)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(chǎn)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(shí)和模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的有關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)沖壓工藝過程圖。在設(shè)計(jì)過程中，同時(shí)要分析沖壓工藝方案，發(fā)現(xiàn)不足之處，進(jìn)行必要的修正。(4)模具設(shè)計(jì)人員按照沖壓工藝過程圖的基本要求進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，模具CAD設(shè)計(jì)包括上、下模座，工作部分零件，導(dǎo)向部件，定位零件和進(jìn)出料裝置等設(shè)計(jì)。數(shù)控編程和模型人員按照沖壓工藝過程圖和模具圖進(jìn)行數(shù)控編程和模型制造，最后按照沖壓工藝過程模具圖要求進(jìn)行機(jī)械加工和模具裝配調(diào)試，最終調(diào)試出合格的產(chǎn)品。

　　選用某轎車內(nèi)部地板零件產(chǎn)品圖，此零件是一個(gè)比較復(fù)雜的中小型車身結(jié)構(gòu)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(jì)會(huì)出現(xiàn)問題，為了驗(yàn)證問題所在我們利用CAE軟件進(jìn)行模擬成形計(jì)算。對(duì)于復(fù)雜沖壓零件的成形過程，不但同一時(shí)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(shí)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(shè)定對(duì)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(wǎng)格時(shí)，首先建立一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。這一步驟是連接分離的型面，使你可以在網(wǎng)格劃分的時(shí)候得到連續(xù)的網(wǎng)格(兩個(gè)相連的元素在分界線之問共同享用相同的節(jié)點(diǎn))。系統(tǒng)能通過你所定義的公差自動(dòng)辨認(rèn)普通表面之問的分界線，以建立我們所說的拓?fù)淠Ｐ�。建立好拓�(fù)浣Y(jié)構(gòu)以后，應(yīng)定義網(wǎng)格劃分的參數(shù)，并進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。一般情況下要求用戶最少確定四個(gè)參數(shù)，包括最小元素大小，最大元素大小，兩個(gè)相連的元素之問的法向夾角，網(wǎng)格的弦高。最小元素的大小影響著網(wǎng)格劃分中最小元素的尺寸。當(dāng)模型的型面比較平坦時(shí)它最大元素的大小則受最大元素參數(shù)的影響。兩個(gè)相連的元素之問的法向夾角所起的作用是規(guī)定了兩個(gè)相連元素之問的最大法向夾角，即當(dāng)兩個(gè)元素的夾角大于用戶給定的值時(shí)，這兩個(gè)元素會(huì)分裂為更多的元素，故它影響著倒角和小圓角部分的網(wǎng)格密度，它的值越小網(wǎng)格則越密。例如:一般我們?cè)趧澐帜＞呔W(wǎng)格時(shí)，它的拉延圓角最好有五行元素，這時(shí)調(diào)整法向夾角的參數(shù)就可以達(dá)到目的。弦高的大小則影響著大網(wǎng)格半徑表面上的網(wǎng)格密度，它的值越大，則網(wǎng)格越少。在汽車覆蓋件模擬中，板料數(shù)據(jù)一般都是曲線，因此板料的網(wǎng)格劃分與模具的劃分不一樣。

　　根據(jù)實(shí)際需要確定板料特性，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系=537(0.0102+)0.23MPa，法向各項(xiàng)異性系數(shù)為1.8。其他參數(shù)如下:揚(yáng)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(zhì)量密度7.83E-9;r0=1.87,r45=1.27,r90=2.17。由于摩擦系數(shù)必須有實(shí)驗(yàn)得出，特別是幾種常用材料在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際摩擦系數(shù)。考慮到汽車覆蓋件生產(chǎn)廠家和模具生產(chǎn)廠家的實(shí)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(yàn)來得出在幾種不同條件下的摩擦系數(shù)，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?cè)O(shè)計(jì)了覆蓋件模具的摩擦系數(shù)和實(shí)際拉延筋拉延阻力的測定的試驗(yàn)，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果在第六章中。摩擦系數(shù)根據(jù)測量結(jié)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(jié)果分析

　　經(jīng)過計(jì)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(yīng)變?cè)茍D中紅色表示正應(yīng)變，深藍(lán)表示副應(yīng)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(yīng)變和次應(yīng)變?cè)茍D可以看出在突起的鼓包頂端處為雙向拉應(yīng)變發(fā)生破裂，并目_從板料輪廓的變化發(fā)現(xiàn)在有拉延筋的地方板料兒乎沒有流動(dòng)，形成過度脹形，凹坑底部破裂處也同樣出現(xiàn)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(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，次應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，為明顯的拉深破裂狀態(tài)。之所以只有這個(gè)直壁角破裂是因?yàn)檫@個(gè)角離大鼓包最近，并且通過成形過程的模擬我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)直角壁首先成形，從而在凹坑成形前破裂。其它四個(gè)角由于拉延高度低并且沒有復(fù)雜的凸凹變形，都有足夠的板料流動(dòng)量，板料的流動(dòng)情況良好，所以沒有破裂。

　　3.汽車覆蓋件沖壓工藝改進(jìn)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(gè)接近大直角型面過渡改為一個(gè)小緩坡，減緩了陡峭程度;由于模具進(jìn)料困難，所以去掉拉延筋，然后設(shè)定壓邊力為400KN,摩擦系數(shù)為0.12，進(jìn)行模擬后如圖4所示�？梢钥闯雠c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(jié)論

　　世界上每年的鋼材有半數(shù)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(dāng)重的比例。因此，提高相應(yīng)的成形技術(shù)和制造水平是一個(gè)具有普遍意義的大課題。因此，文章在汽車覆蓋件數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用有限元的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究的方法，對(duì)汽車覆蓋件拉延過程中的成形進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。

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