基于Dynaform的車身覆蓋件成形數(shù)值模擬

陳桂華，張群威

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河 462002）

隨著車型更新?lián)Q代的速度加快，依靠經(jīng)驗(yàn)的車身覆蓋件沖壓模具設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。塑性成形理論的飛速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用使沖壓仿真作為一個(gè)有力工具進(jìn)入工業(yè)界。沖壓仿真使汽車模具生產(chǎn)由經(jīng)驗(yàn)上升到理論，大大縮短了車身覆蓋件的成型周期、提高了車身覆蓋件設(shè)計(jì)質(zhì)量，為加速車型更新?lián)Q代創(chuàng)造了很好的條件。

1 動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

有限元法是一種高效的用于數(shù)值計(jì)算的方法，用近似函數(shù)插值表示未知場(chǎng)函數(shù)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值，進(jìn)而把連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題轉(zhuǎn)換成了離散有限自由度問(wèn)題。

1.1 求解格式

沖壓成型時(shí)一個(gè)及其復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真通過(guò)以下兩種途徑建立有限元格式：完全的Lagrangian格式（即T.L.格式）和更新的Lagrangian格式（即U.L.格式）。針對(duì)沖壓成型過(guò)程的特點(diǎn)采用U.L.格式來(lái)建立有限元列式比較合適。

不管用哪種格式，最后的坯料運(yùn)動(dòng)方程都一樣：

其中：M—質(zhì)量矩陣；C—阻尼矩陣；u—節(jié)點(diǎn)位移矢量；fi—等效內(nèi)力矢量；fe—等效節(jié)點(diǎn)力矢量。

1.2 材料模型

沖壓過(guò)程是通過(guò)沖壓模具對(duì)板料施加壓力實(shí)現(xiàn)變形過(guò)程的。要分析沖壓成型過(guò)程中的力學(xué)特性，就要建立對(duì)應(yīng)材料的力學(xué)模型，這里稱其為材料模型。依據(jù)塑性流動(dòng)理論，對(duì)于板料成形來(lái)說(shuō)塑性特性是各向異性的。板料成形通常采用以下幾種材料模型。

（1）Hill各向異性彈塑性模型

依據(jù)Hill的各向異性材料理論，如果體內(nèi)有相互正交的各向異性主軸，而且坐標(biāo)軸于各向異性主軸是互相平行的，則屈服準(zhǔn)則為：

式中，F(xiàn)、G、H、L、M、N 為各向異性常數(shù)。

（2）Barlat各向異性屈服準(zhǔn)則

Barlat和Lian的屈服準(zhǔn)則準(zhǔn)確描述具有較強(qiáng)機(jī)構(gòu)各向異性金屬材料的屈服行為，反映了面內(nèi)各向異性和屈服函數(shù)指數(shù)m對(duì)板料成形過(guò)程中的塑性流動(dòng)規(guī)律及成形極限的影響。

1.3 單元模型

依據(jù)課殼體理論，按照形狀分殼體單元可以劃分為曲面和平板兩種，考慮消除剪切自鎖和零能量模態(tài)的方法，殼體又可分為 Hughes-Liu（HL）和 Belytschko-Tsay（BT）等。HL單元雖然使用范圍廣、精度高，但計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)；BT單元是用隨動(dòng)坐標(biāo)的應(yīng)力計(jì)算法，計(jì)算速度快、效率高，對(duì)于大變形問(wèn)題是最穩(wěn)定有效的方法。

1.4 接觸問(wèn)題

沖壓成型過(guò)程中是通過(guò)模具材料與板料表面接觸來(lái)傳遞力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)板料變形的。為提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，接觸問(wèn)題就非常重要。選擇合適的摩擦邊界條件，準(zhǔn)確判定接觸狀態(tài)，確定合適的約束條件，準(zhǔn)確選到接觸點(diǎn)是使仿真過(guò)程接近真實(shí)過(guò)程的關(guān)鍵因素。

2 動(dòng)態(tài)仿真分析軟件應(yīng)用實(shí)例

目前板料成形領(lǐng)域中的動(dòng)態(tài)仿真模擬分析軟件有很多，美國(guó)ETA公司開(kāi)發(fā)的Dynaform軟件主要用于板料成形。沖壓成形過(guò)程中的問(wèn)題可以在仿真模擬中提前預(yù)知，且模擬結(jié)果很準(zhǔn)確。Dynaform的主要用于重力加載、預(yù)成形、拉延等。鈑金成形過(guò)程；液壓、輥彎、焊接板材成形；優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，沖壓過(guò)程中受力分析以及沖壓毛坯尺寸預(yù)估等。

扭矩盒零件的三維模型見(jiàn)圖1，此零件為左右件，考慮到材料流動(dòng)的均勻性和材料的利用率，采用左右對(duì)稱方式成形。在CAD軟件中對(duì)該零件的工藝型面進(jìn)行補(bǔ)充，通過(guò)仿真分析，考察該型面是否能達(dá)到成形性的要求。最終得到了優(yōu)化后的型面如圖2所示，圖中為優(yōu)化的型面成形后的極限圖，從圖中可以看出，產(chǎn)品所在位置成形性良好，無(wú)破裂，只是在局部地方有輕微的起皺，達(dá)到了零件的使用要求。

圖1 扭矩盒零件的三維模型

圖2 優(yōu)化型面后的成形結(jié)果

3 存在的問(wèn)題和研究發(fā)展方向

目前，人們已能夠成功地對(duì)覆蓋件沖壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真，但車身覆蓋件沖壓成形問(wèn)題的研究中依然存在許多問(wèn)題：①成形仿真計(jì)算的應(yīng)力場(chǎng)精度不高；回彈計(jì)算時(shí)，柔度很大，必須施加約束條件，約束位置設(shè)置不同計(jì)算結(jié)果就不同，怎么樣設(shè)置約束邊界條件能達(dá)到很好的效果還是個(gè)難題，回彈問(wèn)題的研究一直是沖壓成形研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。②在車身覆蓋件沖壓仿真中，用真實(shí)幾何模型來(lái)分析拉深筋，雖然精度高，但細(xì)化網(wǎng)格耗時(shí)較長(zhǎng)。等效阻力模型雖然效率高但精度不高，因此，研究高效、高精度的拉深筋阻力模型車身覆蓋件沖壓仿真領(lǐng)域中的一個(gè)方向。③覆蓋件沖壓生產(chǎn)和研究中完全靠仿真分析解決問(wèn)題還是不能實(shí)現(xiàn)的，為了提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)方法還有待進(jìn)一步研究。