汽车车门拉延模具设计与成形模拟

安徽工程大学机电学院本科

毕业设计（论文）专业：机械设计制造及其自动化

题目：汽车车门拉延模具设计

与成形模拟

作者姓名：

导师及职称：

导师所在单位：机械与汽车工程学院

汽车车门拉延模具设计与成形模拟

摘要

本课题把汽车覆盖件车门内板作为研究的对象，以常见的板料成形分析软件Dynaform作为工具对拉延成形工艺参数进行研究。本课题设计的意义是拉延成形CAE 分析可以提前预测冲压产品的缺陷，帮助工程技术人员对拉延成形工艺进行优化，以减少反复试模修模的次数，缩短产品的设计和生产周期。完成的主要工作有通过UG对汽车车门进行拉延模具的设计，再根据零件的结构特点制定合理的成形工序，采用Dynaform软件对拉深成形过程进行数值模拟，查看模拟结果中的板料流入量，根据经验和反复对试验结果的验证与分析后，重新设定相关系数，找到最合适的参数设置。

通过Dynaform软件的模拟仿真结果的分析，板料的厚度，拉延筋的设计，压边力的大小，成形的尺寸设计，冲压的次数与力度等对板料的成形结果都有很大影响，要想获得最理想的仿真结果，只有通过经验和不断地实验才能找出最佳方案。

本毕业设计的有用结论主要是用Dynaform软件可以模拟板料成形的真实过程，从而避免生产过程耗费很大的人力物力财力去试验，很大程度上节约成本。CAE数值分析仿真结果也十分准确，在中国仿真率达到97%，在国外达到100%，它的应用将越来越广泛。

关键词：拉延成形;CAE分析；Dynaform软件

：汽车车门拉延模具设计及成形模拟

Mold design and Forming Simulation of the Drawing of Car Door

Abstract

This topic do research on forming process parameters with the car door inner panel as the object of study, and common sheet metal forming analysis software Dynaform as a tool studied. Design of this project is the significance of drawing forming CAE analysis can predict in advance stamping product defects, helping engineers and technicians on the drawing forming process optimization to reduce repair mode repeatedly tryout times, shorten product design and production cycle. The main work completed through the car door for UG drawing die design, according to the structural characteristics of the part forming process to develop a reasonable, using software Dynaform deep drawing process is simulated view simulation results sheet inflows based on experience and repeated validation of the test results and analysis, re-set the correlation coefficient, to find the most suitable parameter settings. Through the analysis of Dynaform software simulation results, we can conclude that sheet thickness, drawing beads design, BHF size, the size of the design forming, stamping the number and intensity of such results has a significant impact on the sheet metal forming. Only through experience and constantly experiments can we find out the best solution and get the best simulation results.

The main useful conclusions of graduation design is that the real process of sheet metal forming can be simulated by Dynaform software, in order to avoid labor-intensive production processes and material resources to test and to save the cost largely. CAE Numerical analysis and simulation results are also very accurate simulation in China reached 97% to 100% in a foreign country, its application will be more widely

Keywords: drawing forming; CAE analysis; Dynaform Software

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目录

引言 (1)

第1章绪论 (2)

1.1冲压数值模拟技术的研究现状及发展趋势 (2)

1.2冲压模具CAE数值模拟分析的目的 (2)

1.3A UTOFORM软件简介 (3)

1.4课题研究的主要内容 (4)

1.5课题的研究方案 (6)

1.6本章小结： (6)

第2章汽车覆盖件拉延成形理论 (7)

2.1汽车覆盖件拉延成形有限元仿真理论概述 (7)

2.2汽车覆盖件拉延成形数值模拟有限元理论 (8)

2.2.1 几何非线性 (8)

2.2.2 Barlat屈服准则 (9)

2.2.3 汽车覆盖件冲压成形单元模型 (11)

2.2.4 有限元控制方程的求解 (16)

2.5本章小结 (18)

第3章基于DYNAFORM模面前处理与参数设置 (19)

3.1模面前处理 (19)

3.1.1 Dynaform初步处理 (19)

3.1.2创建DIE (19)

3.1.3 创建PUNCH零件层 (22)

3.1.4 创建BINDER零件层 (23)

3.1.5创建BLANK零件层 (25)

3.1.6 板料成形设置 (26)

3.1.7 凸凹模、压边圈定位 (28)

3.2参数设置 (29)

3.2.1 设置工序、控制参数 (29)

3.2.2 动画预览 (30)

3.2.3 Dynaform求解器计算 (30)

3.3 本章小节 (32)

第4章 CAE分析数值模拟仿真结果 (33)

4.1读入结果文件到ETA/POST (33)

4.2绘制变形过程 (33)

4.3成型极限图FLD (34)

4.4厚度变化情况 (36)

4.5录制AVI成形过程 (37)

4.6本章小结 (38)

第5章拉延模结构设计 (39)

5.1拉延模工作部分计算 (39)

5.1.1 凸模圆角半径 (39)

5.1.2凹模圆角半径 (39)

：汽车车门拉延模具设计及成形模拟

5.1.3 凹模工作深度计算 (40)

5.1.4 凹凸模间隙 (40)

5.1.5 凹凸模横向尺寸及公差 (41)

5.2其他零部件的设计与选用 (42)

5.3拉延模比和高度的计算 (42)

5.4模具主要零部件设计 (42)

5.4.1 凸模部分： (42)

5.4.2 凹模部分： (43)

5.4.3 压边圈部分 (44)

5.4.4 装配部分 (44)

5.5本章小结 (45)

第6章结论与展望 (46)

附录B 英文文献及翻译 (49)

附录C 主要参考文献的题录及摘要 (57)

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插图清单

图1-1 汽车门内板零件- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4 图1-2 汽车覆盖件拉延成形数值模拟技术路线图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 图2-1 应变的度量- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 图2-2 BT单元局部共转坐标系- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 12 图3-1 车门IGES曲面- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19 图3-2 显示选项- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19 图3-3 当前零件层- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19 图3-4 网格划分- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20 图3-5 单元选项框一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20 图3-6 曲面网格划分结果- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20 图3-7 网格检查后的缺陷- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 21 图3-8 模型修补工具- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 22 图3-9 创建单元- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 22 图3-10 零件层显示- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23 图3-11 DIE复制到PUNCH - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23 图3-12 添加到选项- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 23 图3-13 选择单元- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 23 图3-14 分离出的BINDER零件层- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 24 图3-15 分离出的PUNCH- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 24 图3-16 毛坯生成器选项- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25 图3-17 定义毛坯选项- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25 图3-18 材料选项- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 26 图3-19 薄壳单元选项- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -26 图3-20 BELYTSCHKO-TSAY属性卡选项- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -26 图3-21 材料属性（上）- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -27 图3-22 材料属性(中）- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 27 图3-23 材料属性（下）- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -28 图3-24 板料属性- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28 图3-25 DIE、BINDER、PUNCH的定位- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28 图3-26 工序参数- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29 图3-27 参数设置- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29 图3-28 动画预览- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 30 图3-29 dyn文件导入- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -30 图3-30 dyn文件导入- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -31 图3-31 eta/LS-DYNA jobs Submitter窗口- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -31 图3-32 dyn文件计算窗口- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - --32 图4-1 后处理选项- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 33 图4-2 文件导入- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - --33 图4-3 Frame选项图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -33 图4-4 FLD对话框图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -34 图4-5 等值线数值图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -34

：汽车车门拉延模具设计及成形模拟

图4-6 毛坯成形结果的FLD图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -34 图4-7 局部拉裂数据- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -35 图4-8 边框起皱情况- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -35 图4-9 板料成形的厚薄图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36 图4-10 局部厚度参数- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36 图4-11 局部相对减薄率- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 37 图4-12 A VI电影录制- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -37 图4-13 压缩程序对话框- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 37 图5-1 工件尺寸标注在外侧的情况- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - -41 图5-2 工件尺寸标注在内侧的情况- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - -41 图5-3 凸模(俯视)三维模型- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 42 图5-3 凸模(仰视)三维模型- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 42 图5-4 凸模座三维模型- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 43 图5-5 凹模- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 43 图5-6 压边圈- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 44 图5-7 总装图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 44

列表清单

表5-1 凹模圆角半径与凹模深度(mm) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 40 表5-2 间隙系数n[10] - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -40

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引言

发展汽车，模具先行[1]。汽车覆盖件95％以上为冲压冲压产品，只有少量的是注塑产品，因此汽车覆盖件冲压成形技术是汽车车身制造技术的核心部分，直接影响到车身产品质量和整车的开发进程。

汽车覆盖件是汽车的重要组成部分，即是汽车车身的主要组成部分[2][3]。汽车覆盖件的特点是：材料薄、尺寸大、形状复杂、表面质量和精度要求高等。随着汽车产业的井喷式发展，传统覆盖件模具的制造方式越来越不适应汽车产业进一步发展的需求，严重阻碍汽车产业新的发展模式。

工业的迅猛发展对仿真软件的需求越来越迫切。20世纪70年代末，冲压成形CAE 仿真软件开始了商业化之旅，如Autoform、Dynaform等。这些软件对板料成形过程中产生的起皱和开裂具有很好的预测能力[4-6]。

目前，CAE分析的准确性已得到实践的验证，板料成形CAE软件在企业中得到了深入广泛的运用，已经成为板料成形不可或缺的前期预测工具。通过CAE分析可以预知板料的开裂位置、起皱高度、回弹量以及冲击线和滑移线的位置等等，这为前期优化模具工艺和模具结构提供了可靠依据，对保证模具质量、提高材料利用率、缩短开发周期、降低钳工工作量和生产成本具有不可替代的地位。CAE分析时参数设置不合理，板料就会出现起皱、开裂和超过可接受范围的回弹，这些缺陷的存在说明生产现场极大的存在这种可能性，如果不给予解决，模具生产制造将面临较大的工作量、较低的效率、和较大的投入等问题。如何快速准确的利用CAE分析软件寻找到相对最合理的参数，达到合理分析板料成形过程中出现的缺陷，提出切实可靠的工艺方案，已成为各汽车模具公司应用和研究中直接面对的问题。

开裂、起皱和回弹等是在板料成形过程中常见的三种质量缺陷，也是金属板材拉延成形最关心的问题[7][8]。主要表现为拉伸失稳材料的撕裂、压缩失稳余料的堆积和压力卸载后应力释放产生的回弹，它们直接影响到板料的成形质量和尺寸精度，尤其是拉延工序，其对后序能否顺利进行以及能否生产出合格的零件至关重要。

随着汽车工业的发展和人民需求的提高，质量问题越来越得到人们的重视，许多汽车主机厂的公差要求都在两丝以内，不允许有开裂现象，起皱高度保持在料厚的2%以内，回弹量必须控制在许用公差以内，而且要保证冲压成形后板料的刚度，对与汽车覆盖件而言，这无疑增加了冲压模具成形精度要求。

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第1章绪论

1.1冲压数值模拟技术的研究现状及发展趋势

随着非线性力学理论、有限元理论和计算机技术的发展，冲压数值模拟技术逐步形成商品化的CAE仿真软件[9]。随着CAD/CAE/CAM等新兴技术的广泛应用，使得汽车覆盖件冲压模具及其工艺设计近乎全线突破了传统的设计思路[10]。近年来，随着汽车工业以超过20%的增幅发展，在一定程度上带动了模具水平的提升，CAE技术应用越来越广泛，并取得较好成果[11-12]。目前，人们对冲压工艺计算机辅助设计的研究和应用已取得丰硕成果[13-17]。数值模拟冲压技术经过五十年的迅速发展，主要功能有：

1）拉延数模的快速造型

拉延是汽车覆盖件冲压模具的首序，客户发来的数模一般是产品造型，需要进一步的添加零件的工艺补充方能实现零件的加工，即需要进一步造型。在常用的UG、Catia 等三维软件里建立其工艺数模速度慢、工艺合理性很难保证，在Autoform、Dynaform 等板料成形仿真软件有几何构型模块，具有快速生成较合理的工艺补充面功能，可以迅速造出凸模、凹模、压边圈、余肉等[8]。该系列软件通常采用参数驱动的模式，可以针对数模中不合理部位局部快速进行修正。

2）全工序数值模拟冲压过程

汽车覆盖件产品成形需要一般需要三到四个工序，常见的主要成形工序有：拉延、修边、整形、冲孔等四种工序[12]。在冲压数值模拟成形CAE软件中均可对各工序进行模拟仿真，此外还可以对任意一序的回弹量进行仿真及做回弹补偿。此外，目前不但可以进行冷冲压数值模拟，而且冲压热成形技术也逐步走向成熟，在国内一些知名模具公司已经开始探索性应用。

3）板料成形缺陷的预测和消除

板料成形质量缺陷主要有开裂、起皱、回弹、冲击线、滑移线、刚度不足等，其中开裂、起皱、回弹和刚度不足缺陷均可在数值模拟后处理云图中进行测量，同时由云图的色彩直观的表示出来[13-16]。冲击线和滑移线可以通过在后处理中添加基准线，计算机可在短时间内计算出其值的方向，同时可以测出各个部位对应的各种质量缺陷的数值大小[7]。预知这些缺陷，可以在工艺数模下发之前从工艺上或结构上针对性的对数模进行优化，避免不必要的人力、物力等资源浪费，加速汽车开发进程。

4）板料成形性能的评价

金属板料成形性能是评价汽车覆盖件冲压产品质量的重要指标之一，其成形质量涉及冲压成形板料是否有开裂，起皱高度是否在公差许用范围内，回弹量和刚度是否满足精度要求。其中，冲压后板料刚度与塑性变形过程中材料的流入量多少直接相关，以往是凭靠经验值来调节板料流入模具型腔的量，人工无法准确确定冲压件的刚度大小，数值模拟中板料流入量可以准确测量出来，且在后处理的成形性能图中可以直观清晰的看到各个部位刚度的好与差[5]。

1.2 冲压模具CAE数值模拟分析的目的

金属板料冲压成形是一个大挠度、大变形的塑性变形过程，涉及金属板料在拉深和拉延的复杂应力状态下的塑性流动、塑性强化，以及其引起的起皱、开裂和回弹等问题。同时，冲压过程也是一个非常复杂的多体接触力学分析问题，其具有材料非线性、几何非线性和状态非线性等较强的非线性[9]。因此单凭经验很难预先估计成形质量合格与否，往往要等到模具加工后试模时才能暴露出来，给模具调试造成极大困难，甚至导致模具

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报废。

CAE参数设置不合理，板料就会出现起皱、开裂和超过可接受范围的回弹，这些缺陷的存在说明生产现场极大的存在这种可能性，如果不给予解决，模具生产制造将面临较大的工作量、较低的效率、和较大的投入的问题。通过CAE分析优化覆盖件冲压成形工艺设计，改善冲压成形技术，进而其控制成形过程是当今的研究热点，也是板料成形技术发展的必然趋势 [16][20]。

目前，国内冲压模具CAE数值模拟分析，还主要依赖与经验进行设置，然后用试错法进行调试，机时耗费较长，而且参数设置合理性很难保证；由于CAE分析准确度不足，导致一套模具都需要三到四轮的整改，而每轮整改的费用高达上万元，因此如何快速准确的设置CAE分析参数是汽车覆盖件模具行业亟待解决的问题，人们对此已展开了大量的研究[20-23]。本课题选题的目的就是如何找到合理的最佳工艺参数组合，通过优化CAE数值模拟分析参数，从而达到减少现场整改次数，降低生产成本，缩短设计周期，降低工人的劳动强度，推动整车的开发进程。

1.3 Autoform软件简介

当随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为PXX车型侧围外板结构分析和结构优化的重要工具，它在设计阶段对其进行模拟预测分析，一定程度上保证设计方案的可行性，使其达到预期的性能指标，其中Autoform软件在这方面尤为突出。

现代汽车和现代模具设计制造技术都表明，汽车覆盖件模具的设计制造离不开有效的板成形模拟软件。世界上大的汽车集团，其车身开发与模具制造都要借助于一种或几种板成形模拟软件来提高其成功率和确保模具制造周期，国际上的软件主要有美国eta 公司的D，法国ESI集团的PAM系列软件，德国Autoform工程股份有限公司的Autoform，国内有吉林金网格模具工程研究中心的KMAS软件，北航的SheetForm，华中科技大学的Vform等。本文着重探讨Autoform及其应用。

Autoform的特点：一、它提供从产品的概念设计直至最后的模具设计的一个完整的解决方案，其主要模块有User-Interface(用户界面)、Automesher(自动网格划分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner(模面设计)、Incremental(增量求解)、Trim(切边)、Hydro(液压成形)，支持Windows和Unix操作系统。二、特别适合于复杂的深拉延和拉伸成形模的设计，冲压工艺和模面设计的验证，成形参数的优化，材料与润滑剂消耗的最小化，新板料(如拼焊板、复合板)的评估和优化。三、快速易用、有效、鲁棒(robust)和可靠：最新的隐式增量有限元迭代求解技术不需人工加速模拟过程，与显式算法相比能在更短的时间里得出结果；其增量算法比反向算法有更加精确的结果，且使在FLC-失效分析里非常重要的非线性应变路径变得可行。即使是大型复杂制件，经工业实践证实是可行和可靠的。四、Autoform带来的竞争优势：因能更快完成求解、友好的用户界面和易于上手、对复杂的工程应用也有可靠的结果等，Autoform能直接由设计师来完成模拟，不需要大的硬件投资及资深模拟分析专家，其高质量的结果亦能很快用来评估，在缩短产品和模具的开发验证时间、降低产品开发和模具成本、提高产品质量上效果显著，对冲压成形的评估提供了量的概念，给企业带来明显的竞争优势和市场机遇。

在本次设计中，通过应用CAE中Autoform软件对PXX车型侧围外板进行工艺分析和模拟，建立合理的有限元分析模型。然后对有限元模型进行工艺性分析，最后根据模型与设计要求，对有限元分析结果进行进行判定并设计合理的方案。在设计过程中，通过运用CAE技术，可以增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本; 缩短设计和分析的循环周期; CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很

：汽车车门拉延模具设计及成形模拟

大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性; 采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本; 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题; 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费等。

1.4 课题研究的主要内容

本课题以Dynaform作为试验工具，以某新款车型汽车覆盖件车门内板作为试验的研究对象，某车型汽车门内板CAD模型如图1-1所示，材质是DC06，料厚0.7mm。旨在通过软件模拟该款车门内板拉延工序的过程，在冲压模具图纸设计阶段，找出模具制造过程中存在的缺陷和不足，提前给予解决，避免不必要的人力和物力的浪费。首先在Dynaform中进行造型，同时生成必要的工艺补充，设置拉延成形工艺参数，采用正交试验和极差分析，得出拉延成形过程中各工艺参数分别对汽车车门内板各个单一评价指标最大变薄率、最大起皱高度和回弹量的影响规律，在此基础上，使用综合加权评分对拉延成形进行评价，建立目标函数，对实验结果进行优化，从而获得拉延工序影响成形质量的一组最佳工艺参数组合；最后实验与实际对比验证，找出零件出现问题的原因并给出合理的解决方案。

图1-1 汽车门内板零件

各章节主要内容如下：

第一章、阐述了汽车覆盖件冲压模具数值模拟技术研究现状和未来的发展趋势，以及Dynaform软件的简介与本论文的主要内容和课题是的研究方案；

第二章、论述了某款新型汽车覆盖件车门内板冲压模具拉延成形数值模拟技术的有限元理论；

第三章、用Dynaform进行前处理，导入Dynaform选拉延类型和接触方式，再进行有限网格划分，划分后再网格检查与修复确保网格合理无误，接下来定义成形工具（凹模、凸模、压边圈等）和材料属性，选择材料模型及单元公式，预估毛坯外形，划分毛坯网格，设置成形参数；并提交求解器进行仿真计算；

第四章、用Dynaform进行后处理，进行应力应变、厚度分析,出成形极限图FLD，最后坯料与工具间距离，录制变形过程、厚度、应力应变过程的录像。

第五章、拉延模工作部分计算、拉延模比和高度的计算、模具主要零部件（凸模、凹模、压边圈与总装图）设计，最后阐述模具材料的选用及其他零部件的设计与选用

第六章、总结本课题研究所获得的主要结论及展望。

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图1-2 汽车覆盖件拉延成形数值模拟技术路线图

：汽车车门拉延模具设计及成形模拟

1.5 课题的研究方案

本课题采用拉延成形CAE技术针对某新款车型汽车门内板拉延成形过程进行仿真模拟分析，对影响其拉延成形质量的工艺参数进行优化，获得其最佳工艺参数组合。（1）用3D软件（如UG、PRO/E等）建立零件并导出iges文件;

（2）打开Dynaform进行前处理，导入Dynaform选拉延类型和接触方式，再进行有限网格划分，划分后再网格检查与修复确保网格合理无误，接下来定义成形工具（凹模、凸模、压边圈等）和材料属性，选择材料模型及单元公式，预估毛坯外形，划分毛坯网格，设置成形参数；

（3）提交求解器进行仿真计算

（4）打开Dynaform进行后处理，进行应力应变、厚度分析,出成形极限图FLD，最后坯料与工具间距离；

（5）查看结果是否满意，如不满意找出现场与CAE分析的不符之处，并将其反馈给CAE，改进方案进一步指导现场模具的调试，直到调出合格的拉延模具。

在课题中所选用汽车覆盖件拉延成形工艺的技术路线如图1-2所示：

1.6 本章小结：

本章主要阐述了冲压数值模拟技术的研究现状及发展趋势，其中包含拉延数模的快速造型、全工序数值模拟冲压过程、板料成形缺陷的预测和消除、板料成形性能的评价。然后对冲压模具CAE数值模拟分析的目的及意义和Autoform软件做了简短的介绍。最后概况一下课题研究的主要内容和课题的研究方案。

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第2章汽车覆盖件拉延成形理论

2.1 汽车覆盖件拉延成形有限元仿真理论概述

在上世纪六十年代初期，克拉夫教授发表“有限元法分析平面应力”著名论文，在该篇论文中首次提出了“有限元”一词[24]。随后，库兰特、阿吉里斯、特纳、克拉夫、钦科维奇等五人的五组论文奠定了早期有限元分析法的理论基础，是有限元法诞生的标识。

在有限元法产生初期，只能进行分析处理弹性力学问题。上世纪七十年代，马萨尔教授和王首次提出了弹性有限元的格式，后来日本学者山田嘉昭推导出了材料小变形问题的弹塑性矩阵的显示表达式。在上世纪七十年代西比特、马萨尔和赖斯成功建立了T.L.格式的板料大位移、大变形的弹塑性有限元法。麦克米金和赖斯建立了更新的U.L.格式的大变形弹塑性有限元法，奥登和班达里等人完成了热粘弹塑性大变形有限元方法的建立，使得应用于冲压板料成形大变形问题分析的弹塑性有限元理论体系建立起来。

小林和李在上世纪七十年代首次提出了刚塑性有限元法，其数模特征是材料在屈服发生前呈刚性，屈服发生后的材料流动看作是不可压缩的非牛顿流体的流动。钦科维奇在上世纪七十年代中期提出了粘塑性有限元法，用不可压非牛顿流体的材料力学理论和方法来分析金属材料的塑性流动情况，同时他还第一次用有限元方法来进行数值模拟冲压成形仿真过程。1977年在美国通用汽车公司举行的关于板料冲压成形力学分析讨论会上，由小林和王共同提交的关于冲压板料成形有限元分析论理论的发展，开创了现代冲压成形有限元仿真研究的先河。

上世纪七十年代末期，王与布迪安斯基采用T.L.格式研究、分析了任意几何形状冲压模具的板料成形问题，第一次提出考虑板料在冲压模具与板料接触面和粘着效应作用下的板料和模具接触时的摩擦状态。小林和基姆采用轴对称理论，运用刚塑性有限元法分析了正交各向异性材质的胀形问题。在此基础上，人们又陆续研究了任意形状材质的拉深、非对称冲压模具的冲压成形等问题。上世纪八十年代中期，韩廉和小林使用壳单元理论，首次运用刚性有限元法分析了方形盒的拉深过程，标识着有限元冲压成形三维数值模拟仿真的开始。

冲压模具金属板料的成形是一个复杂的力学过程，板料的变形过程是一个集空间域与时间域的复杂函数[2]。有限元分析法的基本步骤是将连续空间的求解区域离散成许多小单元，然后将这些小单元按一定的方式重新组合在一起，进而近似模拟仿真整个求解域内的变化情况。

通常情况下，可以用两种不同的表达方示来建立有限元函数式：第一种方式是所有的动力学、静力学和运动学变量总是以初始构形为参考基准，即在整个分析过程中，所有的参考构型始终保持一致，不发生改变，这种方式称为完全Lagrangian格式(即常说的T.L.格式)；另一种方式是全部的动力学、静力学和运动学变量都是以每一载荷或时间步长开始时的构形，即在分析过程中参考构形是不断改变更新的，这种方式称为更新的Lagrangian格式（即常说的U.L.格式）[9]。针对大位移、大转动、小应变的非线性问题的分析常常采用T. L.格式相对比较合适；而对于大位移、大转动、大变形的非线性问题，运用U.L.格式则是一种公认合理的选择。因此，对于冲压板料成形这样的拥有大应变、多重非线性的问题，采用U.L.格式来建立有限元列式则更为合理。

目前，有限元理论已经开发成比较成熟的商业用软件，被广大企业所采用。数值模拟技术的深入研究和广泛应用，为金属板料冲压的模具产业带来了翻天覆地的变化，使板料成形缺陷由凭靠经验进行判断的不可预知变成了可提前预测。这一变革不但大大减

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轻了工人的工作强度，而且更重要的是极大的提高了冲压板件的质量，有效的缩短了生产周期，同时降低了企业的生产成本，因此数值模拟技术的出现被公认为冲压产业的标识性里程碑。

2.2 汽车覆盖件拉延成形数值模拟有限元理论

汽车覆盖件冲压模具拉延过程是金属板料成形的主要工序，金属板料成形原理是凸模成形。金属板料在模具施加的压力作用下发生大的挠度、大变形的塑性变形[9]。该过程不但使得金属板料在拉深和拉延的复杂应力作用下发生塑性流动、塑性强化，而且会引起金属板料的起皱、开裂和回弹等问题[9]。冲压模具拉延成形过程是金属板料成形过程中几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等多重非线性的复杂多体接触力学问题。

针对非线性问题的求解，常见的方法有增量法、迭代法和混合法三种[9]。对冲压板

材在拉延成形过程中的几何非线性分析时，为了保证计算精度、求解过程和结果的稳定性，通常采用增量法进行分析。增量法实质上是用一系列线性问题去近似模拟非线性问题，即采用分段线性的折线来代替非线性变化的曲线。

当冲压板料的材料应力超过屈服极限时，其将呈现弹塑性的性质，这种弹塑性的产生与加载力的大小、应变速率、材料性能等因素相关。尽管可以采用全量理论或增量理论对冲压材料的塑性变形过程进行近似分析，但采用增量理论更能够反映模具结构加载过程，同时还可以进一步考虑卸载情况，所以在冲压板料拉延成形有限元分析过程中，凡是涉及到材料非线性问题的时候，通常都采用增量法进行求解。

2.2.1 几何非线性

在汽车覆盖件拉延成形过程中，由于冲压用板料在模具力的作用下发生了较大的塑性变形，同时产生了较大的应变和应力，因此需要对大变形中应力和应变进行定义，进而建立非线性的几何方程和物理方程。

在汽车覆盖件拉延成形中，为了方便描述金属板材任意一个质点的位置随时间的变化状况，本课题选择了两个固定重合的坐标系。其中一个用大写字母i X )3,2,1(=i 来表示参考构形V 的坐标系，另一个用小写字母)3,2,1(=i x i 来表示现时构形v 的坐标系，如图2-1所示。板料中任一质点P 在参考构形中的坐标向量是

+

图2-1 应变的度量

[]321X X X X = （2-1）

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其对应的现时构形中坐标向量是

[]321x x x x = （2-2）

因此体构形的变化可采用方程（2-3）来描述

),(t X x x a i i = )3,2,1,(=a t （2-3）

式（2-3）是单值、连续和可微的，且雅克比行列式不等于零，即

[]0d e t ≠=F J （2-4）

式中

[]????????????????????????????????????=33231332221

231211

1x x x x x x x x x x x x x x x x x x F （2-5）

因此（2-3）式表示的变换具有唯一的单值、连续性，同时拥有可微的逆变换

),(t x X X i a a = （2-6）

同时有

[]0d e t ≠=f j （2-7）

[]????????????????????????????????????=33231332221

231211

1x X x X x X x X x X x X x X x X x X f （2-8）

其中[]F 和[]f 分别称为在参考构形和现时构形中度量的变形梯度张量。

2.2.2 Barlat 屈服准则

判断板料屈服的准则有很多种，人们常用的屈服准则有Tresca 屈服准则、Hill 屈服准则、von Mises 屈服准则和Barlat 屈服准则等等。其中Barlat 屈服函数可以较好的对正交异性材料的各向异性塑性状态进行描述，且其屈服函数所反映的应力/应变响应与多晶体塑性力学中的结果是相符的，因此Barlat 屈服准则的精度比其它屈服准则的精度更高一些。

考虑平面应力条件下材料面内各向异性，Barlat 等人建立了对应的屈服函数表达式：

n n n n K c K K a K K a f σ222

2121=+-++= （2-9）

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上式中：

21y

X h K σσ-=， 2222)2(xy y

X P h K σσσ+-= （2-10）

上式中y x ,分别表示板料的扎制方向和横向；σ表示的是沿扎制方向的等效应力；m 表示的是与金属板材晶体形状相关的指数，对于体心立方材料8=m ，对于面心立方材料6=m ；p h c a ,,,分别是描述塑性各向异性的材料参数，由各向异性系数

90450,,r r r 确定：

9090

001122r r r r a ++-=，a c -=2，90900011r r r r h ++= （2-11）

p 值无法由显式给出，必须进行隐式求解方能获得。Barlat 和Lian 提出与扎制方向成θ角度的材料厚向异性的计算公式是

θθσσσσ)(2y

x n

f f n r ??+??= （2-12）

令045=θ，进而定义函数： 451)(2)(r f f n p g y x n

--??+??=θσσσσ （2-13）

参数p 可以由（2-13）式进行迭代求解出。由于Barlat 屈服准则模型仅仅限于平面应力状态，因此弹性本构矩阵可以简化为：

[]???????????

?--=2100010112ννννE D e （2-14） 将式（2-14）和（2-9）代入弹塑性矩阵的一般式（2-8），整理可得出相应的弹塑性矩阵表达式为：

[]??????????--????????????--=00000)1(2100010114

3212222A A A A n E E D ep

νσνννν （2-15）

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上式中：

221211)(---=n K K K K a H 221212)(-++=n K K K K a H

23421K h H y x σσ--=

24421K h H y x σσ-+= （2-16） 1252-=n n cK H

264K h H y

x σσ-=

2272K p H xy

σ=

[]21ν-=E D e

)(165423126

542311H H H H H H m E H H H H H H H A x ++-+'++=νσσ

375122751222)(1)(A H H H H m E H H H H H A xy =+--+'+-=νσνσν （2-17）

)(1)

(65324126532414H H H H H H mh E H H H H H H H h A y +--++-=

νσσ 式（2-15）表示材料在平面各向异性屈服准则下的弹塑性本构关系矩阵[42]

2.2.3 汽车覆盖件冲压成形单元模型

在汽车覆盖件冲压模具行业实际工程应用中，常见的单元模型是壳单元和膜单元，壳单元对起皱的计算比膜单元更准确，但是计算速度没有膜单元快。

汽车覆盖件自身具有的特点决定了冲压成形有限元仿真的较优选择是壳单元，其拥有令人比较满意的计算精度和计算效率。基于这一点，作者[43]对几类基于梅德林（Mindlin ）理论的0

C 型壳单元的综合性能进行了比较，认为BT 壳单元是最适合用于汽车覆盖件模具金属板料拉延成形数值模拟仿真分析的。

（1）共转坐标系的定义

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BT 单元采用共转局部坐标系，它通过固定在单元中面内的与单元自身共同变形来建立应变速度和节点速度之间的关系，这种方式相当适合速率型本构关系匹配[44]。图2-2为共转坐标系的定义的示意图，图2-2中1、2、3、4表示面上的BT 壳单元4个节

点。3?e 表示共转轴坐标系z

?轴的单位向量，其表达式如下：

图2-2 BT 单元局部共转坐标系

33

3?s s e = （2-18）

42313r r s ?= （2-19）

233

2322313s s s s ++= （2-20） 定义单位向量1?e

为x ?轴的单位向量 11

1?s s e = （2-21）

3321211?)?(e e r r s ?-= （2-22）

定义y

?轴的单位向量为2?e 132???e e e ?= （2-23）

在共转坐标系下，全局坐标和单元局部坐标之间的变换关系矩阵是由

)?,?,?(321e e e

这个三元向量在全局坐标系中的分量构成。假设全局坐标下的某一向量为

[]T z y x A A A A =，则与之对应的局部坐标系的向量为[]T

z y x A A A A ????=，则坐标变换为