基于Dynaform的汽车覆盖件冲压数值模拟可成形性研究

———————————————收稿日期：2009－01－05 基于Dynaform 的汽车覆盖件 冲压数值模拟可成形性研究陈思，阎开印，丁国富（西南交通大学 先进设计与制造技术研究所，四川 成都 610031），摘要：介绍了汽车覆盖件冲压成形研究背景，简要论述了板料冲压成形的研究原理、冲压数值模拟仿真的理论和流程。

对Dynaform 冲压数值模拟可成形性设计中的部分关键技术进行分析，旨在得出相应问题的通用解决方法和解决步骤。

以典型汽车覆盖件(某型号汽车行李箱盖板)为例，对成形过程进行模拟并验证所得方法的正确性。

实践结果证明了仿真设计方法具有实用性，通过反复模拟，找出了合理的模拟步骤，有利于优化冲压成形的过程及其结果。

关键词：数值模拟；汽车覆盖件；Dynaform ；成形分析中图分类号：U386 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2009) 04－0056－04Numerical simulation forming ayalysis for automobile panel based on DynaformCHEN Si ，YAN Kai-yin ，DING Guo-fu（Institute of Advanced Designing and Manufacturing ，Southwest Jiaotong University ，Chengdu 610031，China ） Abstract ：The research background of simulation of the stamping form process is first described in this paper ，then the theory and flow of numerical simulation for forming is expounded ．For summarizing the general methods to resolve some relevant problems, Analyze the key technology in numerical simulation forming ayalysis for automobile panel based on Dynaform, As an illustration of the simulation forming process, it simulates a classic automobile panel (automotive Lift gate panel). The simulation forming process authenticate the validity of these methods which introduced in the paper. This example testify the practicability of the methods, after again and again simulation, get the rational simulative process. It is propitious to optimize the process and result of stamping forming.Key words ：numerical simulation ；automobile panel ；Dynaform ；Analysis of deformation汽车覆盖件多为空间自由曲面，具有结构尺寸大，形状复杂，材料薄等特点，成形过程涉及几何非线性，材料非线性和复杂的接触摩擦问题。

传统的模具设计方法难以预先估计板料成形过程中板料的成形性和模具设计的正确性。

利用板料冲压成形有限元模拟软件Dynaform 可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕和回弹，评估板料的成形性能[1]。

尽管利用Dynaform 可以及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期，但是在实际的模拟成形设计中还存在诸多问题。

特别是对某些关键技术处理不到位,不仅增加设计时间、延长设计周期；而且影响板料成形的有效性。

本文对汽车覆盖件冲压数值模拟中的部分关键技术问题：毛坯形状尺寸的确定、压边结构及工艺补充面的设计、压边力大小选择和拉延筋的设置进行分析并提供通用的解决处理办法，将所得方法运用到某型号行李箱盖板的冲压数值模拟成形性研究中，并通过仿真成形效果验证方法的实用性，可缩短汽车覆盖件的模具设计周期，提高板料冲压成形的可靠性。

1 基于Dynaform 汽车覆盖件成形工艺分析1.1 毛坯形状尺寸的确定传统的毛坯计算方法一般基于实验和简单的理论，只适应于一些形状规则的零件。

常常采用等面积计算法：从给定零件形状出发，沿与成形过程相反的方向模拟变形过程，将三维制件展开平滑过度至二维平面，手工计算出预估毛坯形状尺寸。

汽车覆盖件一般为非规则的冲压件，如何简单快速地确定毛坯的几何形状是可成形性研究的一个难点。

本文针对复杂形状零件的毛坯求解问题提出了等面积计算法和Dynaform自动计算生成相结合的方法，过程如下：（1）用等面积法估算出预估毛坯形状尺寸；（2）利用Dynaform中BSE-Preparation-BLACK SIZE ESTIMATE操作得计算机自动估算的毛坯形状尺寸；（3）以步骤1和步骤2所得毛坯形状尺寸中较大者为基础尺寸，考虑到修边余量等因素，在基础尺寸上略加面积并结合压边结构确定最终毛坯形状尺寸。

1.2 压边结构和工艺补充面的设计压边结构的设计应从优化毛坯的形状和尺寸入手，当压边结构尺寸设计不合理时，坯料容易出现拉裂或褶皱现象，合理设置压边结构是影响拉延件成形的关键因素之一。

工艺补充面的设计主要应考虑拉延成形时坯料材料的流动和补充状况、压料面的形状和位置、制件的成形精度和定位要求、修边工序的工艺要求等。

在汽车覆盖件仿真冲压成形中，弯曲度较大的拉延件往往因其不均匀的拉延深度制约了成形的有效性和完整性。

本文对此类覆盖件仿真提供了一种压边结构和工艺补充面设计方法：零件曲率较大的边界金属流动速度较快，变形较大，为了防止拉裂现象，可在此边界不设计工艺补充面，并且不设置压边结构；同一零件中，深度较浅、曲率较小的边界应增加工艺补充面并加大压边结构面积，以加大对坯料金属流动的阻力，防止褶皱现象。

1.3 压边力的选择和拉延筋的设置冲压成形过程中，压边力大小是影响冲压件起皱和开裂是否出现的主要因素之一。

压边力过大会阻碍毛坯金属材料的流动，使毛坯在被冲压过程中出现断裂；压边力偏小会使毛坯材料受压不够出现褶皱现象。

拉延筋的设置可以改变板坯在凹模部分的拉伸阻力分布形式，即在对应于板坯流动速度大的区域设置大拉伸阻力的拉延筋，在对应板坯流动速度小的区域设置小拉伸阻力的拉伸筋，从而平衡板坯在凹模口部的流动速度差异。

为了方便快速地设计和调整模具拉伸阻力分布，本文总结了一种设置压边力和拉延筋的简便方法（流程见图1）。

图1 压边力和拉延筋设置流程图（1）设置好成形工具和参数后，输入预估压边力，仿真求解计算；（2）分析所得结果：如果冲压件出现大面积褶皱或波纹现象，说明拉伸阻力偏小，需增大压边力；如果冲压件出现拉裂或拉裂趋势明显，说明阻碍材料流动的阻力较大，需减小压边力再进行仿真计算；（3）分析步骤2所得仿真结果：如果加大压边力后无法消除褶皱或波纹，则需在凹模褶皱处设置拉延筋。

2 关键技术处理方法实例以某型号汽车行李箱盖板冲压成形为例，如图2所示，对Dynaform冲压数值模拟可成形性部分关键技术进行研究并运用上文总结的方法解决相应的技术问题。

从图2中可知，该覆盖件结构对称，弯曲度较大，成形较困难，应合理计算坯料面积、设置压边结构和压边力。

图2 制件形状及尺寸2.1 毛坯尺寸形状确定（1）预估毛坯形状尺寸（单位：mm ） 将制件分为A 、B 、C 、D 四个区域，将A 、B 区域近似成梯形求解；C 、D 区域形状不规则，依据对应区域曲面的分布规律，其面积可近似为区域边界所围矩形面积的三分之二来求解；垂直边缘面积可近似为两个矩形面积之和。

计算公式如下（L 1=910；L 2=1300；L 3=1370；L 4=1400；L 5=550；L 6=355；L 7=173；L 8=190 ）： A 区域面积：S A =1232L L L +×=718250 mm 2B 区域面积：S B =2362L L L +×=600750 mm 2C 区域面积：S C =472()3L L ××= 161467 mm 2D 区域面积：S D =42(8)3L L ××=177333 mm 2垂直边缘面积：S E =562()L L L ×+×垂直=90500 mm 2计算制件展开总面积：S 总=S A +S B +S C +S D +S E =1748300 mm 2按毛坯设计的模拟反算法，将零件逐步展开至平面，使所得平面边界平滑过渡，结合所计算制件展开总面积，得预估毛坯形状尺寸，近似为等腰梯形求解得：预估毛坯面积：S 预估=15001200131117698502+×=（） mm 2 比较以上计算结果可知：计算毛坯面积比预估毛总面积大1.23%，说明预估毛坯面积可以满足制件的成形要求，故预估毛坯面积为确定最终毛坯尺寸的依据之一。

（2）Dynaform 自动计算生成毛坯将三维模型导入Dynaform ，划分、修改网格后，利用Dynaform 软件中BSE-Preparation-BLACKSIZE ESTIMATE 操作得到计算机自动估算的毛坯尺寸。

（3）最终确定毛坯尺寸形状比较预估毛坯尺寸和Dynaform 生成毛坯尺寸可知，两种方法所得毛坯的形状前者略大（将预估毛坯导入Dynaform 与生成毛坯比较可得），故选择预估毛坯尺寸为基础尺寸。

综合考虑到零件的翻边余量、压料面的结构设置等因素，得最终毛坯（图3），边界线条内部为Dynaform 生成毛坯，灰色部分为优化后的毛坯形状。

图3 最终设计毛坯2.2 压边结构和工艺补充面的结构设计由图2制件形状可知，此制件弯曲度较大，为了保证成形质量，考虑到拉压力分布的合理性，设置工艺补充面分析如下。

工艺补充面设计一（图4），制件的整个边界都设置工艺补充面，即整个边界均有与压料面过度接触的过度曲面，并且压边结构全封闭；工艺补充面设计二（图5）只在曲率小的边界设置工艺补充面，压边结构半封闭。

比较两图的成形结果可知：前者在零件顶部出现拉裂现象，出现褶皱趋势明显；后者成形效果良好，没有出现拉裂现象，褶皱区域较小。