基于HyperWorks軟件平臺(tái)的汽車(chē)前翼子板件沖壓成型性分析--陳雷

1、2007 Altair大中國(guó)區(qū)用戶(hù)技術(shù)大會(huì)論文集基于HyperWorks軟件平臺(tái)的汽車(chē)前翼子板件沖壓成形性分析陳雷,曲周德,王磊(天津一汽夏利汽車(chē)股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中心)2007 Altair大中國(guó)區(qū)用戶(hù)技術(shù)大會(huì)論文集基于HyperWorks軟件平臺(tái)的汽車(chē)前翼子板件沖壓成形性分析陳雷,曲周德,王磊摘要 本文闡述了基于汽車(chē)行業(yè)廣泛使用的HyperWorks軟件平臺(tái)應(yīng)用于汽車(chē)外覆蓋件板料成形性有限元分析的基本流程。以某車(chē)型的前翼子板件為例，重點(diǎn)對(duì)其拉延成形過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，包括對(duì)有限元模型的前后處理，分析結(jié)果和工藝改進(jìn)意見(jiàn)，為該件的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。關(guān)鍵詞 板料成形仿真，前翼子板，Hy

2、perWorksAbstract: In this paper, the software HyperWorks specially developed for sheet metal forming simulation and FEA of automotive closure panels is presented with its features and functions illustrated. Taking the front wing as an example, the drawing forming process is simulated and analyzed, i

3、ncluding the preprocess and postprocess of the FE model, the result leads to the development of technics and optimization design.Keywords: Sheet metal forming simulation, Front wing, HyperWorks一、前言當(dāng)代汽車(chē)和現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)都表明，汽車(chē)覆蓋件的設(shè)計(jì)制造離不開(kāi)有效的板料成形性仿真分析。國(guó)內(nèi)外大的汽車(chē)集團(tuán)，其車(chē)身開(kāi)發(fā)與模具制造都要借助于一種或者幾種板料成形性分析軟件來(lái)提高其成功率和確保模具制造周期。對(duì)

4、于汽車(chē)界廣泛認(rèn)可的HyperWorks軟件平臺(tái)，作者經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了：汽車(chē)沖壓零件產(chǎn)品的成形性分析，判定成形難點(diǎn)和關(guān)鍵區(qū)域；汽車(chē)沖壓零件產(chǎn)品的毛坯展開(kāi)計(jì)算；對(duì)模具和工藝方案的確認(rèn)進(jìn)行有選擇性和針對(duì)性地模擬分析，給模具調(diào)試提供量化的分析判斷數(shù)據(jù)；對(duì)多種模具和工藝方案進(jìn)行反復(fù)模擬，對(duì)有欠缺的設(shè)計(jì)提出優(yōu)化改進(jìn)方案。二、HyperWorks平臺(tái)概述HyperWorks系列軟件是Altair公司開(kāi)發(fā)的一套功能強(qiáng)大的、完整的、構(gòu)架開(kāi)放的CAE軟件平臺(tái)，在汽車(chē)相關(guān)行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，也可以很方便地實(shí)現(xiàn)與主流的CAD系統(tǒng)和CAE求解器協(xié)同工作。在本文中，使用該平臺(tái)構(gòu)架下的HyperMesh作為

5、模型的前處理工 22007 Altair大中國(guó)區(qū)用戶(hù)技術(shù)大會(huì)論文集具，HyperForm作為板料成形分析工具，HyperView作為后處理工具；求解器使用的是業(yè)界常用的LS-dyna。針對(duì)使用沖壓工藝的汽車(chē)外覆蓋件，核心軟件HyperForm在其設(shè)計(jì)周期的不同階段，包括從最初的概念化設(shè)計(jì)到成品設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程都非常方便實(shí)用，它提供了獨(dú)特的可測(cè)試生產(chǎn)可行性的反算法環(huán)境，同時(shí)，還提供了一套強(qiáng)有力的模具曲面生成工具，以及全沖壓過(guò)程的增量求解方法。HyperForm能把很多HyperWorks獨(dú)特的功能應(yīng)用在復(fù)雜的板料成形仿真中，從最初的產(chǎn)品幾何開(kāi)始，可以?xún)?yōu)化模具曲面、板料外形等多種變量，比如：板料尺寸

6、、成形壓力、拉延筋的位置形狀以及其他沖壓過(guò)程所需要的條件。三、前處理3.1 模型介紹轎車(chē)翼子板件是車(chē)身中典型的較難成形的沖壓件，在某新車(chē)型的前翼子板件模具的設(shè)計(jì)與制造工作中，為了保證模具的制造質(zhì)量和周期，作者對(duì)其進(jìn)行了成形性分析模擬。由于左右前翼子板件完全對(duì)稱(chēng)，故而只選取了左前翼子板件進(jìn)行分析，其原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 左前翼子板正-側(cè)視圖板料厚度：0.7mm；材料：H180BD+ZF；坯料尺寸：0.7×1700×1700mm；沖壓工藝：開(kāi)卷落料，拉延成型，修邊成型，翻邊沖孔，斜楔翻邊沖孔。此模型的特點(diǎn)是曲面復(fù)雜、工序多，有較復(fù)雜的立體曲面，其表面質(zhì)量要求光潔美觀，剛

7、性好。本文針對(duì)其容易出現(xiàn)成形困難的拉延成形工序，通過(guò)模面設(shè)計(jì)等對(duì)其拉延過(guò)程進(jìn)行精確的增量法模擬。3.2 劃分網(wǎng)格模型以catia的model格式導(dǎo)入到HyperMesh中，首先進(jìn)行必要的幾何清理(geom cleanup)，其中包括查找和刪除重面(find duplicates)、消除自由邊(toggle)、刪除需要在后續(xù)成形的特征（也可以在CAD軟件中完成）、填充孔(pinholes)等操作。然后有兩種方法對(duì) 32007 Altair大中國(guó)區(qū)用戶(hù)技術(shù)大會(huì)論文集模型進(jìn)行有限元處理，分別是手動(dòng)和自動(dòng)化分(batch mesher)，本文采用相對(duì)靈活的手動(dòng)劃分，采用5mm四邊形網(wǎng)格作為標(biāo)準(zhǔn)，逐面完

8、成劃分和調(diào)整，保證網(wǎng)格的高質(zhì)量沒(méi)有大的翹曲(warpage)和雅克比值(jacobian)等，具體過(guò)程不再詳述。四、成形性仿真分析4.1 生成模具從HyperForm中打開(kāi)有限元模型（其與HyperMesh之間為無(wú)縫的數(shù)據(jù)傳輸），在1Step頁(yè)面進(jìn)行單元法向的檢查調(diào)整、自動(dòng)定位(autotipping)、負(fù)角檢查(undercut chk)等，在保證沒(méi)有沖壓負(fù)角的情況下，遵循平均法向原則確定沖壓方向。生成模具的過(guò)程中，首先進(jìn)行壓料面的設(shè)計(jì)，遵循平順光滑原則，在具體設(shè)計(jì)思路上重點(diǎn)考慮拉延深度、壓料面截面線輪廓的處理等，設(shè)計(jì)生成壓料面；之后是工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)，需要重點(diǎn)考慮到后續(xù)工序（如修邊、翻邊）

9、的銜接和模具結(jié)構(gòu)上的實(shí)施可行性與簡(jiǎn)便性，然后就是考慮材料的局部流動(dòng)情況及其對(duì)拉延成形的影響，工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù)是凸模圓角半徑和凹模圓角半徑。生成的凹模如圖2所示。圖2 翼子板件凹模然后是拉延筋的設(shè)計(jì)和布置。為了保證得到比較均勻的或者符合要求的徑向拉應(yīng)力，以及防止拉深起皺，最常用的辦法就是采用帶有拉延筋的沖模。拉延筋在調(diào)節(jié)局部進(jìn)料阻力、改善毛坯在壓邊圈下的流動(dòng)條件上有著非常直接的作用，可使各部分的金屬流動(dòng)趨于均勻，同時(shí)還要考慮到后序修邊和拉延時(shí)很可能產(chǎn)生的拉毛問(wèn)題。4.2 工具設(shè)定關(guān)于毛坯形狀，應(yīng)該優(yōu)先采用方形或者方形切角，這樣可以減掉落料模具；其次選用有一定規(guī)則形狀的毛坯，這樣既可以

10、簡(jiǎn)化落料模具結(jié)構(gòu)，又給優(yōu)化毛坯排樣、提高材料的利用率提供了良好的基礎(chǔ)。本文的分析中采用后者，用不同形狀的較規(guī)則的毛坯進(jìn)行分析 42007 Altair大中國(guó)區(qū)用戶(hù)技術(shù)大會(huì)論文集計(jì)算，最后得出最理想的毛坯形狀。按照HyperForm增量算法的分析流程，設(shè)計(jì)完凹模模面和毛坯之后，依次進(jìn)行部件定義(Section definition)、毛坯材料定義(Material definition)、工具設(shè)定(Tool build)、運(yùn)動(dòng)設(shè)定(Tool motion)、約束和力的設(shè)定(Tool load)等。其中，凸模是由凹模偏置一定距離（一般取1.1倍料厚）得到的，壓邊力取100kN，壓邊圈速度不宜太快，

11、該件計(jì)算中取500mm/s。圖3：拉延模模具模型裝配圖各工具如圖3所示4.3 仿真計(jì)算各工具及其參數(shù)設(shè)定完之后，設(shè)置拉延筋（Drawbeads），本題選擇在金屬流動(dòng)容易的地方布置三條拉延筋，附在壓邊圈上（attached to binder）。之后就可以進(jìn)行分析了（run analysis），HyperForm會(huì)自動(dòng)調(diào)用求解器，本文設(shè)定選用LS-DYNA求解器。計(jì)算完成后，得出該方案的分析結(jié)果。多次仿真分析中，除了重點(diǎn)關(guān)注非方形毛坯的形狀變動(dòng)外，通過(guò)調(diào)節(jié)壓邊力和摩擦系數(shù)等沖壓成形工藝條件和參數(shù)，經(jīng)過(guò)多次模擬分析的對(duì)比，直至得到此條件下的最佳拉延成形效果的板料毛坯和成形參數(shù)。五、后處理在Hype

12、rForm中，載入分析結(jié)果(load result)，選擇分析得到的d3plot文件即可自動(dòng)運(yùn)行HyperView，進(jìn)入到后處理模塊。HyperView支持多種CAE求解器的數(shù)據(jù)格式，可以方便的顯示各種云圖，如張量圖、向量圖、等值面顯示等，同時(shí)也支持多種動(dòng)畫(huà)顯示。對(duì)比了各種坯料形狀和成形參數(shù)條件下的拉延仿真結(jié)果后，得出較為理想的方案如下圖。2007 Altair大中國(guó)區(qū)用戶(hù)技術(shù)大會(huì)論文集圖4 坯料減薄率及成形極限圖（FLD）六、結(jié)論從上述過(guò)程中可以看出，采用數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)進(jìn)行拉延成形分析，進(jìn)而在模具制造調(diào)試時(shí)提供量的數(shù)據(jù)和判據(jù)，指導(dǎo)模具調(diào)試，這是縮短制模周期、提高沖壓件成形質(zhì)量的一個(gè)非常重要的手段，如果在模具加工制造前就進(jìn)行充分的模擬分析，研討模面設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，進(jìn)而提出改模方案，無(wú)疑將大大減少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試模量，HyperWorks軟件平臺(tái)正是提供了這樣一個(gè)較為完善可靠的仿真環(huán)境，便于在模具設(shè)計(jì)初期對(duì)全過(guò)程實(shí)施預(yù)分析及做出必要的工藝改進(jìn)，對(duì)實(shí)踐有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義；但板料的沖壓成形過(guò)程和模具的設(shè)計(jì)制造是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)過(guò)程，單對(duì)某一個(gè)工序及其模具調(diào)試做出分析、判斷及修改還是不夠的，