基于JSTAMP/NV的汽车外覆盖件表面缺陷仿真分析

文/李彦波，刘红武·广州中国科学院工业技术研究院

基于JSTAMP/NV的汽车外覆盖件表面缺陷仿真分析

文/李彦波，刘红武·广州中国科学院工业技术研究院

汽车覆盖件是典型的复杂曲面薄板冲压件，表面缺陷问题（如面畸变）是影响其成形精度及表面质量的重要因素之一。面畸变是汽车覆盖件表面产生的局部起伏（或凸凹），其起伏高度一般在几十到几百微米。随着消费者对汽车外观质量、汽车经济性及环保性要求的不断提高，生产商开始在车身中广泛应用板料厚度更小的高强度钢板和铝板，与此同时，对薄板类零件成形精度的要求越来越高，汽车外覆盖件表面缺陷问题变得日趋突出。如图1所示，为在制造汽车外覆盖件过程中经常产生的典型表面缺陷。因此，覆盖件模具设计和制造中的面畸变问题开始受到工程和研究人员的极大关注。

图1 汽车外覆盖件上的典型表面缺陷

面畸变在生产上亦称暗坑，由于直接目视观察覆盖件表面时很难或无法发现这种缺陷，车身在油漆后经过照射才表现出来。面畸变问题的存在是目前轿车外覆盖件表面质量的重要影响因素，该缺陷的存在严重制约了汽车覆盖件表面质量的提高，显著地增加了试、修模工作量，故在实际生产中迫切需要对此采取更加有效的措施。目前，部分高校和企业的工程人员尝试采用ANSYS和LSDYNA等有限元仿真软件对覆盖件进行数值模拟来预测其表面缺陷，主要通过软件对仿真结果进行斑马条纹反射或光照，但是这些方法存在着不能进行定量分析，并且大多要借助丰富的现场经验才能进行准确地判断的不足。2011年初，日本JSOL公司开发的JSTAMP/NV软件2.5版本率先发布了分析外覆盖件表面质量缺陷的解决方案——油石仿真模块，能有效地帮助工程师在模具设计阶段分析凹坑等外覆盖件表面质量缺陷。本文首先对先进的板材冲压仿真有限元分析软件JSTAMP/NV及其专用于解决覆盖件表面缺陷问题的油石仿真模块进行介绍，再以某汽车门外板为实例，叙述应用JSTAMP/NV对汽车外覆盖件进行表面质量仿真分析的过程。

JSTAMP/NV软件及其油石仿真机理介绍

JSTAMP/NV是由日本株式会社JSOL开发的基于LS-DYNA通用求解器的钣金冲压成形仿真软件。JSTAMP/NV软件能够模拟钣金冲压的所有类型，包括：自重偏斜、板料夹紧、压边、拉深筋布置、冲压加载、拉深成形、切边、翻边、液压成形、弯管成形、热成形及卸载回弹等；能够精确地预测开裂、褶皱、回弹，尤其是高强度钢板的回弹，是当前市场上惟一一款可以不通过第三方软件便可以生成高精度回弹补偿模面数据并可直接用于CNC加工的软件；能帮助模具设计人员显著减少模具设计时间和修模周期，以缩短交货工期，降低生产成本；目前广泛应用于汽车、航空航天、钢铁冶炼和家电等工业领域。此外，JSTAMP/NV还具有加热成形，精确计算模具变形量，溜料仿真等功能。可简单应用实体单元进行多工序拉延，提供丰富的材料数据库、拉深筋数据库。

JSTAMP/NV软件的油石仿真模块可以基于产品三维扫描数据或仿真分析后得到的网格数据，在软件中模拟油石的测量功能，对存在表面缺陷的汽车外覆盖件进行检测与评价。该油石仿真模块再现了在板料表面使用油石打磨的过程，其仿真计算的机理如图2所示，按照指定的检查方向移动面板，同时计算油石分析面的横截面与油石间的距离，并以分布云图的方式表示出来以帮助工程师确认覆盖件的表面质量是否存在缺陷及其具体位置和严重程度。对油石仿真的结果进行凹、凸分布的判断机理如图3所示，即在油石结果的分布云图中显示表现为：若该点的数值较大而周围的数值较小，则该点为凹陷；反之，若该点的数值较小而周围的数值较大，则该点为凸起。油石仿真模块已在多家企业的生产过程中得到了成功应用，受到用户的好评。

图2 基于JSTAMP/NV油石仿真计算机理

图3 基于JSTAMP/NV油石仿真中凹、凸分布的判断机理

■ 表1 材料的力学参数

汽车门外板油石仿真分析案例

以某汽车门外板为研究对象，运用JSTAMP/NV对其进行油石仿真分析，仿真过程为：首先通过显式算法模拟动态拉延成形过程，然后利用隐式静态算法模拟回弹变形，在精确预测出回弹变形的基础上执行油石仿真计算以预测汽车外覆盖件表面质量的缺陷。在JSTAMP/NV前处理中采用对称模型建立的仿真分析模型，如图4所示，包括凸模、凹模、板料和压边圈，模具采用倒装结构，以单动拉延方式成形。材料牌号为DX53D，其力学参数见表1。应用JSTAMP/NV对该汽车外覆盖件冲压过程进行仿真分析，工序包括自重、拉延、回弹和油石。

图4 某汽车门外板有限元仿真模型

在获取精确的回弹仿真结果的基础上，应用JSTAMP/NV的油石仿真功能按照以下四个操作步骤所述对此案例进行表面质量仿真分析：⑴准备形状数据：首先在回弹工序的后处理窗口中，把分析得到的结果数据另存为用于油石仿真计算的网格文件，并在新窗口中打开该文件；⑵油石仿真参数设定：指定油石仿真区域和油石仿真参数；⑶进行油石计算：指定单独文件输出的输入文件夹和计算结果输出文件夹，设定 LS-DYNA求解器用于油石计算，并执行油石仿真计算；⑷ 查看油石计算的结果：打开后处理窗口，输入油石分析结果文件并利用分布图查看计算结果。

该汽车门外板油石仿真分析结果如图5所示，在门把手轮廓附近出现了凹陷表面缺陷，其中有2处尤其明显（红色区域）。经验证，此仿真预测的结果与试模结果非常吻合。

图5 基于JSTAMP/NV的某汽车门外板油石仿真分析结果

结束语

凸起和凹坑是汽车外覆盖件成形过程中常见的表面缺陷，解决此问题的传统方法是通过不断试模、修模来进行控制和修复，因此耗费了大量的人力、物力和财力，造成了极大的浪费。而利用JSTAMP/NV有限元分析软件率先提出的油石仿真功能模块对汽车外覆盖件可能出现的表面缺陷进行仿真分析和预测，可以真实地模拟出零件的实际冲压过程，并在试模前能准确预测出汽车外覆盖件可能出现的表面缺陷问题，从而对实际生产中采取工艺措施来减少和控制此类缺陷的出现有重要指导意义，可大幅度减少模具返修次数及修模工作。