基于DYNAFORM的汽车车门成形模拟研究

2013-12-12唐凌霄王玉勤黄凯旋豆忠颖杨晓丽杜晓阳

巢湖学院学报 2013年3期

唐凌霄王玉勤黄凯旋周革豆忠颖杨晓丽杜晓阳

（1 安徽中鼎飞彩车辆有限公司，安徽宣城 242000）（2 巢湖学院电子工程与电气自动化学院，安徽巢湖 238000）（3 安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000）（4 国家汽车零部件产品质量监督检验中心（芜湖），安徽芜湖 241000）（5 奇瑞汽车有限公司，安徽芜湖 241000）

1 引言

汽车车门是金属冲压成形零件,由于车门需要满足其他诸如外观、结构、底盘等部件的安装要求及整车安全性要求,车门金属冲压零件形状变得越来越复杂。车门零件的这种要求为其设计制造增加了约束,导致其成形困难,后期需要设计部门根据制造部门的要求不断对零件进行修改,这在一定程度上降低了新车型的开发效率。随着CAD/CAE/CAM技术的发展,汽车车门金属冲压零件结构与工艺设计完全突破了传统的设计方法,而计算机数值计算仿真技术对冲压成形的模拟是目前金属冲压零件冲压成形分析中最活跃的领域。车门制件冲压成形模拟可大大地减少试模修模时间和经费，减少模具设计周期，降低设计制造成本，对汽车覆盖件实际投入模具制造时的工艺制定也具有重要的参考价值。

上世纪70年代以来，人们逐渐以数值模拟技术为辅助手段进行板料成形模具设计，大大降低了生产制造成本，虽然目前板料成形的数值模拟软件已经商业化，但板料成形的模拟技术还不够完善，仍然是国内外研究的热点。目前研究金属板料成形模拟主要集中于有限元算法、接触与摩擦、成形极限图、缺陷等几个方面[1-2]。

以有限元为基础的数值模拟技术越来越多应用于金属板料成形中，大型覆盖件拉延成形具有特别复杂的力学过程，是非常典型的非线性问题，其影响因素多种多样的，这就给传统意义上的有限元数值模拟造成了很大的挑战。薄板成形有限元分析涉及数学、力学、材料学、数值方法、模具制造以及计算机科学，是一门新兴的交叉学科[3-6]。从力学的观点来看，它涉及了大位移、大应变、大转动、弹塑性材料及摩擦接触，是一个典型的非线性问题，因而也成为计算力学中最富有挑战性的课题之一。

1 DYNAFORM板料成形的有限元理论基础

板料成形的模拟从数值计算上分析是一个高度非线性的问题，涉及到材料、几何和接触非线性[7，8]。实际数值计算中一般采用更新的拉格朗日法和数率型的本构关系去处理成形过程中的大应变和大变形问题[9，10]。这里采用逐级更新的Langange法是弹塑性有限元基础，在xi坐标下以t时刻构形为参考构形的虚拟功率原理为：

式（5）中：P、Q、R 分别代表90°、45°、0°方向上的各向异性指数。

2 基于DYNAFORM的车门模面前处理

2.1DYNAFORM 初步处理

先从UG中打开汽车车门的三维模型图，在图层中关闭含有多余的结构、标注尺寸等的图层，仅需保留需要进行模拟的内板结构。选择菜单“文件”→“导出” →“iges”，弹出对话框，设置好导出路径，选择内板结构导出对象，确定后，系统开始自动生成iges格式文件。

打开DYNAFORM软件，通过“文件”→“导入”，在文件中选择UG导出的iges文件，从而将零件的几何模型导入DYNAFORM，然后创建DIE，完成网格划分并进行网格检查修补，如图1所示。式（1）中：V，A分别为参考构形的体积和表面积；Pi、分别为参考构形的体积力率和面积力率；τji为第一类Kirchhoff应力率。

假设塑性变形体积是不可压缩的，即可得到τji与Cauchy应力σij的关系，公式如下所示：

将本式和本构关系方程式代入上式，得到单元平衡方程并按常规方法组装总体刚度方程：

板料成形过程是大位移大变形过程，一般采用数率型的本构方程。经典的基于流动理论正交各项异性希尔二次屈服函数的速率本构方程可表示为：

图1 曲面网格划分结果

完成DIE创建后分别进行PUNCH零件层，BINDER零件层，BLANK零件层的创建，并进行相关网格处理。

2.2 板料成形设置

创建完成 DIE、PUNCH、BINDER和 BLANK后，就可以进行板料成形的最后设置，主要是定义和定位凸凹模、压边圈，设置压边力等。打开菜单“设置”→“自动设置”，弹出新建模拟对话框，将模拟类型设置为板料成形，单击确定后进入板料成形界面。

2.2.1 毛坯定位

在板料成形界面中，选择板料选项，在零件层列表中打开BLANK零件层，再定义材料，点击材料，从材料库中选择代号DDQ的材料，对应T36，系统会自动加载出材料特性曲线。在单击属性，弹出的对话框中将单元公式选项改为16，确定后可看到显示ELFORM=16，其它项采用默认设置即可。

2.2.2 凸凹模、压边圈定位

打开板料成形的工序选项，将DIE、PUNCH、BINDER零件层分别对应定义到凹模、凸模、压边圈中，在几何体处打开零件层列表，对应的选择DIE、PUNCH、BINDER零件层，调整工作方向和移动距离。

因为三者均以板料作为参考面，所以凹模、凸模、压边圈的工作方向必须全部指向板料，按照从上到下依次为 DIE、BLANK、BINDER、PUNCH的顺序排开，调整距离保证四者之间无重叠部分。在定义DIE时，应通过“定位…”将die定位到on binder。设定如图2所示。

图2 DIE、BINDER、PUNCH 的定位

2.2.3 设置工序、控制参数

打开工序选项，将drawing选项中的压边力先调整为80吨。在板料拉延过程中，压边力的大小起到重要作用，直接影响冲压件的质量。

在压边力的设置中，如果压边力过小，则不能有效控制材料的流动，材料无法得到完全拉伸，可能导致板料容易起皱；而如果压边力过大则有产生拉裂的危险，而且将增加模具与板料表面受损的危险，影响模具的使用寿命和板料的成形质量。所以，只有通过多次调试，根据成形模拟的数据结果来调整合适的压边力，车门内板结构复杂，面积较大，内部零件比较多，因此压边力也很大，需要经过调试修改，查看成形结果情况，从而选择出最合适的压边力大小。其余参数使用默认值即可。

再打开控制参数选项，单击时间步长和自适应次数，软件会自动计算出合适的参数，计算的自适应次数为300次。每次在修改了板料、工具、工序的相关参数之后，都必须重新更新一下控制参数，让系统再计算一遍时间步长和自适应次数。

2.3 DYNAFORM 求解器计算

在已经验证工具的运动是正确的之后，就可以使用DYNAFORM软件提供的LS-DYNA求解器进行数据的计算，将生成的dyn格式文件提交到LS-DYNA进行求解，生成板料成形的数据结果，求解计算出冲压各阶段的应力、厚薄变化等等。LS-DYNA的使用有多种方法，可以通过“文件”→“以卡片组的形式提交到Dyna”，选择生成的dyn文件求解；也可以在生成dyn文件时直接提交到LS-DYNA。

3 DYNAFORM的后处理

3.1 成型极限图FLD

这里为了方便分析坯料的结果情况，只需要分析成形模拟的结果图形。

从打开的成形极限图中可以看出板料成形结果，右上方的颜色条表示拉裂起皱趋势情况，其中，红色区域代表拉裂，黄色区域代表拉裂危险，绿色区域代表安全区域，蓝色区域代表有起皱趋势，粉色区域代表起皱，紫色区域代表严重起皱，灰色区域则代表未完全拉伸。车门是大型汽车覆盖件，面积大，结构复杂，内部零部件很多，冲压尺寸大且不均匀，需要多次调整参数，反复模拟才能得到理想的结果。

图3可以看出车门存在轻微的拉裂和拉裂趋势的区域，即红色和黄色的区域，分布于车门的棱角、边框等微小的地方，图中比较大面积的紫色区域，即严重起皱，但是几乎全部位于车门周围的边框部分，实际需要的车门结构不包括边框或法兰部分，因此不影响成品的结果。因此，成形模拟基本合适，存在的轻微拉裂情况可以通过修改模型来调整，ETA/POST提供了车门模面各个点的数据参数，可以清楚看出每一点的应力大小。图4、图5分别为局部拉裂图和边框起皱图。

图4 局部拉裂图

图5 边框起皱图

表1和表2为相应的拉裂和起皱数据表。

表1 局部拉裂数据表

表2 起皱数据表

表1和表2为一些局部拉裂起皱数据，由于表格数据一次最多显示10个点，所以应合理分布这十个点方便观察。从数据表中可以看出这些点的最大最小应力、误差等参数。DYNAFORM的计算模拟是保守计算，模拟结果里出现的缺陷在实际生产中一定会发生，所以必须进行修改参数设置，或者修改车门模型中的不合理部分，直至模拟出理想的结果，节省实际的调试时间和生产成本，提高工作效率。对于本课题而言，主要是熟悉DYNAFORM成形的模拟过程和数据分析，虽然存在轻微缺陷，但是模拟基本是成功的，可以稍微修改车门模型，优化一些局部极限尺寸，扩大棱角的度数等等。

3.2 厚度变化情况

在结果菜单中可以看到板料成形厚薄的变化过程，在Current Component下拉菜单中选择Thickness（绝对值）或者 Thinning（相对减薄率）选项，如下图所示。同样点击Play按钮可以进行动画显示厚度变化过程，可以通过移动Prame/Second滑块设置动画速度，单击Stop按钮终止动画显示。这里仍然使用动画的最后一帧进行模拟，Single Frame中选择最后一帧打开，即第37帧，可以看到板料的厚度变化颜色，如图6所示。