利用CAE技术对汽车覆盖件冲压生产的研究

刘中华，胡毅光，王英姿

（湘潭医卫职业技术学院，湖南 湘潭 411104）

1 汽车覆盖件及CAE和有限元设计理论

（1）汽车覆盖件。汽车覆盖件是指覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室、车身等金属薄板制成的空间形状的表面或内部零件。按功能和部位可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架覆盖件三类。汽车覆盖件在工艺设计、模具加工、设备选择及质量控制（尺寸公差、形状精度、零件刚度、表面质量）等方面都具有与一般冲压零件不同的特点。

（2）CAE和有限元。汽车覆盖件的设计制造需应用此分析计算工具与方法。CAE（ComputerAidedEngineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。

2 汽车覆盖件冲压成形工艺特点

汽车覆盖件冲压成形的基本工序有：落料、预弯、拉延、修边、冲孔、翻边、整形等。典型结构的汽车覆盖件一般需要4~6道工序，并可根据需要将一些工序合并，如落料拉延、修边冲孔、翻边整形等。与一般冲压件比较，覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为空间曲面、结构尺寸大和表面质量高等特点，因此覆盖件的冲压工艺、模具设计和模具制造工艺也有其独特的特点：①覆盖件在拉延时毛坯的变形甚为复杂，各处的应力很不均匀，故不能按一般拉延件那样用拉延系数来简单判断和计算它的拉延次数和拉延可能性。②覆盖件在拉延时要求进料阻力均匀，因此拉延模应在材料容易流动的地方多加拉延筋，而在材料不易流动的地方不加或减少拉延筋甚至增加润滑。③有些深度浅的覆盖件拉延时材料得不到充分的变形，容易起皱，且刚性不够。这时需采用拉延槛来加大压边圈下材料的流动阻力，使拉延时材料得到充分的塑性变形，保证覆盖件修边后弹性变形小，刚性也好，以消除“鼓膜状”的缺陷。④大部分覆盖件需要的拉延力和压料力都较大，因此在大量生产中，这类覆盖件的拉延工序都采用双动压力机。⑤覆盖件的复杂空间曲面单靠覆盖件图是无法完全表示出来的，还必须依赖模型。主模型是制造覆盖件模具的标准，同时又是覆盖件检验的标准样品。⑥大部分覆盖件模具的工作部分是复杂的空间曲面，而且对尺寸精度和表面粗糙度的要求高，要用特制的工艺补充部分，主模型和样架在仿形铣床上加工，然后修研，其制造工艺复杂且制造周期长，同时大部分覆盖件的模具轮廓尺寸大，需要有大型的加工设备。⑦覆盖件各工序的模具依赖性大，模具的调整工作量也大，特别是拉延模的调整，是最复杂，最困难的。只有通过拉延模的调整，拉延出合格的拉延件之后，才能投入其他工序的模具设计和制造。覆盖件拉延毛坯的外形尺寸和拉延件的修边尺寸都需要通过试验确定。⑧为保证覆盖件在拉延时能经受最大限度的变形而不至于产生破裂，对原材料的机械性能、金相组织、化学成分、表面质量和厚度精度都提出很高很严的要求。

3 汽车覆盖件冲压成形过程的模拟及分析

以DYNAFORM软件为例，探讨成形过程的模拟及分析。DYNAFORM是由美国工程技术联合公司开发的一个的板料成形模拟软件。它主要应用于板料成形工业中模具的设计和开发，可以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间和试模周期。DYNAFORM不但具有良好的易用性，而且包括了大量的智能化工具，可方便地求解各类板料成形问题。同时，DYNAFORM也最大限度地发挥了传统CAE技术的作用，减少了产品开发的成本和周期。

（1）前处理。①覆盖件数值模拟分析的几何建模。分析模型的几何建模需要完成冲压件以及冲压工艺补充（工艺补充面、拉延筋等）的几何建模。通常数值模拟软件不具备复杂建模的功能，也就很难得到其精确的有限元离散模型用于冲压成形数值模拟分析。因此为了得到精确的冲压件及其工艺补充的几何模型，必须借助专业的CAD软件对其进行几何建模。②覆盖件冲压成形数值模拟分析的有限元建模。分析模型的有限元建模过程包括：完成对几何模型的有限元离散化，生成对应的冲压模具及板料有限元模型；定义冲压模具的分析参数；定义板料的材料模型参数及分析单元的属性参数，定义板料的边界约束条件等。

（2）求解。前处理完成后，提交给求解器。不同类别的成形过程采用不同的求解算法。对于准静态成形过程，应尽可能选用静力算法求解，以避免采用动力算法时人为的引入惯性效应，同时静力算法求得的应力场也更为准确，有利于回弹预测的准确性。对于高速成型过程，采用动力算法求解，以便考虑惯性效应的影响；另外，对于静力算法不易收敛的准静态问题（如复杂覆盖件冲压成形），也可利用动力算法对强非线性问题的强大处理能力进行求解，但要仔细考虑惯性效应带来的误差。

（3）后处理。后处理通常是通过读入分析结果数据文件激活的。分析软件的后处理模型能提供零件变形形状、模型表面或任意剖面上的应力应变分布云图、变形过程的动画显示、选定位置的物理量与时间的函数关系曲线、沿任意曲线路径的物理量分布曲线等，使用户能方便的理解模拟结果。除此以外，成型软件的后处理模块还提供了一些专门的手段用以测量成型质量和成型缺陷，如冲压模拟中的成型极限图显示零件各部分的安全裕度，光照效果图显示零件的起皱等表面缺陷。

4 结语

汽车覆盖件的形状多样性和成形复杂性，单纯依靠传统方式进行反复试模修模，会产生很大的浪费。采用先进的计算机仿真分析软件（如DYNAFORM）和有限元理论，结合前人总结的经验，在仿真中直观地了解板料冲压成形过程，通过后处理对存在的缺陷进行改正，减少了实际生产模具试模和修模的次数，在模具结构设计阶段，指导设计修改方案，缩短了模具设计生产周期，降低设计生产成本，对汽车覆盖件的模具生产制造意义重大。