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汽车安全带加强板拉延件的有限元模拟分析 |
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作者：夏晓峰 苏传义 |
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CAE是现代模具制造中必不可少的环节，对它的成熟应用可以大大提高模具公司的竞争力。本文介绍了青岛FP驾驶室左/右安全带加强板冲压工艺的设计过程以及利用Autoform软件对拉延件进行模拟分析的过程，阐述了CAE分析在薄板冲压成型过程中所发挥的重要作用。
一、引言
利用模具对金属板料冲压加工可获得质量好、精度高、外表光滑的冲压件，它是一种节材、高效、低成本的成型方法。冲压工艺设计是薄板冲压成型技术的关键，由于冲压成型过程是一个非常复杂的物理过程，涉及力学中的三大非线性问题：（1）几何非线性（冲压中板料产生大位移、大转动和大变形）；（2）物理非线性（又称材料非线性，指材料在冲压中产生的弹塑性变形）；（3）边界非线性（指模具与板料产生的接触摩擦引起的非线性关系）。这些非线性的综合，加上不规则的工件形状，使得冲压成型过程的计算相当棘手，是传统方法无法解决的问题。传统的工艺设计只能以许多简化和假设为基础进行初步设计计算，然后进行大量地依靠经验与反复试模、修模来保证零件的品质。这样的方法用于新产品、尤其是像汽车覆盖件一类的要求精度高、成型性好的大型复杂零件的工艺设计，不仅时间长、费用高，还往往难以保证零件的品质。随着非线形理论、有限元方法和计算机软硬件的迅速发展，薄板冲压成型过程的CAE分析技术日渐成熟并在冲压模具与工艺设计中发挥越来越大的作用。冲压成型过程的计算机模拟实质上是利用数字模拟技术分析板料变形的全过程从而判断冲压工艺方案的合理性，每次模拟就相当一次试模过程。因此成熟的CAE模拟技术不仅可以减少试模次数，在一定条件下还可以使工艺和模具设计一次合格从而避免修模。这就可大大缩短新产品开发周期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞争力。
二、 产品形状和特点
产品形状和特点如图1所示，该件属于汽车内表面件，搭接面多，搭接面质量要求高，不允许有波纹、皱纹、破裂等影响产品质量的缺陷。该件形状复杂，不规则，长650mm，宽95mm，高105mm，属于“L”型细长件。该件有三个孔，分布在不同方向的两个面上，有一处翻边，翻边高度为22mm，翻边线为曲线，曲率半径大，该件的边线为立体曲线，为了保证修边刃口的强度，需要在几个方向上修边。该产品的另一个主要特点为左右件，且左右件完全对称。根据该件的特点，冲压工艺制定为：拉延 、修边冲孔、整形修边切开、翻边吊楔修边、吊楔冲孔、修边冲孔。
图1 左/右安全带加强板产品图
三、对拉延件进行有限元模拟分析
拉延件的形状是根据经验确定的，每个人的经验不一样，因此根据经验确定有一定的局限性，本文利用Autoform软件对拉延件进行了模拟分析。
1．模拟步骤
（1）对拉延件倒圆角光顺，利用UG软件输出拉延件的.igs文件；
（2）打开Autoform软件，建立一个新文件，输入拉延件的.igs文件。几何体生成器（Geometry generator）打开，此时拉延件的形状显示在屏幕上。如图2所示；
图2 第一道工序拉延产品图
（3）利用几何体生成器（Geometry generator）生成凸模、凹模、压边圈。这个界面共有8个选项，分别为Prepare（定义压边圈、翻边展开）、Fillet（检查最小圆角、光顺棱边）、Tip（定义冲压方向）、Modify p（修改产品，填充孔）、Bndry（光顺产品边界）、Binder（生成压料面）、Addendum（添加工艺补充）、Modify T（添加凸包、余肉）；
（4）选择模拟类型（Simulation type）。模拟类型有两种：增量法（Incremental）和一步法（One step）。选择增量法（Incremental）；
（5）利用输入生成器（Input generator）输入模拟参数。这个界面共有7个选项，分别为Title（名称）、Tools（工具）、Blank（定义毛坯、材料）、Drawbead（拉延筋）、Lube（润滑条件）、Process（定义毛坯重力方向、凸模凹模压边圈的运动过程、压边力的大小）、Control（精度控制）；
（6）加拉延筋。采用等效拉延筋方式，在需要的地方加拉延筋；
（7）开始计算模拟，生成*.sim文件。
2．模拟结果分析
（1）图3所示为毛坯在拉延前的形状，压料面为柱面；
图3 模拟形状图
（2）图4所示为凸模与毛坯的接触状态及材料流动状态。凸模与毛坯的接触状态靠近中间且左右对称。通过颜色显示，来区分不同的成型状态（分别表示成型状态好、起皱或者破裂）；
图4 模拟状态图
（3）图5所示为前后加两条筋，拉延结束时的成型状态。通过颜色显示来区分不同的成型状态；
a)模拟成型状态图1
b)模拟成型状态图2
图5
（4）图6所示为前后加两条筋，左右加两条筋，拉延结束时的成型状态。制件变形充分，但局部开裂，开裂处需放大圆角，然后整形到产品尺寸。
图6 模拟成型状态图
四、 结论
通过成形过程模拟可以了解毛坯在拉延前的形状，凸模与毛坯的接触状态，材料的流动趋势，应力应变分布状态，进一步判断成型性（起皱、破裂）的好坏，这些结果对设计者来说是非常必要的。因此可以说CAE是现代模具制造中必不可少的环节，它在模具制造中能够节省时间、降低费用、提高模具质量、提高工件品质、减少工件废品率和材料浪费，在欧美国家，几乎100%的主要车身覆盖件都要经过冲压模拟的检验。这项技术的成熟应用可以大大提高模具公司的竞争力，我们应该努力发展这项技术。(end)
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(4/19/2005) |
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