汽車覆蓋件模具設計應用CAE技術分析

孫子祥

摘 要：該文在概述汽車覆蓋件特點要求和CAE技術基本知識的基礎上，給出了汽車覆蓋件模具設計應用CAE技術的一般過程，并結合轎車頂蓋形件模具設計應用CAE的實例，具體分析了CAE技術在汽車覆蓋件模具設計中的應用。

關鍵詞：汽車覆蓋件 模具設計 CAE技術 應用

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0039-01

1 汽車覆蓋件和CAE技術概述

汽車覆蓋件是指構成汽車車身或駕駛室、覆蓋發動機和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內部零件。汽車覆蓋件模具設計必須采取較高的尺寸精度，保障焊裝或組裝時的準確性和互換性：形狀上要保證質量，不出現壓凹痕、褶皺、擦傷等，棱線應清晰、平直，曲線應圓滑、過渡均勻；材料要足夠塑性；零件要足夠剛性。

CAE技術即計算機輔助工程技術，能夠貫穿汽車開發全過程，包括結構分析優化；噪聲、振動與不平順分析；汽車碰撞模擬分析；覆蓋件成形性模擬分析等，應用十分廣泛，但CAE技術難度大，深度深。

2 汽車覆蓋件模具設計應用CAE技術的一般過程

應用CAE技術進行汽車覆蓋件模具設計制造需要反復設計，其一般的理論過程主要是：（1）設計零件幾何模型。即應用CAE技術，首先要在根據金屬塑性成形過程的材料流動規律，在三維CAD軟件中設計出零件的幾何模型，并設計出壓料面和工藝補充面。（2）建立有限元模型。根據上述的成形模具的幾乎模型建立有限元模型，進行有限元計算。（3）分析試運行結果。如果不滿意分析結果，就需要重新返回三維CAD軟件中重新修改零件的幾何模型，并將修改或模型再次進行CAE分析，這其中離不開生產有限元網格和設置成形參數。

3 應用實例介紹

以一輪廓尺寸為164 cm×88.5 cm的轎車頂蓋形件為例，以此來說明如何應用材料成形沖壓CAE技術在汽車覆蓋件沖壓拉深成形數值模擬仿真過程及其工藝參數優化的應用。

3.1 設計車蓋幾何模型

進行工藝補充面初步設計，采用平面坯料一次拉伸成形，在UG軟件①中建立蓋形件三維立體模型，后進行抽面處理，并將添加補充面后的曲面模型（見圖1：車蓋曲面模型）導入到沖壓仿真Dyanform軟件中。

3.2 建立有限元模型并分析

采用自適應網格，劃分坯料網格，可以采用自適應網格或者曲線劃分網格。網格劃分的單位數越小，模擬運算板料變形精確度越高，但所需的計算時間也相應地增長。通過網格劃分，建立三維零件曲面的有限元模擬模型（見圖2：有限元模型）。

3.3 試運行結果分析

采用1/2模型模擬，由于采用平面坯料一次拉伸成形，因此坯料在壓邊過程出現深度達10 cm以上的嚴重內凹（見圖3：嚴重內凹），導致過多材料積聚于坯料中間部位，成形車蓋中間部位材料變量過小，其剛度會受到嚴重影響。

3.4 優化設計

針對汽車頂蓋件設計出現的上述內凹問題，優化設計可以考慮先預成形，后拉深成形，通過計算，最大主應變值為0.72%，預成形后各板料部位應變量較小，對后續拉深成形影響可以忽略不計，因此，此方案可行。

3.4.1 優化工藝補充面

通常，設計工藝補充面需要相同化板料拉延深度，促使板料均勻流動。針對在此拉深成形模擬中出現的中部板料嚴重變形問題，可考慮增加中部拉延深度，以避免車蓋模具中間位置面積大而曲率小的缺陷，以從其他臨近位置補充中間板料。或者將壓料面中間位置改為平面，進一步加大中部拉延深度，結果表明，明顯改善了成形效果，相應位置模具圓角的修改也很好地解決了模具出現的開裂問題。

3.4.2 優化模具圓角和坯料幾何

要提高汽車覆蓋件成形效果，采用修改模具圓角是常用方式，但要保障覆蓋件的基本性能，本例主要修改了工藝補充面的圓角特征來解決開裂實效問題。而優化坯料的幾何形狀，則包括優化其尺寸，切開位置，并借助逆向法有限元計算進行估算，以估計出復雜邊界零件的坯料幾何。轎車頂蓋覆蓋件由于其邊界接近矩形，因此，可以用矩形的板料作為坯料的基本形狀并對其進行局部修改以最終實現成形要求。

結果證明，案例中的轎車頂蓋覆蓋件在應用CAE技術并進行坯料幾何和模具圓角的優化設計后，明顯改善了轎車頂蓋的成形條件并提高了汽車頂蓋的沖壓成形效果。

參考文獻

[1] 陳劍鶴.汽車覆蓋件沖壓工藝與模具設計[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 曹振雨.淺談汽車覆蓋件模具設計與制造[J].精密制造與自動化，2013（2）：54-58.

注釋

① 三維建模軟件（如Pro/e，UG、CATIA等）的一種。

摘 要：該文在概述汽車覆蓋件特點要求和CAE技術基本知識的基礎上，給出了汽車覆蓋件模具設計應用CAE技術的一般過程，并結合轎車頂蓋形件模具設計應用CAE的實例，具體分析了CAE技術在汽車覆蓋件模具設計中的應用。

關鍵詞：汽車覆蓋件 模具設計 CAE技術 應用

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0039-01

1 汽車覆蓋件和CAE技術概述

汽車覆蓋件是指構成汽車車身或駕駛室、覆蓋發動機和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內部零件。汽車覆蓋件模具設計必須采取較高的尺寸精度，保障焊裝或組裝時的準確性和互換性：形狀上要保證質量，不出現壓凹痕、褶皺、擦傷等，棱線應清晰、平直，曲線應圓滑、過渡均勻；材料要足夠塑性；零件要足夠剛性。

CAE技術即計算機輔助工程技術，能夠貫穿汽車開發全過程，包括結構分析優化；噪聲、振動與不平順分析；汽車碰撞模擬分析；覆蓋件成形性模擬分析等，應用十分廣泛，但CAE技術難度大，深度深。

2 汽車覆蓋件模具設計應用CAE技術的一般過程

應用CAE技術進行汽車覆蓋件模具設計制造需要反復設計，其一般的理論過程主要是：（1）設計零件幾何模型。即應用CAE技術，首先要在根據金屬塑性成形過程的材料流動規律，在三維CAD軟件中設計出零件的幾何模型，并設計出壓料面和工藝補充面。（2）建立有限元模型。根據上述的成形模具的幾乎模型建立有限元模型，進行有限元計算。（3）分析試運行結果。如果不滿意分析結果，就需要重新返回三維CAD軟件中重新修改零件的幾何模型，并將修改或模型再次進行CAE分析，這其中離不開生產有限元網格和設置成形參數。

3 應用實例介紹

以一輪廓尺寸為164 cm×88.5 cm的轎車頂蓋形件為例，以此來說明如何應用材料成形沖壓CAE技術在汽車覆蓋件沖壓拉深成形數值模擬仿真過程及其工藝參數優化的應用。

3.1 設計車蓋幾何模型

進行工藝補充面初步設計，采用平面坯料一次拉伸成形，在UG軟件①中建立蓋形件三維立體模型，后進行抽面處理，并將添加補充面后的曲面模型（見圖1：車蓋曲面模型）導入到沖壓仿真Dyanform軟件中。

3.2 建立有限元模型并分析

采用自適應網格，劃分坯料網格，可以采用自適應網格或者曲線劃分網格。網格劃分的單位數越小，模擬運算板料變形精確度越高，但所需的計算時間也相應地增長。通過網格劃分，建立三維零件曲面的有限元模擬模型（見圖2：有限元模型）。

3.3 試運行結果分析

采用1/2模型模擬，由于采用平面坯料一次拉伸成形，因此坯料在壓邊過程出現深度達10 cm以上的嚴重內凹（見圖3：嚴重內凹），導致過多材料積聚于坯料中間部位，成形車蓋中間部位材料變量過小，其剛度會受到嚴重影響。

3.4 優化設計

針對汽車頂蓋件設計出現的上述內凹問題，優化設計可以考慮先預成形，后拉深成形，通過計算，最大主應變值為0.72%，預成形后各板料部位應變量較小，對后續拉深成形影響可以忽略不計，因此，此方案可行。

3.4.1 優化工藝補充面

通常，設計工藝補充面需要相同化板料拉延深度，促使板料均勻流動。針對在此拉深成形模擬中出現的中部板料嚴重變形問題，可考慮增加中部拉延深度，以避免車蓋模具中間位置面積大而曲率小的缺陷，以從其他臨近位置補充中間板料。或者將壓料面中間位置改為平面，進一步加大中部拉延深度，結果表明，明顯改善了成形效果，相應位置模具圓角的修改也很好地解決了模具出現的開裂問題。

3.4.2 優化模具圓角和坯料幾何

要提高汽車覆蓋件成形效果，采用修改模具圓角是常用方式，但要保障覆蓋件的基本性能，本例主要修改了工藝補充面的圓角特征來解決開裂實效問題。而優化坯料的幾何形狀，則包括優化其尺寸，切開位置，并借助逆向法有限元計算進行估算，以估計出復雜邊界零件的坯料幾何。轎車頂蓋覆蓋件由于其邊界接近矩形，因此，可以用矩形的板料作為坯料的基本形狀并對其進行局部修改以最終實現成形要求。

結果證明，案例中的轎車頂蓋覆蓋件在應用CAE技術并進行坯料幾何和模具圓角的優化設計后，明顯改善了轎車頂蓋的成形條件并提高了汽車頂蓋的沖壓成形效果。

參考文獻

[1] 陳劍鶴.汽車覆蓋件沖壓工藝與模具設計[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 曹振雨.淺談汽車覆蓋件模具設計與制造[J].精密制造與自動化，2013（2）：54-58.

注釋

① 三維建模軟件（如Pro/e，UG、CATIA等）的一種。

摘 要：該文在概述汽車覆蓋件特點要求和CAE技術基本知識的基礎上，給出了汽車覆蓋件模具設計應用CAE技術的一般過程，并結合轎車頂蓋形件模具設計應用CAE的實例，具體分析了CAE技術在汽車覆蓋件模具設計中的應用。

關鍵詞：汽車覆蓋件 模具設計 CAE技術 應用

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0039-01

1 汽車覆蓋件和CAE技術概述

汽車覆蓋件是指構成汽車車身或駕駛室、覆蓋發動機和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內部零件。汽車覆蓋件模具設計必須采取較高的尺寸精度，保障焊裝或組裝時的準確性和互換性：形狀上要保證質量，不出現壓凹痕、褶皺、擦傷等，棱線應清晰、平直，曲線應圓滑、過渡均勻；材料要足夠塑性；零件要足夠剛性。

CAE技術即計算機輔助工程技術，能夠貫穿汽車開發全過程，包括結構分析優化；噪聲、振動與不平順分析；汽車碰撞模擬分析；覆蓋件成形性模擬分析等，應用十分廣泛，但CAE技術難度大，深度深。

2 汽車覆蓋件模具設計應用CAE技術的一般過程

應用CAE技術進行汽車覆蓋件模具設計制造需要反復設計，其一般的理論過程主要是：（1）設計零件幾何模型。即應用CAE技術，首先要在根據金屬塑性成形過程的材料流動規律，在三維CAD軟件中設計出零件的幾何模型，并設計出壓料面和工藝補充面。（2）建立有限元模型。根據上述的成形模具的幾乎模型建立有限元模型，進行有限元計算。（3）分析試運行結果。如果不滿意分析結果，就需要重新返回三維CAD軟件中重新修改零件的幾何模型，并將修改或模型再次進行CAE分析，這其中離不開生產有限元網格和設置成形參數。

3 應用實例介紹

以一輪廓尺寸為164 cm×88.5 cm的轎車頂蓋形件為例，以此來說明如何應用材料成形沖壓CAE技術在汽車覆蓋件沖壓拉深成形數值模擬仿真過程及其工藝參數優化的應用。

3.1 設計車蓋幾何模型

進行工藝補充面初步設計，采用平面坯料一次拉伸成形，在UG軟件①中建立蓋形件三維立體模型，后進行抽面處理，并將添加補充面后的曲面模型（見圖1：車蓋曲面模型）導入到沖壓仿真Dyanform軟件中。

3.2 建立有限元模型并分析

采用自適應網格，劃分坯料網格，可以采用自適應網格或者曲線劃分網格。網格劃分的單位數越小，模擬運算板料變形精確度越高，但所需的計算時間也相應地增長。通過網格劃分，建立三維零件曲面的有限元模擬模型（見圖2：有限元模型）。

3.3 試運行結果分析

采用1/2模型模擬，由于采用平面坯料一次拉伸成形，因此坯料在壓邊過程出現深度達10 cm以上的嚴重內凹（見圖3：嚴重內凹），導致過多材料積聚于坯料中間部位，成形車蓋中間部位材料變量過小，其剛度會受到嚴重影響。

3.4 優化設計

針對汽車頂蓋件設計出現的上述內凹問題，優化設計可以考慮先預成形，后拉深成形，通過計算，最大主應變值為0.72%，預成形后各板料部位應變量較小，對后續拉深成形影響可以忽略不計，因此，此方案可行。

3.4.1 優化工藝補充面

通常，設計工藝補充面需要相同化板料拉延深度，促使板料均勻流動。針對在此拉深成形模擬中出現的中部板料嚴重變形問題，可考慮增加中部拉延深度，以避免車蓋模具中間位置面積大而曲率小的缺陷，以從其他臨近位置補充中間板料。或者將壓料面中間位置改為平面，進一步加大中部拉延深度，結果表明，明顯改善了成形效果，相應位置模具圓角的修改也很好地解決了模具出現的開裂問題。

3.4.2 優化模具圓角和坯料幾何

要提高汽車覆蓋件成形效果，采用修改模具圓角是常用方式，但要保障覆蓋件的基本性能，本例主要修改了工藝補充面的圓角特征來解決開裂實效問題。而優化坯料的幾何形狀，則包括優化其尺寸，切開位置，并借助逆向法有限元計算進行估算，以估計出復雜邊界零件的坯料幾何。轎車頂蓋覆蓋件由于其邊界接近矩形，因此，可以用矩形的板料作為坯料的基本形狀并對其進行局部修改以最終實現成形要求。

結果證明，案例中的轎車頂蓋覆蓋件在應用CAE技術并進行坯料幾何和模具圓角的優化設計后，明顯改善了轎車頂蓋的成形條件并提高了汽車頂蓋的沖壓成形效果。

參考文獻

[1] 陳劍鶴.汽車覆蓋件沖壓工藝與模具設計[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 曹振雨.淺談汽車覆蓋件模具設計與制造[J].精密制造與自動化，2013（2）：54-58.

注釋

① 三維建模軟件（如Pro/e，UG、CATIA等）的一種。