基于DYNAFORM的汽車車身覆蓋件沖壓成形數值模擬

周小靈

摘 要：汽車車身覆蓋件沖壓成形過程中時常會出現破裂、起皺、回彈等缺陷。本文以某汽車車身頂蓋覆蓋件為例，利用DYNAFORM板料成形數值模擬軟件模擬了其成形過程，對可能出現的成形缺陷進行了預測，該數值模擬結果對板料沖壓模具設計具有指導意義。

關鍵詞：汽車車身覆蓋件 沖壓成形 數值模擬 DYNAFORM

中圖分類號：TG386 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0027-01汽車覆蓋件是構成汽車車身的重要組成部分，具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸大和表面質量高等特點[1]。覆蓋件主要的生產方式是薄板沖壓成形，其過程是一個復雜的力學過程。若按照傳統的“試錯法”設計覆蓋件模具，由于反復的試模、修模，將導致覆蓋件的開發周期延長，研發成本增加，無法在市場競爭中處于領先地位。

板料成形數值模擬不僅能夠保證覆蓋件沖壓工藝和模具設計的合格率，還可以減少試模次數，避免修模，從而縮短覆蓋件的開發周期，降低研發成本，提高覆蓋件質量和市場競爭力。本文以板料成形模擬軟件DYNAFORM為平臺，對某汽車頂蓋覆蓋件的成形過程進行研究。

1 頂蓋沖壓工藝分析

汽車頂蓋零件是遮蓋并保護車廂頂部的車身頂板，結構為空間雙曲扁殼狀，呈流線型，尺寸較大，厚度較小，圓角半徑較小，拉延深度較淺[2]。由于頂蓋零件在裝配時與其搭接的覆蓋件零件較多，使得頂蓋成形要求外觀光順平滑，不允許有破裂、起皺、拉痕、凹陷、波紋以及其它對表面質量有影響的缺陷。此外，還對零件的剛性有嚴格的要求。因此，擬定該零件的沖壓工藝方案為拉延、修邊沖孔側沖孔和翻邊整形3道工序。其中，最容易出現成形質量問題的是頂蓋的拉延工序，其制定的是否合理關系到頂蓋零件成形的表面質量和剛性。

1.1 沖壓方向確定

確定沖壓方向是汽車頂蓋拉延工藝設計的關鍵，即確定沖壓件在模具中的空間位置。它不但決定能否生產出合格的沖壓件，而且影響到工藝補充部分的多少和壓料面的形狀[3]。在確定沖壓方向時，應保證凸模形狀能夠進入凹模，不產生負角；要保證拉延深度淺而均勻，凸模與板料應接觸良好，且接觸部位處于模具中心；壓料面各處進料阻力均勻。

1.2 工藝補充設計

汽車頂蓋形狀復雜，結構對稱，直接成形較困難。為了適應拉延工藝的要求，提高頂蓋的成形質量，沖壓方向確定之后，必須設計工藝補充來改善拉延工藝性。工藝補充設計應遵守內孔封閉補充原則、簡化拉延件結構形狀原則以及對后序工序有利原則[4]。工藝補充應包括拉延部分的補充和壓料面兩部分，在Unigraphics NX（UG）軟件中可進行設計頂蓋的工藝補充。

2 頂蓋成形數值模擬

2.1 建立有限元模型

將UG中設計好的板料、帶工藝補充的拉延模型以IGES文件格式輸出，并導入到DYNAFORM軟件中劃分有限元網格。為了保證計算精度和計算效率達到平衡，在彎曲變形較大的部位單元劃分要密一些，在變形較小或沒有彎曲的部位單元劃分稀疏一些。頂蓋沖壓為單動拉延，若對凹模型進行劃分網格，則凸模型和壓邊圈可通過凹模型網格偏置得到。采用網格自適應劃分功能，經過板料重力、合攏模擬后建立的有限元模型如圖1所示，凸模、凹模、壓邊圈均視為剛體，板料視為變形體。

2.2 確定成形工藝參數

確定板料參數：頂蓋材質為DC04，厚度t=0.7 mm，其性能參數為彈性模量E=207 GPa；硬化系數K=547 MPa；泊松比μ=0.30；應變硬化指數n=0.22；屈服應力σS=168 MPa；抗拉強度σT=303 MPa；各向異性系數r0=1.87，r45=1.30，r90=2.14。板料材料模型選用36號Barlat各向異性材料，單元類型選用BT殼單元。模具與板料之間的接觸類型為面面單向接觸，接觸算法為罰函數法。

確定模擬參數：拉延類型為單動拉延；上、下壓邊圈間隙設置為1.1 t=0.77 mm（t為板料厚度）；凸凹模間隙設置為1.1 t= 0.77 mm（t為板料厚度）；摩擦系數為0.13；定義凹模的運動曲線及壓邊圈的力曲線；沖壓速度設置為5000 mm/s（凹模和上壓邊圈運動到下壓邊圈處時的壓合速度）和2000 mm/s（凹模、上壓邊圈和下壓邊圈同時運動完成拉延的成形速度）；壓邊力設置為120T。

2.3 模擬結果與分析

提交有限元模型生成的dyn文件給LS-Dyna求解器進行求解，模擬計算采用動力顯式算法，得到頂蓋的成形極限圖如圖2所示。由成形模擬結果可知，零件塑性變形充分，中間大部分區域減薄量較小，在成形過程中不會產生裂紋和起皺。周邊區域減薄量較大，但未超出破裂極限，在成形過程中也不會產生破裂。法蘭面上有輕微皺紋形成，在后續的切邊工序會將這部分板料切去，不會影響制件的表面質量。由主、副應變結果可知，零件上主、副應變值非常接近，均在0.02左右，表明零件的塑性變形均勻，保證了零件的剛性要求。因此，成形模擬結果證實頂蓋成形過程中不會出現質量缺陷。

3 結論

利用板料成形模擬軟件Dynaform對某汽車頂蓋的沖壓成形過程在計算機上進行了數值模擬，直觀地預測其沖壓成形過程中可能出現的成形缺陷。由模擬結果可以判斷，汽車頂蓋在成形過程中不存在質量問題。通過實際生產得到的頂蓋零件可以證實，板料的成形過程與DYNAFORM軟件成形模擬基本一致，這表明汽車頂蓋拉延工藝設計是合理的，材料參數、沖壓工藝參數等設置是合理的，數值模擬結果對板料沖壓模具設計具有指導意義。

參考文獻

[1] 段磊，蔡玉俊，莫國強，等.汽車覆蓋件成形回彈仿真及模面優化研究[J].鍛壓技術，2010（2）：34-38.

[2] 馬韌賓，段磊，張洋，等.汽車覆蓋件成形數值模擬與模具型面設計[J].2010，39（301）：102-105.

[3] 段向敏，代榮.汽車覆蓋件拉延成形過程分析[J].機械設計與制造，2013（10）：239-241.

[4] 倪昀，黃亞玲，章躍洪.基于DYNAFORM汽車覆蓋件沖壓仿真分析[J].熱加工工藝，2011，40（321）：108-111.endprint

摘 要：汽車車身覆蓋件沖壓成形過程中時常會出現破裂、起皺、回彈等缺陷。本文以某汽車車身頂蓋覆蓋件為例，利用DYNAFORM板料成形數值模擬軟件模擬了其成形過程，對可能出現的成形缺陷進行了預測，該數值模擬結果對板料沖壓模具設計具有指導意義。

關鍵詞：汽車車身覆蓋件 沖壓成形 數值模擬 DYNAFORM

中圖分類號：TG386 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0027-01汽車覆蓋件是構成汽車車身的重要組成部分，具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸大和表面質量高等特點[1]。覆蓋件主要的生產方式是薄板沖壓成形，其過程是一個復雜的力學過程。若按照傳統的“試錯法”設計覆蓋件模具，由于反復的試模、修模，將導致覆蓋件的開發周期延長，研發成本增加，無法在市場競爭中處于領先地位。

板料成形數值模擬不僅能夠保證覆蓋件沖壓工藝和模具設計的合格率，還可以減少試模次數，避免修模，從而縮短覆蓋件的開發周期，降低研發成本，提高覆蓋件質量和市場競爭力。本文以板料成形模擬軟件DYNAFORM為平臺，對某汽車頂蓋覆蓋件的成形過程進行研究。

1 頂蓋沖壓工藝分析

汽車頂蓋零件是遮蓋并保護車廂頂部的車身頂板，結構為空間雙曲扁殼狀，呈流線型，尺寸較大，厚度較小，圓角半徑較小，拉延深度較淺[2]。由于頂蓋零件在裝配時與其搭接的覆蓋件零件較多，使得頂蓋成形要求外觀光順平滑，不允許有破裂、起皺、拉痕、凹陷、波紋以及其它對表面質量有影響的缺陷。此外，還對零件的剛性有嚴格的要求。因此，擬定該零件的沖壓工藝方案為拉延、修邊沖孔側沖孔和翻邊整形3道工序。其中，最容易出現成形質量問題的是頂蓋的拉延工序，其制定的是否合理關系到頂蓋零件成形的表面質量和剛性。

1.1 沖壓方向確定

確定沖壓方向是汽車頂蓋拉延工藝設計的關鍵，即確定沖壓件在模具中的空間位置。它不但決定能否生產出合格的沖壓件，而且影響到工藝補充部分的多少和壓料面的形狀[3]。在確定沖壓方向時，應保證凸模形狀能夠進入凹模，不產生負角；要保證拉延深度淺而均勻，凸模與板料應接觸良好，且接觸部位處于模具中心；壓料面各處進料阻力均勻。

1.2 工藝補充設計

汽車頂蓋形狀復雜，結構對稱，直接成形較困難。為了適應拉延工藝的要求，提高頂蓋的成形質量，沖壓方向確定之后，必須設計工藝補充來改善拉延工藝性。工藝補充設計應遵守內孔封閉補充原則、簡化拉延件結構形狀原則以及對后序工序有利原則[4]。工藝補充應包括拉延部分的補充和壓料面兩部分，在Unigraphics NX（UG）軟件中可進行設計頂蓋的工藝補充。

2 頂蓋成形數值模擬

2.1 建立有限元模型

將UG中設計好的板料、帶工藝補充的拉延模型以IGES文件格式輸出，并導入到DYNAFORM軟件中劃分有限元網格。為了保證計算精度和計算效率達到平衡，在彎曲變形較大的部位單元劃分要密一些，在變形較小或沒有彎曲的部位單元劃分稀疏一些。頂蓋沖壓為單動拉延，若對凹模型進行劃分網格，則凸模型和壓邊圈可通過凹模型網格偏置得到。采用網格自適應劃分功能，經過板料重力、合攏模擬后建立的有限元模型如圖1所示，凸模、凹模、壓邊圈均視為剛體，板料視為變形體。

2.2 確定成形工藝參數

確定板料參數：頂蓋材質為DC04，厚度t=0.7 mm，其性能參數為彈性模量E=207 GPa；硬化系數K=547 MPa；泊松比μ=0.30；應變硬化指數n=0.22；屈服應力σS=168 MPa；抗拉強度σT=303 MPa；各向異性系數r0=1.87，r45=1.30，r90=2.14。板料材料模型選用36號Barlat各向異性材料，單元類型選用BT殼單元。模具與板料之間的接觸類型為面面單向接觸，接觸算法為罰函數法。

確定模擬參數：拉延類型為單動拉延；上、下壓邊圈間隙設置為1.1 t=0.77 mm（t為板料厚度）；凸凹模間隙設置為1.1 t= 0.77 mm（t為板料厚度）；摩擦系數為0.13；定義凹模的運動曲線及壓邊圈的力曲線；沖壓速度設置為5000 mm/s（凹模和上壓邊圈運動到下壓邊圈處時的壓合速度）和2000 mm/s（凹模、上壓邊圈和下壓邊圈同時運動完成拉延的成形速度）；壓邊力設置為120T。

2.3 模擬結果與分析

提交有限元模型生成的dyn文件給LS-Dyna求解器進行求解，模擬計算采用動力顯式算法，得到頂蓋的成形極限圖如圖2所示。由成形模擬結果可知，零件塑性變形充分，中間大部分區域減薄量較小，在成形過程中不會產生裂紋和起皺。周邊區域減薄量較大，但未超出破裂極限，在成形過程中也不會產生破裂。法蘭面上有輕微皺紋形成，在后續的切邊工序會將這部分板料切去，不會影響制件的表面質量。由主、副應變結果可知，零件上主、副應變值非常接近，均在0.02左右，表明零件的塑性變形均勻，保證了零件的剛性要求。因此，成形模擬結果證實頂蓋成形過程中不會出現質量缺陷。

3 結論

利用板料成形模擬軟件Dynaform對某汽車頂蓋的沖壓成形過程在計算機上進行了數值模擬，直觀地預測其沖壓成形過程中可能出現的成形缺陷。由模擬結果可以判斷，汽車頂蓋在成形過程中不存在質量問題。通過實際生產得到的頂蓋零件可以證實，板料的成形過程與DYNAFORM軟件成形模擬基本一致，這表明汽車頂蓋拉延工藝設計是合理的，材料參數、沖壓工藝參數等設置是合理的，數值模擬結果對板料沖壓模具設計具有指導意義。

參考文獻

[1] 段磊，蔡玉俊，莫國強，等.汽車覆蓋件成形回彈仿真及模面優化研究[J].鍛壓技術，2010（2）：34-38.

[2] 馬韌賓，段磊，張洋，等.汽車覆蓋件成形數值模擬與模具型面設計[J].2010，39（301）：102-105.

[3] 段向敏，代榮.汽車覆蓋件拉延成形過程分析[J].機械設計與制造，2013（10）：239-241.

[4] 倪昀，黃亞玲，章躍洪.基于DYNAFORM汽車覆蓋件沖壓仿真分析[J].熱加工工藝，2011，40（321）：108-111.endprint

摘 要：汽車車身覆蓋件沖壓成形過程中時常會出現破裂、起皺、回彈等缺陷。本文以某汽車車身頂蓋覆蓋件為例，利用DYNAFORM板料成形數值模擬軟件模擬了其成形過程，對可能出現的成形缺陷進行了預測，該數值模擬結果對板料沖壓模具設計具有指導意義。

關鍵詞：汽車車身覆蓋件 沖壓成形 數值模擬 DYNAFORM

中圖分類號：TG386 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0027-01汽車覆蓋件是構成汽車車身的重要組成部分，具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸大和表面質量高等特點[1]。覆蓋件主要的生產方式是薄板沖壓成形，其過程是一個復雜的力學過程。若按照傳統的“試錯法”設計覆蓋件模具，由于反復的試模、修模，將導致覆蓋件的開發周期延長，研發成本增加，無法在市場競爭中處于領先地位。

板料成形數值模擬不僅能夠保證覆蓋件沖壓工藝和模具設計的合格率，還可以減少試模次數，避免修模，從而縮短覆蓋件的開發周期，降低研發成本，提高覆蓋件質量和市場競爭力。本文以板料成形模擬軟件DYNAFORM為平臺，對某汽車頂蓋覆蓋件的成形過程進行研究。

1 頂蓋沖壓工藝分析

汽車頂蓋零件是遮蓋并保護車廂頂部的車身頂板，結構為空間雙曲扁殼狀，呈流線型，尺寸較大，厚度較小，圓角半徑較小，拉延深度較淺[2]。由于頂蓋零件在裝配時與其搭接的覆蓋件零件較多，使得頂蓋成形要求外觀光順平滑，不允許有破裂、起皺、拉痕、凹陷、波紋以及其它對表面質量有影響的缺陷。此外，還對零件的剛性有嚴格的要求。因此，擬定該零件的沖壓工藝方案為拉延、修邊沖孔側沖孔和翻邊整形3道工序。其中，最容易出現成形質量問題的是頂蓋的拉延工序，其制定的是否合理關系到頂蓋零件成形的表面質量和剛性。

1.1 沖壓方向確定

確定沖壓方向是汽車頂蓋拉延工藝設計的關鍵，即確定沖壓件在模具中的空間位置。它不但決定能否生產出合格的沖壓件，而且影響到工藝補充部分的多少和壓料面的形狀[3]。在確定沖壓方向時，應保證凸模形狀能夠進入凹模，不產生負角；要保證拉延深度淺而均勻，凸模與板料應接觸良好，且接觸部位處于模具中心；壓料面各處進料阻力均勻。

1.2 工藝補充設計

汽車頂蓋形狀復雜，結構對稱，直接成形較困難。為了適應拉延工藝的要求，提高頂蓋的成形質量，沖壓方向確定之后，必須設計工藝補充來改善拉延工藝性。工藝補充設計應遵守內孔封閉補充原則、簡化拉延件結構形狀原則以及對后序工序有利原則[4]。工藝補充應包括拉延部分的補充和壓料面兩部分，在Unigraphics NX（UG）軟件中可進行設計頂蓋的工藝補充。

2 頂蓋成形數值模擬

2.1 建立有限元模型

將UG中設計好的板料、帶工藝補充的拉延模型以IGES文件格式輸出，并導入到DYNAFORM軟件中劃分有限元網格。為了保證計算精度和計算效率達到平衡，在彎曲變形較大的部位單元劃分要密一些，在變形較小或沒有彎曲的部位單元劃分稀疏一些。頂蓋沖壓為單動拉延，若對凹模型進行劃分網格，則凸模型和壓邊圈可通過凹模型網格偏置得到。采用網格自適應劃分功能，經過板料重力、合攏模擬后建立的有限元模型如圖1所示，凸模、凹模、壓邊圈均視為剛體，板料視為變形體。

2.2 確定成形工藝參數

確定板料參數：頂蓋材質為DC04，厚度t=0.7 mm，其性能參數為彈性模量E=207 GPa；硬化系數K=547 MPa；泊松比μ=0.30；應變硬化指數n=0.22；屈服應力σS=168 MPa；抗拉強度σT=303 MPa；各向異性系數r0=1.87，r45=1.30，r90=2.14。板料材料模型選用36號Barlat各向異性材料，單元類型選用BT殼單元。模具與板料之間的接觸類型為面面單向接觸，接觸算法為罰函數法。

確定模擬參數：拉延類型為單動拉延；上、下壓邊圈間隙設置為1.1 t=0.77 mm（t為板料厚度）；凸凹模間隙設置為1.1 t= 0.77 mm（t為板料厚度）；摩擦系數為0.13；定義凹模的運動曲線及壓邊圈的力曲線；沖壓速度設置為5000 mm/s（凹模和上壓邊圈運動到下壓邊圈處時的壓合速度）和2000 mm/s（凹模、上壓邊圈和下壓邊圈同時運動完成拉延的成形速度）；壓邊力設置為120T。

2.3 模擬結果與分析

提交有限元模型生成的dyn文件給LS-Dyna求解器進行求解，模擬計算采用動力顯式算法，得到頂蓋的成形極限圖如圖2所示。由成形模擬結果可知，零件塑性變形充分，中間大部分區域減薄量較小，在成形過程中不會產生裂紋和起皺。周邊區域減薄量較大，但未超出破裂極限，在成形過程中也不會產生破裂。法蘭面上有輕微皺紋形成，在后續的切邊工序會將這部分板料切去，不會影響制件的表面質量。由主、副應變結果可知，零件上主、副應變值非常接近，均在0.02左右，表明零件的塑性變形均勻，保證了零件的剛性要求。因此，成形模擬結果證實頂蓋成形過程中不會出現質量缺陷。

3 結論

利用板料成形模擬軟件Dynaform對某汽車頂蓋的沖壓成形過程在計算機上進行了數值模擬，直觀地預測其沖壓成形過程中可能出現的成形缺陷。由模擬結果可以判斷，汽車頂蓋在成形過程中不存在質量問題。通過實際生產得到的頂蓋零件可以證實，板料的成形過程與DYNAFORM軟件成形模擬基本一致，這表明汽車頂蓋拉延工藝設計是合理的，材料參數、沖壓工藝參數等設置是合理的，數值模擬結果對板料沖壓模具設計具有指導意義。

參考文獻

[1] 段磊，蔡玉俊，莫國強，等.汽車覆蓋件成形回彈仿真及模面優化研究[J].鍛壓技術，2010（2）：34-38.

[2] 馬韌賓，段磊，張洋，等.汽車覆蓋件成形數值模擬與模具型面設計[J].2010，39（301）：102-105.

[3] 段向敏，代榮.汽車覆蓋件拉延成形過程分析[J].機械設計與制造，2013（10）：239-241.

[4] 倪昀，黃亞玲，章躍洪.基于DYNAFORM汽車覆蓋件沖壓仿真分析[J].熱加工工藝，2011，40（321）：108-111.endprint