基于Dynaform的車身覆蓋件成形數值模擬

陳桂華，張群威

（漯河職業技術學院，河南 漯河 462002）

隨著車型更新換代的速度加快，依靠經驗的車身覆蓋件沖壓模具設計方法已無法滿足實際生產的需要。塑性成形理論的飛速發展以及計算機技術的廣泛應用使沖壓仿真作為一個有力工具進入工業界。沖壓仿真使汽車模具生產由經驗上升到理論，大大縮短了車身覆蓋件的成型周期、提高了車身覆蓋件設計質量，為加速車型更新換代創造了很好的條件。

1 動態仿真系統的關鍵技術發展

有限元法是一種高效的用于數值計算的方法，用近似函數插值表示未知場函數在各個節點的數值，進而把連續的無限自由度問題轉換成了離散有限自由度問題。

1.1 求解格式

沖壓成型時一個及其復雜的力學過程，為實現動態仿真通過以下兩種途徑建立有限元格式：完全的Lagrangian格式（即T.L.格式）和更新的Lagrangian格式（即U.L.格式）。針對沖壓成型過程的特點采用U.L.格式來建立有限元列式比較合適。

不管用哪種格式，最后的坯料運動方程都一樣：

其中：M—質量矩陣；C—阻尼矩陣；u—節點位移矢量；fi—等效內力矢量；fe—等效節點力矢量。

1.2 材料模型

沖壓過程是通過沖壓模具對板料施加壓力實現變形過程的。要分析沖壓成型過程中的力學特性，就要建立對應材料的力學模型，這里稱其為材料模型。依據塑性流動理論，對于板料成形來說塑性特性是各向異性的。板料成形通常采用以下幾種材料模型。

（1）Hill各向異性彈塑性模型

依據Hill的各向異性材料理論，如果體內有相互正交的各向異性主軸，而且坐標軸于各向異性主軸是互相平行的，則屈服準則為：

式中，F、G、H、L、M、N 為各向異性常數。

（2）Barlat各向異性屈服準則

Barlat和Lian的屈服準則準確描述具有較強機構各向異性金屬材料的屈服行為，反映了面內各向異性和屈服函數指數m對板料成形過程中的塑性流動規律及成形極限的影響。

1.3 單元模型

依據課殼體理論，按照形狀分殼體單元可以劃分為曲面和平板兩種，考慮消除剪切自鎖和零能量模態的方法，殼體又可分為 Hughes-Liu（HL）和 Belytschko-Tsay（BT）等。HL單元雖然使用范圍廣、精度高，但計算量大、耗時長；BT單元是用隨動坐標的應力計算法，計算速度快、效率高，對于大變形問題是最穩定有效的方法。

1.4 接觸問題

沖壓成型過程中是通過模具材料與板料表面接觸來傳遞力，進而實現板料變形的。為提高數值模擬的準確性，接觸問題就非常重要。選擇合適的摩擦邊界條件，準確判定接觸狀態，確定合適的約束條件，準確選到接觸點是使仿真過程接近真實過程的關鍵因素。

2 動態仿真分析軟件應用實例

目前板料成形領域中的動態仿真模擬分析軟件有很多，美國ETA公司開發的Dynaform軟件主要用于板料成形。沖壓成形過程中的問題可以在仿真模擬中提前預知，且模擬結果很準確。Dynaform的主要用于重力加載、預成形、拉延等。鈑金成形過程；液壓、輥彎、焊接板材成形；優化模具結構，沖壓過程中受力分析以及沖壓毛坯尺寸預估等。

扭矩盒零件的三維模型見圖1，此零件為左右件，考慮到材料流動的均勻性和材料的利用率，采用左右對稱方式成形。在CAD軟件中對該零件的工藝型面進行補充，通過仿真分析，考察該型面是否能達到成形性的要求。最終得到了優化后的型面如圖2所示，圖中為優化的型面成形后的極限圖，從圖中可以看出，產品所在位置成形性良好，無破裂，只是在局部地方有輕微的起皺，達到了零件的使用要求。

圖1 扭矩盒零件的三維模型

圖2 優化型面后的成形結果

3 存在的問題和研究發展方向

目前，人們已能夠成功地對覆蓋件沖壓成形過程進行仿真，但車身覆蓋件沖壓成形問題的研究中依然存在許多問題：①成形仿真計算的應力場精度不高；回彈計算時，柔度很大，必須施加約束條件，約束位置設置不同計算結果就不同，怎么樣設置約束邊界條件能達到很好的效果還是個難題，回彈問題的研究一直是沖壓成形研究的熱點和難點。②在車身覆蓋件沖壓仿真中，用真實幾何模型來分析拉深筋，雖然精度高，但細化網格耗時較長。等效阻力模型雖然效率高但精度不高，因此，研究高效、高精度的拉深筋阻力模型車身覆蓋件沖壓仿真領域中的一個方向。③覆蓋件沖壓生產和研究中完全靠仿真分析解決問題還是不能實現的，為了提高實驗結果的準確性，試驗方法還有待進一步研究。