顶盖工艺建模及cae分析

1、西华大学毕业设计说明书 毕业设计说明书题 目: 顶盖工艺建模及CAE分析 学院(直属系): 材料科学与工程学院 年级、 专业: 材料成型及控制工程 姓 名: 张 亮 学 号: 312008080302232 指 导 教 师: 查五生 完 成 时 间: 2012年6月1日 目 录摘 要2Abstract2前 言31计算机模拟冲压成形理论51.1弹塑性有限元的基本理论51.2板料成形数值模拟中的几个关键问题61.3 Dynaform特点及其应用的一般步骤92汽车覆盖件概述132.1 覆盖件简介132.2覆盖件结构特征132.3 覆盖件成形分类142.4 覆盖件的主要成形缺陷及防止措施143覆盖件冲压成形工艺设计163.1覆盖件拉深工艺设计的依据。163.2拉深工序的工艺处理163.3工艺补充部分的设计213.4、拉深筋设置224顶盖工艺设计284.1 产品数据资料284.2顶盖成形存在的问题284.3顶盖冲压成形工艺分析及工艺确定294.4 冲压方向的确定325顶盖CAE建模与分析过程355.1构建顶盖工艺补充面365.2冲压过程设置385.3后处理42致 谢44参考文献46摘 要本设计为

2、顶盖工艺建模及CAE分析。在设计中，对此工件主要进行了拉深工艺分析，其外形、尺寸、材料等均符合冲压模具的工艺要求。通过拉深工艺分析，并在CAD/CAE软件中进行工艺补充，构建工艺补充面。然后对该数模进行拉深定义，选择了模具类型及结构，冲压中心，坯料尺寸，在DYNAFORM软件中模拟拉深过程,了解可能出现的质量问题-起皱和开裂，并寻求解决方法。最后用计算机绘制了工件的二维图和三维图并编写了设计说明书。关键词：工艺设计；构建工艺补充面；顶盖；CAE分析AbstractThe design in this paper is copings craftwork modeling and CAE analysis. In the design, the process of the drawing craftwork is analyzed. Its shape, size precision, material and so on accord with the pressing process requirements. Through analyzing the craftwork of

3、drawing, supplement of craftwork is processed in CAD/CAE software. Then, defining the drawing of the model, choosing mould type and structure, pressing center, blank size, the drawing process is simulated in DYNAFORM software. Then the general three-dimensional drawings and detail drawings of coping are drawn by CATIA and auto-CAD, the specification of press process and die has been finished.Key words: craftwork design; addendum design; coping; CAE analysis前 言目前国内众多的汽车生产厂家。对汽车覆盖件(顶盖板等零件) 的生产模具，甚

4、至是产品，大部分是从国外直接引进由此耗费了大量的资金和外汇，且直接影响到汽车的销售价格。众所周知，汽车冲压件中顶盖是最大的冲压件，顶盖质量的好坏直接影响整车的外观和质量。同时影响着前风挡玻璃、前后车门、前后门柱、后围等几个较大的冲压件的装配质量1。因此，顶盖是一个在工艺设计、模具设计以及制造等方面都具有较大难度和较高要求的冲压件。如何利用自有的技术，设计并生产出不仅要性能可靠，结构先进合理，而且对外观、质量也有很高要求的覆盖件模具产品，一直是国内模具技术人员急需解决的课题。随着非线性理论、板料成形有限元理论的完善和计算机技术的迅速发展,薄板冲压成形的计算机仿真技术日渐成熟,使零件在批量生产前,对其成形过程进行模拟成为了可能,并在制定工艺和模具设计中发挥越来越大的作用。冲压成形有限元模拟技术已经成为覆盖件冲压工艺设计的重要辅助手段。冷冲模的设计CAD/CAM与CAE分析的结合正在改变传统工艺试制模具的方式，通过对板料变形全过程的数值模拟,判断模具设计和工艺方案的合理性,每次仿真模拟就相当于一次试模过程。这种技术的结合能够大大降低设计的成本，改变传统的浪费时间成本的“设计试制发现问题再设计

5、再试制再发现问题”的生产方式，可以在设计的过程中发现和解决问题，提高设计生产的效率，有效缩短模具设计及生产周期。 当今世界汽车行业普遍认为，汽车车身冲压成形技术是汽车制造技术的重要组成部分，每次汽车车身的更新换代都需要开发相应专用模具和增加必要的生产线。因此在冲压生产中，如何提高冲压生产效率、降低生产成本，正确选取和采用新设备、新材料、新工艺等是冲压技术中的主要课题。 众所周知，车身的金属件几乎全部为冲压件，而且汽车车身的更新换代速度快。这就决定了冲压成形技术在汽车产品的开发中不仅影响制造周期，还直接影响成本和产品品质。汽车车身冲压成形技术的关键是冲压工艺与模具技术。冲压工艺的合理与否决定了模具调试的难易程度；模具设计决定了模具制造的难易程度及制造管理过程，因而直接影响模具制造成本和周期。汽车工业是国民经济的支柱产业，也是一个国家综合实力的象征2。其中汽车冲压模具设计制造是一个关键。它代表了一个企业开发和制造能力。车身覆盖件模具的开发对车身开发的影响最大，其工作量要占车身开发工作量的近70%。模具开发的时间一般为8-12个月，也是影响车身开发周期的最大因素。模具开发的费用也是一个大项。

6、近年的国际形势表明，没有自主的研发能力，企业就不可能在激烈的市场竞争中生存下去。因此，必须提高自身的研发能力，以提高产品质量、降低生产成本，缩短开发周期，提高企业的市场竞争力。尽管国内外已通过长期的实践积累了大量的经验，形成了较系统的设计制造规则和方法，但新技术的出现仍可能为冲压工艺和模具技术的重大变革带来机遇。特别指出的是，以CAD/CAE/CAM为特征的计算机技术在冲压成形中的应用不仅能引起传统工艺流程在周期、成本和品质方面的变化，而且使一些以前难以实现的工艺设想可能成为现实。1计算机模拟冲压成形理论用于板料成形数值模拟的有限元方法分为弹(粘)塑性有限元法和刚(粘)塑性有限元法:粘塑性有限元法主要应用于热加工,而刚塑性有限元法在板料成形中应用有限3。目前,弹塑性有限元法在板料成形数值模拟中应用较广。用弹塑性有限元法分析板料成形问题,不仅能计算工件的变形和应力、应变分布,而且还能计算工件的回弹和残余应力、残余应变等。板料成形过程中由于板料与模具具有相对滑动、粘着和脱落,所以必须控制增量步长的大小,从而尽量反映真实情况。1.1弹塑性有限元的基本理论在塑性变形过程中,如果弹性变形不能忽略

7、并对成形过程有较大的影响时,则为弹塑性变形问题,板料成形就属于典型的弹塑性变形问题。在弹塑性变形中,变形体内质点的位移和转动较小,应变与位移基本成线性关系时,可认为是小变形弹塑性问题;而当质点的位移或转动较大,应变与位移为非线性关系时,则属于大变形弹塑性问题;相应地有小变形弹塑性有限元或大变形(有限变形)弹塑性有限元。1.1.1小变形弹塑性有限元法金属塑性加工是不可逆的,因为变形功的一部分转变成热能。材料的性质与应力和变形的历史有关,由加载的历程决定的。因此,在原则上是不能用应力应变分量的全量形式来描述弹塑性变形的本构关系,而应该采用微分形式和增量理论来描述。小变形弹塑性有限元法以小变形理论为基础,忽略微元体的局部变形并认为位移与应变成线性关系,只适合分析金属塑性成形的初期4。1.1.2大变形弹性有限元法变形体在外载荷作用下,经变形后达到平衡,因此用现时位形的欧拉应力表述平衡方程是很自然的。1.2板料成形数值模拟中的几个关键问题1.2.1材料模型根据实际的塑性变形情况,选用相应合理的有限元方法是至关重要的,这不仅影响模拟结果的精确度,也影响模拟的效率。对于涉及大位移的金属成形,采用大变

8、形弹塑性有限元法的模拟精度和效率均高于刚粘塑性有限元法。对于小位移的金属成形,我们可以采用刚粘塑性(或刚塑性)材料模型,其模拟精度与大变形弹塑性模型基本相当,而模拟效率高于大变形弹塑性有限元法5。一般而言,采用弹塑性模型可以模拟金属各类成形方式,可以得到整个变形体内的应力、应变分布的实际情况,考察模具的受力、变形情况。而刚粘塑性(实际上也包括刚塑性)模型得到的应力、应变分布不全面,对刚性区的处理方式不够科学。1.2.2单元模型金属板料的板厚与产品的曲面曲率相比往往很小。若采用实体单元,则为了获得合理的结果,单元各边的长度应与板料为同一量级,单元总数很大。而采用壳体单元则板面内的单元可以不受板厚的限制,从而可减少单元数量。板和壳都是用来描述薄结构,只是板的中面是平面,而壳的中面可以是任意的曲面。在板料成形过程模拟,为了改善计算精度,通常采用壳理论进行公式化,可将板看作壳的一种特殊情况。1.2.3等效拉延筋模型在板料拉深过程中,拉深件的质量在很大程度上受到材料流动控制的影响,为防止拉深件出现起皱缩颈等缺陷,常在模具上设置拉延筋来控制材料流动。板料成形数值模拟中精确模拟拉延筋的影响还是比较困

9、难的,主要是因为拉延筋尺寸较小,形状复杂,要精确考虑板料与拉延筋的接触,则必须将拉延筋模型划分成非常细小的单元网格,这会增大很多计算工作量,因此这种做法是不现实的汇创。目前通常的做法是采用等效拉延筋模型,将拉延筋复杂的几何形状抽象为一条能承受一定约束力的附着在模具表面的一条拉延筋线,然后将拉延筋线离散成一系列的点,或将其离散成线单元,并将阻力按等效原则分配到相应单元的各个节点上,然后把等效力加到有限元整体刚度方程中进行求解。1.2.4回弹模型回弹是板料冲压成形过程中不可避免的现象,它的存在影响了零件成形的精度,增加了试模、修模以及成形后校形的工作量,故在生产实际中迫切需要对此采取行之有效的措施。考虑到在回弹过程中,模具己经离开工件,故实际上已不是接触问题,若再采用静力平衡迭代方法,将不会出现收敛困难,也没有稳定性条件的限制,计算时间可大大缩短,因此大部分学者建议采用静力隐式有限元算法,避免了采用动力显式积分算法6,因为动力显式计算中的最终稳定静止状态是由系统最低频率的振动所决定的,而且显式算法中对时间步长t的限制,会使回弹分析所需计算步数大大超过成形分析所需计算步数。隐式方法计算回弹的模型有两种:无模法和有模法。无模法:在成形结束时,去除模具代之以接触反力,进行迭代计算,直到接触力为零,适用于零件与冲压成形模具脱离过程接触边界条件的非线性较弱,或者没有明显的脱离过程的情况。有模法:在成形结束时,让模具反向运动,直到凸模完全与板料脱离为止。适用于在卸载过程中,零件与冲压成形模具脱离过程存在明显的非线性接触边界条件的情况。1.2.5边界条件根据模

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