汽车覆盖件冲压模具精__69-87.pdf

上海交通大学工学硕士学位论文 第四章 模具型面补偿计算与合模率 测算软件 系统应用实例 第 61 页 第四章 模具型面补偿计算与 合模率 测算软件 系统 应用实例 4.1 数值仿真 软件 选择 力学、计算机技术、有限元理论特别是大变形弹塑性有限元的发展，为汽车覆盖件冲压成形的模拟仿真提供了坚实的理论基础 [64]进入 20 世纪 90 年代后，国外一大批大型板料成形有限元数值 仿真 软件开始进 入实用阶段，很好地解决了产品的工艺性问题，提高了生产效率其中具有代表性的 商业化分析软件有 Autoform 和LS-DYNA Autoform 软件是由瑞士联邦工学院开发的一款专门针对汽车工业和金属成形工业中的板料成形的有限元分析程序，它是采用全拉格朗日理论的弹塑性有限元分析软件 [76]目前，在板料冲压成形仿真领域，全球众多汽车制造商、汽车模具制造商和冲压件供应商 大多 用它来进行产品开发、工艺规划和模具研发 Autoform 的求解格式为静力隐式 由于 Autoform 在 接触处理算法、模面设计、单元技术和自适应网 格技术 等有限元技术上取得突破 ，使得 Autoform 在计算速度上具有很大的优势，也 改变 了动力显式算法计算效率优于静力隐式算法的传统观念。

在模拟结果处理上， Autoform 对模拟结果融合了许多有效的解释 遗憾的是 Autoform 只提供摩擦模型、热传导系数的二次开发接口对于其它 功能 的二次 开发 接口，目前尚未提供对于其数据文件（ sim 文件），是不能用记事本等 文本编辑工具读写 这些 限制了用户操作的自由度，但避免了由于用户人为操作误差造成计算结果的偏差 LS-DYNA 是世界上最著名的通用显 式 动力分析程序，能够模拟真 实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和 板料成形 等非线性动力冲击问题 [77,78]其算法特点是以 Lagrange 为主，兼有 ALE 和 Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流固耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能 LS-DYNA 具有丰富的单元库，目前拥有近 150 多种金属和非金属材料模型 LS-DYNA 的全自动接触分析功能非常易于使用，有 50 多种可供选择的接触分析方式 LS-DYNA 的输入数据文件 K 文件可以由用户自行编辑，为 用户开发独立的软件系统控制 LS-DYNA 进行数 上海交通大学工学硕士学位论文 第四章 模具型面补偿计算与合模率 测算软件 系统应用实例 第 62 页 值仿真提供了途径。

LS-DYNA 求解过程中，用户还可以通过自定义方式输出各种技术结果信息，例如使用关键字 *DATABASE_NCFORC 输出 节点界面力 文件 [79]而且，这些文件内容可以直接使用文本编辑器查看，这 给用户提供了很大的自由度 基 于上述论述， 本文选用 Autoform 与 LS-DYNA 作为冲压成形过程数值仿真软件，开发了相关的接口，进行模具型面补偿量计算 Autoform 在工业界应用广泛，使得覆盖件模具型面补偿计算与合模率改进软件系统可以实现工业化应用 而LS-DYNA 接口的提供，为软件系统的集成与 进 一步的研究提供了更广阔 的 空间 4.2 轿车 翼子板 冲压 模具型面补偿计算实例 4.2.1 利用 Autoform 进行 成形过程 仿真 该 轿车 翼子板 冲压 模具为一模两件， 在本文中， 取一件 进行 模具冲压 成形 过程数值仿真 ，图 4-1 所示为制件 CAD 模型 图 4-1 某翼子板制件 CAD 模型 Fig.4-1 CAD model of a fender workpiece 有限元模型如图 4-2 所示 ，工具与 制件 网格单元数如表 4-1 所示 。

制件初始料厚为 0.7mm，材料参数如表 4-2 所示 该模型 摩擦系数取 0.14，压边力为 1200kN，采用 BBC steel 屈服准则成形过程中模具视为刚性体 上海交通大学工学硕士学位论文 第四章 模具型面补偿计算与合模率 测算软件 系统应用实例 第 63 页 图 4-2 模具闭合前有限元模型 Fig.4-2 FEM model 表 4-1 有限元模型网格数量 Tab.4-1 The number of nodes and elements 部件 节点数 单元数 制件 3833 7478 凸模 143061 224913 凹模 147500 232205 压边圈 45786 82895 表 4-2 材料参数 Tab.4-2 Material properties 材料名称 弹性模量 （ GPa） 强度系数 （ MPa） 密度 （ g/mm3） 泊松比 r0 r45 r90 n Sigaudi-t99 210 272.1 7.8 0.3 1.73 1.53 2.25 0.18 冲压 成形 过程数值仿真 结果 显示，冲压成形过程中制件无破裂、起皱等成形缺陷 。

图 4-3、图 4-4、图 4-5 分别 为制件料厚云图 、 制件下表面接触压强云图 和 制件成形极限图 上海交通大学工学硕士学位论文 第四章 模具型面补偿计算与合模率 测算软件 系统应用实例 第 64 页 图 4-3 制件料厚云图 Fig.4-3 Nephogram of workpiece thickness 图 4-4 制件下表面接触压强云图 Fig.4-4 Contact pressure nephogram of workpiece lower surface 上海交通大学工学硕士学位论文 第四章 模具型面补偿计算与合模率 测算软件 系统应用实例 第 65 页 图 4-5 制件成形极限图 Fig.4-5 Forming limit diagram of workpiece 利用 Autoform 中的 Export results 功能，将 制件 下表面单元压强、制件单元厚度、凹模型面网格等信息输出输出文件名称及后续操作所使用的文件见表 4-3 所示 表 4-3 某翼子板模具实例文件列表 Tab.4-3 The file list of the fender example 编号 文件名 注 释 1 thickness.af 制件单元厚度信息文件 2 pressure_lower.af 制件下表面单元压强信息文件 3 mesh_t_20_die.nas 凹模型面网格信息文件 4 pressure_lower.txt 节点压强信息文件 5 displace_punch.txt 凸模结构分析后输出的型面节点位移信息文件 6 el_compensation.txt 模具 弹性 变形 补偿量信息文件 7 th_compensation.txt 制件料厚减薄补偿量信息文件 8 superposition.txt 叠加后模具型面总的补偿量信息文件 9 match_area.cgo 补偿区域点云文件 10 compensation.txt 补偿区域节点补偿量信息文件 11 *.xyz_rgb 补偿量 彩色 显示信息文件 上海交通大学工学硕士学位论文 第四章 模具型面补偿计算与合模率 测算软件 系统应用实例 第 66 页 4.2.2 Autoform 模式下型面补偿计算 4.2.2.1 节点压强文件格式转换 与凸模结构分析 输入文件格式为制件下表面单元压强信息文件（ thickness.af），文件中含有制件节点信息，制件单元信息和单 元压强信息，格式 见附录 二 。

利用 3.3.1 节所讨论的面积加权算法运算后，输出文件为节点压强信息文件，文件格式如 附录 二 所示，该文件将导入 Catia 软件中的 GAS 模块，由 Catia 软件完成分布压强映射，进行凸模结构分析 图 4-6 所示为凸模 CAD 模型 利用 Catia 自动划分网格，凸模划分为四边体单元，单元类型为二次单元，最大尺寸为 96.928mm，绝对垂度 15.508mm 底 板 单元最大尺寸 为 287.513mm，绝对垂度 46.002mm，同样为二次四面体 单元凸模及 底板有限元模型如图 4-7 所示，材料参数如表 4-4 所 示 图 4-6 凸模 CAD 模型 Fig.4-6 CAD model of punch 图 4-7 凸模及底板有限元模型 Fig.4-7 The finite element model of punch and bottom plate 上海交通大学工学硕士学位论文 第四章 模具型面补偿计算与合模率 测算软件 系统应用实例 第 67 页 表 4-4 凸模材料参数 Tab.4-4 Material properties of punch 材料名称 弹性模量（ GPa） 屈服强度（ MPa） 密度（ g/mm3） 泊松比 Iron 1200 310 7.87 0.291 双槽模具，两侧均施加了压强，反求出的 z 方向合力为 4252kN，凸模型面变形位移云图如图 4-8 所示 ，凸模型面最大位移处在图中 A 点，位移量为 0.223mm， 最小位移处在图中 B 点，位移量为 0.153mm。

图 4-8 模具型面变形位移云图 Fig.4-8 The nephogram of displacement for punch surface deformation 4.2.2.2 补偿量计算 将凸模结构分析输出的型面节点位移信息文件（ displace_punch.txt）和凹模型面网格信息文件（ mesh_t_20_die.nas）作 为输入文件，计算模具弹性变形补偿量模具弹性变形补偿量由凸模结构分析网格映射到凹模型面离散网格节点上，输出模具弹性变形补偿量信息文件（ el_compensation.txt）凹模型面弹性变形补偿量区间分布如图 4-9 所示，补偿量显示如图 4-10 所示 ，较大位移量为红色区域，位移量区间在 0.0719mm～ 0.0799mm，最大值为 0.0789mm 较小位移量为蓝色区域， 位移量区间在 0 mm～ 0.0080mm， 最小位移量为 0mm 上海交通大学工学硕士学位论文 第四章 模具型面补偿计算与合模率 测算软件 系统应用实例 第 68 页 图 4-9 弹性变形补偿量区间分布 Fig.4-9 Distribution of compensation for elastic deformation 图 4-10 弹性变形补偿量显示图 Fig.4-10 Compensation display image of elastic deformation 将制件单元厚度信息文件（ thickness.af ）和凹模型面网格信息文件（ mesh_t_20_die.nas）作为输入文件，设定初始料厚为 0.7mm，计算制件料厚减薄补偿量。

输出文件为制件料厚减薄补偿量信息文件（ th_compensation.txt），凹模型面制件料厚减薄补偿量区 间分布如图 4-11 所示，补偿量显示如图 4-12 所示 ，较大 上海交通大学工学硕士学位论文 第四章 模具型面补偿计算与合模率。