完整版基于dynaform的汽车防撞梁拉延工艺参数影响规律研究毕业设计.docx

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完整版基于dynaform的汽车防撞梁拉延工艺参数影响规律研究毕业设计

天津职业技术师范大学

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业论文

基于dynaform的汽车防撞梁拉延工艺参数影响规律研究

Studyondrawinginfluenceparametersforbumperbeambasedondynaform

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

汽车覆盖件模具是汽车制造业的重要工艺装备。

汽车覆盖件有限元分析可以有效提高设计和生产效率以及结果的准确率。

本文研究基于有限元分析软件对某车型防撞梁的拉延过程进行了仿真分析，确定了拉延参数。

论文从制件网格划分，模型材料选择，拉延工艺参数选择等几个方面，通过进行前处理过程，将拉延模拟需要的各参数输入，然后在后处理中对结果进行分析比较，了解各种参数对成形结果的影响，然后提出改良措施。

结果表明，由于压边力的逐渐变大，零件的回弹量也随之减小，当压边力过大时，零件出现了破裂的成形缺陷。

同时由于压力的逐渐增加，材料的流动阻力也随之增大，继而使得各部分的塑性变形变大，导致回弹量较小。

板料的尺寸增量延Y轴的正向偏移量变大则靠近Y轴正方向的一侧的回弹量呈现变小的规律，Y轴负方向偏移量越大靠近Y轴负方向的回弹量也呈现减小的规律。

延X轴方向对称增加值变大，回弹量大致上呈现变小的规律。

论文的研究成果对提高汽车覆盖件的成形质量和模具生产周期具有一定的实际价值。

关键词：

汽车覆盖件；拉延成形；防撞梁；数值仿真

ABSTRACT

Theautocoverfiniteelementanalysisoftheroleofthekeyistoimprovethedesignandproductionefficiency,aswellastheaccuracyoftheresults.ThisarticleisbasedonthefiniteelementanalysissoftwareDynaformdrawingprocesssimulationanalysistodeterminethepaneldrawingparameters.ApplicationofsheetmetalformingfiniteelementsoftwareDynaform5.7ofcarcrashbeamdrawing,forexample,fromtheaspectsofthemeshmodelmaterialselection,drawingprocessparametersselectionbypre-treatmentprocess,willpullextensionofsimulationrequireseachparameterinput,andtheninthepost-processingtoanalyzetheresultscomparedtotheunderstandingoftheinfluenceofvariousparametersontheformingresults,thenproposedimprovedmeasures,torepeatthemodificationofthepre-treatmentprocessparameters,theanalysisagain,inordertoSumminguptheinfluenceofvariousparametersontheresultsofthedrawing.Forexample,fromtheblankholderforcesize,punchingspeed,pullthebeadeachchangemultiplesetsofdata,followedbythedrawingoperationissetfromthepost-processingtomodifytheparametersofsimulationresults,comparingthedrawingparameterschangedrawingresultswereinvestigated.Dosocanbefoundthattheproblemsthatmayariseinthemanufacturingprocessatthedesignstageandsolvethemanufacturingmoldcanbeefficientlyandeconomically,improvepartquality.

KeyWords：

Autocover;drawing;bumperbeams;simulation

附录2：

中文翻译63

1绪论

1.1我国汽车覆盖件模具发展现状

自2008年以来，我国汽车产销量以极快速度增长，汽车工业发展为汽车模具发展提供了极大的市场机遇，据有关资料显示，在美国、日本等汽车制造业发达的国家，汽车模具在整个模具制造业中占有50%的份额。

而在我国，只有1/3的模具产品服务于汽车制造业，因此汽车模具市场在我国仍有非常大的发展空间，而汽车覆盖件是整个汽车模具中最重要的组成部分，也是技术最密集加工难度最大的一部分。

由于汽车工业的快速发展，汽车覆盖件及相关产品市场需求量也急剧增加，因此许多企业加大了技术改造力度，一些新建企业也快速发展，是汽车覆盖件生产能力大幅提高，经过技术改造原行业中公认的四大模具厂：

一汽模具，东风汽车模具，天津汽车模具，四川成飞集成都有了生产大中型汽车覆盖件模具500万左右工时的能力。

从近年来看，民营企业发展较快，外资企业也进入中国，其中日资和台资最为活跃，其中被中国机械工业联合会授予“汽车模具之乡”的河北省泊头市已有20多家汽车覆盖件生产企业，上海目前也集中了十几家，比亚迪、长城、瑞丰、屹丰、华庄等一大批民营汽车模具生产企业由于投资力度大、起点高、服务对象明确，已成为异军突起的生力军。

1.2汽车覆盖件CAE分析国内外发展现状 

冲压工艺、结构设计和制造技术是汽车模具生产技术的集中体现，这些技术的进步主要取决于CAD/CAM/CAE技术的提高。

在汽车覆盖件模具制造行业，计算机应用技术正越来越显示出其核心技术的作用。

据统计，在欧美国家，汽车覆盖件模具设计制造时，已大量采用三维CAD和有限元仿真技术，比例高达70%-90%，pro/E,UG,autoform，dynaform等软件在其中扮演了不可替代的作用，其效率高，数据库功能强大，设计准确性高等特点使汽车覆盖件模具产业生产效率和经济性大大提升。

因此当前许多大的模具企业纷纷加大对汽车覆盖件制造的资金，人才和硬件设施的投入，但是这些投入必须经过技术的学习、普及以及沉淀以树立基础，在我国汽车模具工业大而不强的背景下，要赶超发达国家并不容易，尤其是在核心技术难以外漏，控制严密的情况下，目前国内模具制造水平同国际先进水平的最大差距就体现在冲压工艺水平的差距上。

以往我们的冲压工艺技术主要靠人的经验，随着国内高品质的车身生产周期变短，靠过去的经验来完成冲压工艺是不可能。

就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。

通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。

在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造过程中不可或缺的一种工艺规范加以实施。

如，以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件设计都必须经过很多次的计算机仿真分析，否则就无法设计审查，也就无法试制更别说投入生产。

计算机数值模拟现在已不仅仅作为研究的一种手段，也已经在生产实践中作为必不可少的工具使用。

以有限元模拟分析软件为代表的CAE技术在国际上的应用已有近30年的历史。

近10年来,塑性变形理论在板料成形技术中的应用取得了很大的进步，使CAE技术在汽车模具制造中的应用变得非常成熟，将CAE应用于冲压工艺设计，可使试模时间减少50%以上。

目前，CAE技术已成为国外大型汽车和模具企业必不可少的工具。

CAE的广泛应用，应归功于 CAE商业软件的大力发展,其中代表性的软件有：

● 法国ESI公司的PAM-STAMP软件； 

● 美国Lawrence Livemore国家材料实验室的LS-DYNA3D软件； 

● 美国ETA公司的Dynaform软件； 

● 瑞士Autoform公司的Autoform软件。

这些软件都有各自的长处，针对板料成形分析都已达到实用和专业的要求。

目前，国内所有一流的汽车模具厂商都采用了CAE软件，并以 Autoform的应用最多。

天津汽车模具有限公司通过长时间的的努力，CAE应用比例已经达到了100%，显著地缩短了制模周期。

在分析方面，针对冲压成形，使得确定棱线偏移、冲裁角度、拉延冲击滑痕、面成形品质、成形力、压边力等各种分析得到完善，分析内容的广泛性和作用性都已超出了原来的CAE范筹。

现在，CAE技术发展的重心是工艺参数的自动优化和后置分析，如果解决了这两个问题，将又一次带来革命性的发展。

因为汽车覆盖件具有形状复杂、材料薄、结构尺寸大、表面质量高和多为复杂的空间曲面等特点。

在冲压时毛坯的变形情况复杂，故不能按一般拉深件那样用拉深系数来判断和计算它的拉深次数和拉深可能性，且需要的压料力和拉延力都较大，各工序的模具依赖性强，模具的调整工作量也大。

所以汽车覆盖件模具设计的主要任务就是要解决好冲压过程中板料不同部位之间材料的协调变形问题，既要避免局部区域因变形引起的过薄甚至拉裂，又要避免起皱或在零件表面上留下滑移线，还要将零件的回弹控制在规定允许的范围内。

这时，板料冲压过程的CAE分析与仿真就能在实际工程中解决冲压工艺难题，如计算应力应变、金属的流动、板厚、残余应力、模具受力等，预测可能的缺陷及失效形式，如比较普遍的破裂、起皱、回弹等。

这样在汽车覆盖件的设计中采用数值模拟技术能从设计阶段准确预测各种工艺参数对成形过程的影响，进而优化工艺参数，缩短模具的设计和制造周期，降低产品制造成本，提高冲压件和模具产品质量。

1.3课题的研究内容与技术路线

本课题以某车型汽车防撞梁制件为研究对象，利用数值模拟和理论分析相结合的方法，对制件的冲压过程以及回弹过程进行数值模拟，对拉延中影响制件最终效果的多种因素进行分析，并总结规律。

具体研究步骤如下：

1.用UG8.0对制件进行修改将多面删除，并以.iges格式导出。

2.用Dynaform软件进行制件的拉延有限元分析,对制件进行前处理设置，参数改变，如板料位置，压边力，冲裁速度改变等。

生成.dynain文件为后置处理作铺垫。

3.用Dynaform软件进行制件的减薄率和成形极限图进行分析，对制件进行简单的设置后，进行提交计算结果，最后根据后处理来分析关于各参数影响规律。

4.分别改变压边力，板料位置与冲裁速度等参数依次按照第二步与第三步进行分析，从而总结出关于回弹影响因素的规律，得出结论。

课题的研究技术路线如图1所示：

2有限元计算相关理论

2.1引言

本章主要叙述的是关于回弹产生的原因，有限元计算所涉及的理论以及减少回弹的策略分析。

2.2计算的相关理论

板料的回弹是板料冲压成形的过程中产生的一种最常见的缺陷形式，其主要的原因是由于板料在冲压成形的结束阶段，当冲压载荷被逐步释放或卸载时，在成形过程中所存储的弹性变形能要释放出来，引起内应力的重组，进而导致零件外形尺寸的改变。

产生回弹主要是由于：

（1）因为当板料内外边缘表面纤维进入塑性状态，而板料中心仍旧处于弹性状态，这时当凸模上升去除外载荷后，板料产生回弹现象。

（2）因为板料在发生塑性变形时总是伴随着弹性变形的消失，所以板料在冲压成形过程中，特别是在进行弯曲成形时，即使内外层纤维完全进入了塑性变形状态，当凸模上升去除载荷后，弹性变形消失了，也会出现回弹现象，因此回弹是板料冲压成形过程中不可避免的一类缺陷，产生回弹将直接影响冲压零件的成形精度，从而增加了调试模具的成本以及成形后进行整形的工作量。

2.2.1冲压回弹模拟的有限元理论基础

板料冲压回弹的模拟从数值计算上分析是一个高度非线性的问题，涉及到材料、几何和接触非线性。

在本文的模拟数值计算中将选用更新Lagrange法和速率型的本构关系去处理冲压回弹过程中的大应变、大变形问题[5]。

采用逐级更新Lagrange法是弹塑性有限元基础，在坐标下以t时刻构形为参考构形的虚功率原理为

（2-1）

式中V，A分别为参考构形的体积和表面积；，分别为参考构形的体积力率和面积力率；为第一类Kirchhoff应力率。

假设塑性变形体积不可压缩，可得与Cauchy应力的关系为

（2-2）

将式（2-2）和本构关系方程式代入式（2-1），得到单元平衡方程并按常规方法组装成总体刚度方程

（2-3）

板料冲压回弹过程是大位移大变形过程，一般采用速率型的本构方程。

经典的基于流动理论正交各项异性希尔二次屈服函数的速率本构方程可表示为

（2-4）

（2-5）

式中为Kirchhoff应力的Jaumann导数；为应变率；为弹性本构矩阵；H为硬化参数；为屈服函数确定的等效应力。

屈服函数为

（2-6）

其中，P、Q、R分别代表材料在90°、45°、0°方向上的各向异性指数。

2.2.2板料冲压仿真的流程

严格地讲，板料的成形和回弹是两个既相互关联又相互独立的过程。

通常所说的成形过程一般不包括回弹在内，而完整的汽车覆盖件冲压成形的回弹仿真过程应包含两个过程：

冲压成形（加载）过程仿真和回弹（卸载）过程仿真。

前一步计算是回弹过程模拟的基础，为其提供应力、应变等数据[9]。

本文所研究的板料成形回弹仿真的主要过程如下：

（1）导入成形仿真的结果文件在Dynaform的前处理器中，导入成形仿真过程中计算生成的结果文件Dyanin文件。

该文件包含成形过程中板料所有的应力、应变等情况；

（2）定义毛坯选择回弹仿真计算用的壳单元公式，积分点个数，定义毛坯的材料属性；

（3）导入切边线对零件进行切边过程的仿真；

（4）设置回弹约束回弹分析时，必须施加适当的位移约束排除刚性运动。

按照零件的变形情况添加边界条件，限制板料刚性位移；

（5）根据计算情况选择单步或多步隐式算法；

（6）后置处理打开回弹仿真的结果文件，查看零件的回弹前情况和回弹后的应变情况。

2.2.3单元类型的选择

在进行板料冲压成形CAE分析中，一般采取在一定的假设下建立起来的板壳单元进行分析，可使问题的规模减小。

由于壳体理论本身近似简化的产物，必然会有不少的研究者对板壳理论的几何关系，物理关及平衡条件等提出各种简化，导致在板料成形有限元分析中，单元的选择非常多。

多道次冲压成形过程的数值模拟工作由于拉延行程长，不同道次之间还需要进行网格的再划分，因此计算时间对使用者来说就显得非常重要。

在众多的单元中，Hughes-Liu（HL）单元和Belytschko-Tsay（BT）单元是板料冲压成形CAE分析过程中应用的非常广泛的两种壳体单元。

HL单元是从三维实体单元退化而来的，有很高的计算精度，其缺点就是计算量太大。

BT单元采用了基于随体坐标系的应力计算方法，而不必计算费时的Jaumann应力，有很高的计算效率。

（1）Hughes-Liu壳单元

Hughes-Liu壳单元（简称HL单元）是基于Ahmad等于1970年提出的8节点实体单元发展起来的。

Hughes-Liu壳单元具有以下的特点：

①它是增量目标单元，刚体转动不产生应变，能够处理常见的有限应变。

②它比较简单，计算的效率和稳定性比较高③它从实体单元退化而来，和实体单元兼容，从而可以应用许多为实体单元开发的新技术④它包含横断面的有限剪应变⑤必要时，它还可以考虑厚向的减薄应变。

正因为如此，Hughes-Liu壳单元是最早被LS-DYNA有限元求解器采用的壳单元，而且到目前为止仍然是LS-DYNA采用的主要壳单元之一。

（2）BT单元

Hughes-Liu壳单元由于单元公式比较复杂，计算量较大，在求解大型复杂的板料成形问题是需要较长的计算时间。

为了提高计算效率，引进了Belytschko-Lin-Tsay壳单元（简称BT单元），它采用了基于随体坐标系的应力计算方法，随着壳体单元一起运动，降低计算非线性运动的复杂精度，不必计算费时的Jaumann应力，而具有很高的计算效率。

在一般情况下，BT单元能得到与HL单元较为一致的计算结果。

在显式有限元分析中，BT单元成为较为常用的一种单元。

2.2.4边界条件的处理

板料冲压成形过程中，随着冲头的运动，冲头和模具表面因和板料接触面而对板料施加的作用力是板料得以成形的动力。

在接触过程中，在板料的变形和接触边界的摩擦作用使得部分边界条件随加载过程而变化，从而导致了边界条件的非线性。

正确处理边界接触和摩擦是得到可信分析结果的一个关键因素[12]。

（1）接触力的计算

板料冲压成形完全靠作用于板料上的接触力和摩擦力来完成，因此接触力和摩擦力的计算精度，直接影响板料变形的计算精度。

接触力和摩擦力的计算首先要求计算出给定时刻的实际接触面，这就是所谓的接触搜寻问题。

接触力计算的基本算法有两种，一种是罚函数法，另一种是拉格朗日乘子法。

在罚函数法中位于一个接触面上的接触点允许穿透与之相接触的另一个接触面，接触力大小与穿透量成正比，即

（2-7）

式中，α是罚因子；S是接触点的法向穿透量；负号表示接触力与穿透方向相反。

罚因子的取值大小会影响精度，过大会降低计算的稳定性，在实际计算时要认真选取。

在拉格朗日乘子法中，接触力是作为附加自由度来考虑的，其泛函形式除