汽车车身覆盖件成型质量分析及优化王奋飞DW.docx
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汽车车身覆盖件成型质量分析及优化王奋飞DW
分类号：
密级：
论文编号：
学号：
50110802405
重庆理工大学硕士学位论文
汽车车身覆盖件成型质量分析及优化
研究生:
王奋飞
指导教师：
王德伦教授
学科专业：
车辆工程
研究方向：
汽车现代设计理论与方法
培养单位：
汽车学院
论文完成时间：
2014年3月10日
论文答辩日期：
2014年5月20日
CategoryNumber：
LevelofSecrecy：
SerialNumber：
StudentNumber：
50110802405
Master'sDissertationofChongqingUniversityofTechnology
ResearchonQualityAnalysisand
OptimizationofAutomobileBody
PanelsForming
Postgraduate:
WangFenfei
Supervisor：
Prof.WangDelun
Specialty:
AutomobileEngineering
ResearchDirection:
ModernDesignandTheoryof
Automobile
TrainingUnit:
AutomobileSchool
ThesisDeadline:
March10,2011
OralDefenseDate:
May10,2014
重庆理工大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
除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集体和个人，均已在文中以明确方式标明。
本人承担本声明的法律后果。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文使用授权声明
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。
本人授权重庆工学院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。
本学位论文属于（请在以下相应方框内打“√”）：
1.保密□，在年解密后适用本授权书。
2.不保密□。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
摘要
汽车整车制造由冲压、焊接、涂装、总装四大工艺构成，其中冲压作为整车制造的第一道工艺对整车的制造的质量起到非常关键的作用，车身覆盖件结构大，形状复杂，成型中易出现拉裂、起皱等现象，传统的反复试模法延长了产品开发周期，增加了开发成本。
随着计算机辅助工程技术的发展，板料成型CAE软件成为覆盖件开发的重要工具，它不仅能预测板料成型过程缺陷，分析缺陷成因，而且可以结合试验设计及数学优化的方法对覆盖件的工艺参数或者型面参数进行优化，从而提高覆盖件成形质量，能有效指导覆盖件的设计与制造。
本文工作主要包括以下几个方面的内容：
1）简要概述车身覆盖件成型理论、有限元算法及数学优化理论的创立和发展。
2）介绍车身覆盖件数值模拟技术重要组成元素及各部分元素的理论探讨。
3）简要介绍车身覆盖件特点，归纳分析成形质量缺陷成因及消除缺陷的一般方法，以引擎盖内板为例对其拉延成形过程数值模拟，以压边力和拉延筋为研究对象，探讨两者对成形中出现的起皱和破裂现象的影响，并对参数进行初步优化。
4）阐述覆盖件切边冲孔工序成形理论及特点，分析回弹产生机理和切边回弹原理，以翼子板为例进行多工步数值模拟。
5）通过建立正交试验，探讨工艺参数对翼子板成形质量的影响程度比较和影响程度的显著性分析，以工艺参数为自变量，以成形评价指标为目标函数，以正交试验数据为样本，运用遗传算法对工艺参数优化，从而得到最优的目标函数值。
关键词：
板料成形质量缺陷分析正交试验多目标函数优化
Abstract
Automotivebodymanufcturingisconsistofstampingprocess、weldingprocess、paintingprocess,espceiallystampingprocessplayaveryimporantroleinqualityofautomotivemanufcturingasthefirstprocess,bodypanelhavelargestructureandcomplexshape,therearesomequalitydefectswhichareprompttohappenlikewrinklingandcracking,butitwouldbeextendingproductionperiodandincreasingcostbyrepeatingtestintroditional.ThesoftwareofsheetmetalforminghasbecomeaimportanttoolbythedevelopmentofCAEtechnology,itcannotonlypredictthedefectsinformingprocess,analysisthereasonwhichcasuethedefects,butalsooptimisetheprocessparametersandprofileparametersbycombinedwithexperimentaldesignandmathematicaloptimization,itwouldimprovethequalityofsheetmetalformingandhaseffectiveguidanceinbodypanel’sdesignandmanufacturing.
Thisarticlehasmainlycarriedonthefollowingseveralaspectwork:
1）Thecreationanddevelopmentofthetheoryofbodysheetmetalforming、finiteelementalgorithmandmathematicaloptimizationaresimplyintroduced.
2）Thevitalelmentswhichcomposedoftechnologyofbodysheetmetalformingisintroducedandthetheoryofeachelementsisinvestigated.
3）Thecharacteristicofbodypanelisintroduced,thereasonwhichcausedthequalitydefectsandthemethodwhichwouldbeusedtoeliminatedefectsareanalysised.Forexample,usingthenumericalsimulationinvehiclehoodinner’sdrawingforming,takinginvestigatetheimpactofwrinklingandcracklingwithbinderforceanddrawbeadandoptimisingtheparameterspreliminarly.
4）Thetheoryandthecharacteristicoftrimmingandpunchingofbodypaneliselaborated.Forexampleusingthenumericalsimulationinfender’smultistepforming.
5）Byestablishtheorthogonalexperiment,investgatingthecomparisonofdegreeandtheanalysisofsignificancethatprocessparametersimpactonfender’sformingquality.Processparametersaredefinedastheargument,forming’sevaluationsaredefinedastheobjectivefunction,orthogonalexperiment’sdataisdefinedasthesample,itwouldgetthebestvalueofobjectivefunctionbyoptimisingtheprocessparametersbyusingthegeneticalgorithms.
Keyword:
Sheetmetalforming,Analysisofqualitydefect,Orthogonalexperiment,
Mutipleobjectivefunctionoptimization
目录
摘要I
AbstractII
目录III
1绪论1
1.1课题的研究意义1
1.2覆盖件成型技术的研究现状1
1.2.1国外覆盖件成型数值模拟技术研究现状1
1.2.2国内覆盖件成型技术的发展与现状2
1.2.3覆盖件成型数值模拟中的优化运用3
1.4本文的主要内容4
2汽车覆盖件成型理论5
2.1物体运动和变形物质描述5
2.2屈服准则7
2.2.1特雷斯卡屈服准则7
2.2.2米塞斯屈服准则7
2.3薄壳单元有关理论8
2.3.1单元的选取8
2.3.2Belytschko-Tsay薄壳单元8
2.4有限元控制方程求解11
2.5接触和摩擦问题12
2.5.1接触力计算12
2.5.2摩擦处理13
2.6本章小结14
3覆盖件拉延成形及数值模拟分析15
3.1车身覆盖件特点和要求15
3.1.1车身覆盖件特点15
3.1.2车身覆盖件要求及成型特点16
3.2覆盖件成形工艺及其质量缺陷分析17
3.2.1覆盖件成形工艺概述17
3.2.2覆盖件成形质量缺陷控制17
3.3覆盖件拉延的工艺设计19
3.4拉延成形质量评价指标20
3.4.1成形极限图20
3.4.2成形裕度21
3.4.3拉裂与起皱评价指标21
3.5有限元软件介绍21
3.6发动机罩内板数值模拟22
3.6.1CAD模型建立与网格划分22
3.6.2模面设计23
3.6.3毛坯设计25
3.6.4有限元模型的建立25
3.6.5拉延模拟27
3.7本章小结31
4翼子板多工步数值模拟33
4.1引言33
4.2拉延成形数值模拟33
4.2.1CAD模型建立与网格划分33
4.2.2模面设计34
4.2.3坯料设计36
4.2.4有限元模型的建立37
4.2.5拉延模拟38
4.3翼子板切边冲孔数值模拟39
4.3.1切边模拟理论39
4.3.2修边线和冲孔线的确定40
4.3.3切边冲孔模拟40
4.4冲压回弹模拟研究41
4.4.1回弹机理概述41
4.4.2dynaform回弹分析方法42
4.4.3切边回弹数值模拟42
4.3本章小结44
5多目标工艺参数优化47
5.1引言47
5.2优化目标与变量的确定47
5.3试验设计48
5.3.1试验简介48
5.3.2试验结果分析50
5.4优化函数和响应面的建立53
5.4.1优化函数的建立53
5.4.2响应面的建立54
5.5遗传算法优化57
5.6本章小结60
6总结与展望63
6.1全文总结63
6.2展望未来64
参考文献65
致谢69
个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果70
1绪论
1.1课题的研究意义
随着国家制造业的高速发展和全球经济一体化，我国汽车工业在改革开放后，特别是进入21世纪后，飞速发展，产品生命周期缩短，新技术更新迅速，更激化了汽车制造企业间的竞争。
众所周知，缩短新车型开发周期是汽车制造企业获得竞争胜利的关键因素，汽车整车产品种，车身部件市场周期最短，整车中所占的开发比重最大，所耗成本最大，变化最频繁。
汽车覆盖件对车身质量起着最重要的作用，也促使人们为提高汽车覆盖件质量而不断探索研究，也使板料成型理论及成型技术的研究不断深入。
但覆盖件厚度小，尺寸大，且为三维空间型面，形状结构复杂，变形规律难以把握，成型过程涉及拉延、修边、翻边等工艺状态下的材料塑性流动以及这些过程中出现诸如起皱、破裂、回弹等缺陷问题，很难准确地匹配合理的影响成型质量的覆盖件工艺参数和型面参数，仅靠传统工程经验难以快速、准确地对模型做出预测，开发周期较长。
因此，覆盖件数值模拟技术应运而生，从20世纪60年代开始，随着覆盖件数值模拟技术的不断发展，CAE技术的广泛应用，现已成为覆盖件设计和制造质量控制的重要组成部分，它结合了数学、力学、工艺制造学、计算机等众多学科的运用，能快速准确分析零件成形性，分析和预测冲压质量缺陷，估算坯料几何尺寸，优化工艺参数，对提高生产质量和生产效率，降低模具开发成本，加快模具开发速度有重大的意义。
1.2覆盖件成型技术的研究现状
1.2.1国外覆盖件成型数值模拟技术研究现状
20世纪60年代，R.W.Clough教授在一篇名为《Thefiniteelementmethodinplanestressanalysis》第一次提到了有限元法，并研究了平面弹性的应力问题，继而，Turne、Courant等人的研究进一步促成了早期板料成型的研究。
但有限元建立之初，采用的是有限元差分法，只能出处理简单的轴对称零件的弹性力学问题，无法处理复杂边界条件冲压件塑性成型问题[1-3]。
1967年P.v.Marcal和King[4]等人提出弹塑性有限元法；1968年日本学者推导了关于小变形弹塑性问题的显示表达。
1970年Hib-bit[5-6]等人提出了采用Lagrange描述的大变形弹塑性有限元方程，1973年McMeeking[7]等人提出了大变形弹塑性有限元方程，建立并不断完善大变形弹塑性有限元理论，弹塑性有限元法作为主流仿真应用开始应用在板料冲压成型领域。
1978年，Budiansky根据非线性薄膜理论运用了弹塑性大变形TL法对任意形状模具成型问题进行分析。
对于深拉伸的板料成形，有时塑性变形大于弹性变形，对此，Lee提出了刚塑性有限元算法，并运用于板料成形中，促进了板料塑性成形的运用。
1977年，通用公司研讨会上，Kobayashi[8]提交了一篇基于刚塑性有限元理论板料数值模拟论文，论文对胀形拉延问题运用了刚塑性有限元法进行了分析，拓展了板料数值模拟的思路。
70年代中后期至80年代初，Zienkiewcz和Mori分别采用不可压缩材料和可压缩材料分析塑性材料的流动情况，对各类挤压和轧制工艺进行了数值模拟。
此后刚塑性和刚粘塑性有限元理论不断发展和完善，并在实际运用中获得不少成功。
20世纪80年代随着板料成型数值模拟的不断发发展，开始广泛应用于覆盖件冲压成型分析。
在对单元类型、材料本构关系、接触摩擦处理、求解算法、回弹问题等研究的基础上，各大研究机构和公司相继开发了一批用于产品开发的数值模拟软。
1980年以后，美国福特公司的S.C.Tang等人开发出了基于弹塑性有限元理论的MTLFRM系统，并投入使用[9]。
20世纪80年代末至90年代，计算机技术得到快速发展，有限元理论得到不断完善，覆盖件数值模拟技术进入了高速发展时期。
此时覆盖件数值模拟不仅可以模拟复杂覆盖件成型过程（包括拉延、切边、翻边等工序），还可以预测并控制成型过程中出现的起皱、破裂，回弹等缺陷。
其中动力显示有限元法对覆盖件成型中的大变形、大扰度等问题有较强的处理能力，求解效率高，速度快，代表软件DYNAFORM、PAMSTAMP等；其中静力隐式算法对覆盖件成型求解精度高，更适合回弹过程的模拟，代表软件AUTOFORM、ANASYS等。
除了以上行业通用软件，部分厂商也开发了针对本公司情况的专用软件，如戴姆勒-克莱斯勒公司的软件CFORM和福特公司的软件MTLFORM。
十几年来，覆盖件成型仿真软件有了较大发展，并运用于企业生产同步工程中：
设计阶段，模具厂对设计公司设计的覆盖件数模进行工艺性评审；设计验证阶段分析成形过程中出现的故障，并提出解决问题的方法；生产调试阶段分析质量缺陷，提高覆盖件制造质量。
1.2.2国内覆盖件成型技术的发展与现状
20世纪80年代后期开始，国内开始有学者开始对板料成型进行研究，相较于国外发展较晚，特别是复杂覆盖件成型研究，但正迎头赶上。
国内板料成型研究主要集中于相关高校和研究所，上海交通大学的胡轶敏模对成型过程进行了模拟，并做了相关试验研究。
华中科技大学的肖景容等人给出刚塑性变分的新格式，推广了刚塑性变形外力边界和相对速度有关的广义变分原理[10]。
北航的熊火轮对板料成形过程中的动态接触条件，采用ADINA程序进行处理，并模拟了汽车暖风罩和宽板拉延的成型过程[11]。
哈尔滨工业大学的张凯峰针对方盒件有限元模型，开发了粘塑性板壳有限元成型分析程序，进行了成型分析。
1991年，华中科技大学的董湘怀改进了接触计算的不稳定性，对盒型零件和油底壳进行了成型数值模拟[12]。
1995年，吴国勇基于Kirchhof假设和Hill的屈服准则的前提下，建立了厚度方向异性和各向异性的弹塑性本构模型，并研究了接触问题和动力显示算法，模拟了覆盖件的拉延成型过程。
哈尔滨工业大学的郭刚针对直壁类板料成型，开发了相应的弹塑性有限元程序，并对成型过程数值模拟，预测成形中的破裂现象。
湖南大学的李光耀开发和研究了动力显示有限元程序用于板料成型的数值模拟。
清华大学的有关学者提出了“修正自适应动力松弛方法”，可提高收敛性，减少内存，并能预测成型中的起皱问题[13]。
近年来，在覆盖件成型研究中，学校与企业间展开了广泛和密切的合作。
上海交通大学与宝钢、上海大众等企业合作，对桑塔纳系列轿车部分覆盖件的成型过程运用了动力显示软件dynaform进行了数值模拟。
一汽模具制造厂利用软件Optris，对汽车翼子板进行了数值模拟，并且一次试模即获得比较理想的模具。
一汽集团公司对油底壳的拉延成形过程进行了数值模拟，对成形中可能出现的质量问题进行了准确地预测，并提出解决的办法，模具修改后，一次试模就取得了良好的结果[14]。
通过国内诸多学者和企业的不断努力，陆续推出具有自主知识产权的模拟仿真软件。
上海交通大学开发了冷冲模CAD系统，湖南大学开发出汽车覆盖件CAD/CAE/CAM一体化技术，华中科技大学开发的模拟仿真软件FASTMAP。
吉林工业大学开发出板料成型CAE系统KMAS等。
此外，变压边力技术、冲压工艺专家系统、覆盖件数值模拟并行计算等先进技术也得到了较大的发展[15-19]。
1.2.3覆盖件成型数值模拟中的优化运用
虽然数值模拟技术比传统试错修模有较大的技术优势，但实际应用有限。
数值模拟过程中，如压边力、冲压速度、模具间隙、板料厚度等成型工艺参数主要以往经验进行设置，只有通过大量数据调试才能确定最佳的成型工艺参数组合，调试时间长，成本较高。
所以研究覆盖件成型的学者致力于研究一种将数值模拟与数学优化结合的成型优化方法。
目前冲压覆盖件数值模拟主要通过编写独立的优化程序计算成型工艺参数最优组合[20]。
20世纪90年代，日本的T.Ohata以盒形件为例，以两次拉伸深度为参考因素，成型后的均匀厚度为目标函数，对比试验和数值模拟，验证了优化结果的可行性。
2003年Ohata等人分别运用退火法和单纯形法对覆盖件凹模模面进行了优化设计[21]。
2004年，Kleiber运用空间映射技术和响应面法对覆盖件成型中的尺寸形状和拉延筋进行优化设计[22]。
同年，Ekici结合神经网络和遗传算法，以半球形零件成型工艺参数作为影响因素，回弹量作为目标函数进行优化，结果验证了该方法的可行性。
国内对于覆盖件优化技术研究较晚，2004年哈尔滨工业大学石磊运用遗传算法和数值模拟的结合对覆盖件型面参数和冲压方向进行了优化。
2005年，浙江大学的张峻以压料面参数为影响因素，最小回弹量为目标函数，运用响应面法得到满足要求的压料面形状[23]。
2006年江苏大学的张永波运用回归分析和均匀试验结合的方法，分别对盒形件和车身顶盖的拉延成形进行了工艺参数的优化[24]。
2009年赵茂俞等以覆盖件成型工艺参数为样本，建立基于正交实验技术的模拟方案，运用响应面法拟合工艺参数和目标函数的非线性关系，计算各个目标函数的加权值，应用数值模拟验证了优化的工艺参数能提高成型质量。
2010年周林等人基于人工智能对油底壳的成型工艺参数进行优化，使得成型质量提高[25]。
覆盖件的可成型程度和成型质量一般取决于模具系统和冲压工艺参数。
这些因素包括：
网格自适应等级、型面参数、单元网格尺寸、毛坯形状和工艺参数等。
一般优化目标函数如下：
减薄率、最小厚度、最大厚度、最大成型裕度等。
我们通常选取部分因素为变量，对一个或多个目标函数作为优化目标，优化方法的研究在机械领域的复杂工程优化设计中得到了广泛的应用。
1.4本文的主要内容
1.系统阐述覆盖件成型理论、有限元相关理论、数学优化理论，介绍这些理论的运用和理论间结合的实例。
2.简要介绍覆盖件成型工艺的质量缺陷及产生机理，以发动机罩内板为例，进行了拉延工序的工艺设计，并运用软件dynaform进行了成型过程数值模拟，并分析其质量缺陷成因，以压边力和拉延筋分布为影响因素，初步对工艺参数选优。
3.阐述了覆盖件的切边回弹机理，并对翼子板成型过程进行了有限元建模，对拉延、切边、回弹等多工步进行了数值模拟。
4.简要介绍覆盖件成型评价指标和正交试验的相关理论。
选取压边力、冲压速度、摩擦系数、模具间隙等工艺参数为影响因素，研究工艺参数对拉延和切边两个工艺工程成型质量的影响程度比较和影响程度的显著性。
5.简要介绍响应面和遗传算法的相关理论，以翼子板拉延工艺参数设计变量，以拉延成形的局部最小厚度、切边后Z方向最大回弹量为目标函数，分别建立二阶响应面，运用遗传算法对目标函数进行优化从而得到翼子板拉延和切边过程质量最佳的工艺参数组合，从而指导实际生产。
2汽车覆盖件成型理论
汽车覆盖件成型时一个非常复杂的弹塑性大变形力学过程，变形过程多为大变形，大挠度以及大转动，需要同时对材料非线性、几何非线性和边界条件非线性等问题进行分析，运用本构方程来描述覆盖件成形中产生的应力应变，对不同边界条件下覆盖件成型过程进行数值模拟，通过对覆
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