1、目錄引言 . 11緒論 . 21.1沖壓件概述 . 21.1.1沖壓件的介紹 . 21.1.2沖壓件的結構 . 21.1.3 沖壓件制造過程中可能出現的缺陷 . 32 沖壓件材料的選擇 . 52.1金屬材料的沖壓性能參數 . 52.2 常用金屬材料的沖壓性能 . 72.2.1 鋼板 . 72.2.2 鋁及其合金板 . 92.2.3 銅及其合金板 . 92.2.4 鈦及其合金板 . 93 沖壓件成型性仿真有限元基礎 . 103.1沖壓件成型的本構關系 . 103.2 屈服準則 . 113.3 BT殼單元模型 . 124基于Dynaform的沖壓件成型過程分析 . 164.1數值模擬軟件DYNAF

2、ORM簡介 . 164.2前上橫梁外板零件的工藝分析 . 164.3數據庫操作 . 174.4網格劃分 . 184.5模面工程 . 194.5.1沖壓方向的調整 . 194.5.2添加工藝補充 . 204.5.3拉延類型設置 . 234.5.4毛坯形狀和尺寸的確定 . 244.5.5從PART等距偏移出DIE . 254.5.6創建BINDER零件層 . 254.5.7分離BINDER和PART零件層 . 254.6確定成型工藝參數 . 264.7設置分析參數及求解計算 . 264.8后處理 . 275全文總結與展望 . 305.1總結 . 305.2展望 . 31致謝 . 31參考文獻 .

3、32汽車級進沖壓件成型過程模擬及工藝優化摘要：隨著計算機技術的發展，采用數值模擬技術對板料進行沖壓成型仿真模擬，預測可能產生的成形缺陷，尋求適用于汽車沖壓件成型過程的優化方法，為模具工藝分析和設計提供指導，具有重要的工程意義和研究價值。產品的穩健性優化設計作為提高產品設計質量的有效方法，在工程設計領域特別是汽車工程領域越來越得到人們的重視。本文以車身沖壓件為研究對象，研究車身沖壓件的設計和成型性分析的方法。關鍵詞：沖壓件 設計 DYNAFORM 成型性分析引言近年來,汽車沖壓件領域,隨著新車型的引進、舊車型的換代以及國內外整車及零部件生產規模的不斷擴大,需求也不斷增加。汽車制造中有60%70%

4、的金屬零部件需沖壓加工成型,沖壓加工是最本、最傳統、最重要的金屬加工方法之一。如車身上的各種覆蓋件、車內支撐件、結構加強件,還有大量的汽車零部件,如發動機的排氣彎管及消聲器、空心凸輪軸、油底殼、發動機支架、框架結構件、橫縱梁等,因此沖壓工件的制造工藝水平及質量,在較大程度上對汽車制造質量和成本有直接的影響1。隨著汽車輕量化、降能耗、高可靠性、高質量的呼聲不斷增高,對汽車沖壓技術也提出了越來越高的要求。激光拼焊板、高強度鋼板、烘烤硬化板、鋁合金材料等相繼應用于汽車的生產。目前汽車沖壓件行業面臨的挑戰如下:(1) 模具設計制造技術,世界汽車模具制造技術正在向以計算機前的操作逐步代替現場操作,以高精

5、度加工代替人的手工勞動,模具的設計、制造高度標準化,單件生產方式向流水線式生產方式發展等。國外先進的大型外覆蓋件模具企業在模具制作的很多地方與國內企業有很大的不同,值得我們很好的借鑒2。(2)仿真技術的發展和應用是沖壓發展必須借助的手段。(3)自動化和靈活性要求是沖壓發展必須考慮的因素。(4)新工藝的極大應用,包括高強度鋼板的應用、多種厚度激光拼焊板坯的沖壓技術、板材熱成型技術、內高壓脹管技術、輕合金成型技術、數字化成型技術、特種沖壓成型技術等。 因此，我國汽車業要想在新的國際變革中站穩腳跟，就必須對此認真加以研究。本課題是以車身沖壓件為研究對象，通過在計算機上用Dynaform沖壓分析軟件對

6、車身沖壓件進行成型過程模擬，分析模擬結果的圖像或動畫，發現缺陷并提出優化方案。11緒論1.1沖壓件概述1.1.1沖壓件的介紹對板料、帶材、管材和型材等通過沖床和模具等機械施加外力，使之產生塑性變形或者分立，從而得到所需形狀和尺寸的工件，就是我們通常所說的沖壓件，而上述成型加工方法，就是沖壓3。全世界的鋼材中，有60%70%都是板材，大量用在汽車制造上，如大數汽車的車身、底盤、郵箱、散熱器片等部件，都是由板材沖壓加工的。沖壓件與鑄件、鍛件相比，具有薄、勻、輕、強的優點，可以沖壓出其他方法很難加工的筋、肋、翻邊，且精度高，量產時規格一致，需要人力成本較小，生產效率高。沖壓件具有以下特點：（1）沖壓

7、件消耗材料較少，零件重量輕，剛度好，板材經過塑性變形其部結構組織得到改善，強度有所提高；（2）沖壓件具有較高的尺寸精度，同模件尺寸精度一致，具有良好的互換性。（3）沖壓件不需要進一步的機械加工即可滿足一般的裝配和使用需求。（4）沖壓件在沖壓過程中，表面保持較好，不受破壞，故有較好的表面質量，外觀光滑，為以后的噴漆、磷化和其他表面處理提供了有力條件。1.1.2沖壓件的結構沖壓件一般是通過在材料（如鋼板）上沖出所需的孔和型面得到的，要求孔和型面位置形狀大小與圖紙一致，誤差在通用的或者企業自定的公差之內，表面良好無毛刺、尖角、劃痕、擦傷等明顯缺陷。孔和型面是沖壓件的要素，下面通過此兩者介紹沖壓件的基

8、本結構。（1）孔根據車身及沖壓件的需求，沖壓件上的孔可以分為三類：安裝孔、定位孔、工藝孔。 安裝孔是指在車身上安裝底盤、內飾和附件所需的孔，與安裝的標準件配套，大小形狀根據用途由標準件決定，一般有方孔、圓孔和長孔三種類型，方孔與方形的標準件相配合，如塑料卡扣等，圓孔和長孔與螺栓等標準件配合，內徑應該比標準件如螺栓的外徑大0.5mm，表面形狀成一標準圓形的孔就是圓孔，這種孔的位置要求非常準確，在安裝配件時沒有調節余量，所以用的比較多的是長孔，由于車身和沖壓工藝的需要，長孔的外形被設計成由一個正方形和兩個半圓組成，這樣會保證安裝配件時有一定的調節余量，從而能夠使配件準確而方便的安裝在車身上。定位孔

9、是在車身焊裝時用來定位沖壓件的孔，由于車身焊接裝時要求位置非常準確，所以定位孔大多情況下是圓孔，也有極少定位孔因為特殊需要被設計成方形。這種孔沖壓時要求大小和位置都要非常準確。工藝孔包括為了方便安裝配件時故意留下的缺口、為了在電泳時流出泳液的孔、為了造型和減輕沖壓件重量而設計的缺口、為了成型性不得不設計出的缺口等，工藝孔形狀各異，大小不一，位置沒有非常高的要求，工藝孔一般由目的、造型和沖壓工藝決定。 2需要說明的是，在沖壓件設計中，上述三種孔并不是彼此獨立的，如定位孔也可以起到工藝孔的作用，工藝孔也可以作為定位孔來用，設計者應該根據實際情況靈活掌握這三種孔的區別。安裝孔在特殊情況下可以作為工藝

10、孔來用，但是一般不能作為定位孔，因為定位孔在大部分情況下設計成長孔，以此來定位時會造成比較大的誤差，其次安裝孔在焊接前會焊上一個配件的標準件如凸焊螺母或者凸焊螺柱，如果強行作為定位孔來用的話，在夾具上會需要一個形狀特殊難以加工的銷，且造成定位不準確。圖1-1為某車行李艙的內板的模型，可以看到在該內板上有上述的三種孔。圖1-1行李艙內板（2）型面我們這里所說的型面包括沖壓件上的曲面、彎角、凸臺、加強筋等結構。型面是沖壓件設計和制造上一個比較復雜的過程，尤其是比較復雜的型面，比如轎車的大型覆蓋件的設計和制造就是一個非常耗時的過程。型面由造型、目的和沖壓工藝能達到的程度決定。車身上的沖壓件要求配合良

11、好，不互相干涉，沖壓件之間要有足夠的位置打焊，這些都是通過型面來保證的。需要焊接的兩個或者更多沖壓件之間打焊的型面要求貼合較好，以保證焊接質量，防止產生脫焊、虛焊等情況發生，從而保證車身質量。1.1.3 沖壓件制造過程中可能出現的缺陷在沖壓件制造過程中，會因為板料質量、壓力機精度、模具結構和沖壓工藝過程等原因使沖壓件生產出來時有多種缺陷，如毛刺、疊邊等，這些缺陷首先會影響沖壓件的表面質量，在沖壓件表面形成難看的瑕疵；其次這些缺陷會影響沖壓件的強度和剛度，如有些沖壓件生產出來會出現料厚不一的問題，在厚度較小的地方強度不足，會對車身的使用安全造成隱患；有些嚴重的缺陷會造成沖壓件無法使用，極大的浪費

12、了沖壓件生產過程中的人力和物力，而有些位置不準確的沖壓件，會對白車身的生產造成影響，特別是白車身生產過程中應用頻繁的定位孔和定位面，如果這些關鍵部位不準，白車身的焊裝尺寸鏈就無法保證，白車身的尺寸精度也就無從談起。下面我們通過幾個沖壓件生產過程中比較常見的問題來闡述上述沖壓件缺陷。（1）毛刺毛刺一般出現在落料件和沖孔件上，由于模具設計不合理或者使用不當，在沖壓件剪切 3面上形成，影響了剪切面的質量，毛刺的形式多種多樣，如因為凹凸模之間間隙過小形成的高而薄的毛刺、因為凹凸模間隙過大形成的高而厚的毛刺等。一般情況下較少的毛刺不會對沖壓件的使用造成影響，但是對于一些剪切面質量要求較高的沖壓件，毛刺的

13、出現會對它們的使用造成影響，嚴重情況下甚至會使這些沖壓件成為殘次品4。（2）開裂開裂多發生在彎曲件上，如果對彎曲件的彎曲半徑和角度要求過于嚴格，就會出現彎曲開裂，彎曲寬度較小的產品，開裂發生在寬度的兩端；彎曲寬度較大時，開裂沿著彎曲線，在寬度的中間發生，如圖1-2所示。開裂會對沖壓件的質量、強度等造成極大影響，嚴重情況下會導致沖壓件成為廢品，出現開裂現象的沖壓件用在車身上以后，隨著車輛的不斷行駛，開裂出會逐漸擴大，從而會對車輛的安全性造成隱患，所以開裂是沖壓件制造過程中必須克服和避免的現象。彎度寬度小的開裂位置 彎度寬度大的開裂位置圖1-2 開裂（3）起皺起皺是指沖壓件變形不均勻，截面呈波浪形

14、的現射，如圖1-3所示。引起起皺現象的原因多種多樣，如模具設計不當或者使用不當等，但在根本上是由應力集中造成的，所以消除應力集中是解決起皺的根本方法。起皺會對沖壓件的表面質量、強度和使用造成嚴重影響，會引起沖壓件料厚的變化，嚴重的起皺會引起疊邊甚至導致沖壓件破裂，起皺也是沖壓件制造上一個需要解決的問題。圖1-3 起皺（4）回彈回彈多發生在彎曲件上，是指沖壓件成型后，其彎曲角度和彎曲半徑產生復原的現象， 4是材料的內應力分布不均導致變形不均勻引起的。回彈現象跟模具和材料都有關系，一般通過補償模具回彈量來解決。回彈會對沖壓件的精度造成影響，特別是車身上一些大型的沖壓件，回彈會導致該件上關鍵點和關鍵

15、型面的連鎖反應，從而因為精度達不到要求而成為廢品。（5）精度差沖壓件的精度差包括型面精度差和孔精度差等精度問題，指型面和孔的精度超出公差范圍之外，如由左右拉伸不一引起的沖壓件左右形狀不一，彎曲結束時發生變形的孔等，一般情況下沖壓件精度差可以通過調節模具來糾正。精度是沖壓件的基本要求之一，特別是對于一些重要的孔和型面，要求沖壓件在這些地方的精度必須保持在公差范圍之內。 2 沖壓件材料的選擇沖壓件所用材料一般為金屬材料，主要有車身輕量化、強度和剛度、不斷提高的安全性、防腐、乘坐舒適性和外觀質量的品質等要求5。雖然，近年來輕質材料的研究和應用日益廣泛，但鋼板材料以其自身的性能優勢保持著車身材料首選的

16、位置，約占整車鋼鐵材料的70，鋼板材料的主要優點為成本低，特別是相對于塑料和輕合金，其次鋼板材料具有加工難度小、強度高、成型工藝較為成熟容易回收且對環境污染較小。2.1金屬材料的沖壓性能參數大多數金屬材料具有的彈性、塑性、冷加工硬化和熱影響等性能，對沖壓件成型性有極大的影響，在沖壓件設計時應該分析，選擇合適的金屬材料，以滿足車身結構性能、制造工藝和表面外觀質量等要求，下面僅對一些重要的金屬材料性能參數做一下簡單的陳述，這些參數主要由實驗方法得出。(1) 屈服點當應力超過彈性極限，即使應力不再增加，而鋼材仍然繼續發生明顯的塑性變形，此現象稱為屈服，產生屈服現象的最小應力即為屈服點。屈服點由以下公

17、式求出：s=Fs/A0 （2-1）其中，s屈服點，MPa；Fs材料產生屈服現象時的載荷，N；A0材料的橫斷面積，mm2。通常以試件產生標準距離長度的0.2%殘余變形時的應力作為其屈服強度，用0.02表示。屈服點是金屬材料將要發生顯著塑性變形的標志，一般與拉伸類成型性能成反比關系，且s越低其成型性能的穩定性越高。(2) 抗拉強度金屬材料在拉伸載荷作用下，材料破裂與未破裂的臨界點處載荷是材料抵抗破壞的最大 5抗拉力，所對應的應力為材料的抗拉強度，其計算公式如下：b=Fb/Ao （2-2） 其中，b 抗拉強度，MPa；Fb 拉斷試件時的最大載荷，N；Ao 材料的橫截面積，mm。抗拉強度是金屬材料重要

18、的強度指標，在拉伸過程中，當載荷達到最大值即上式中Fb時，材料的變形由均勻變形階段進入局部變形階段，這種狀態成為塑性拉伸失穩。抗拉強度越高，材料成型性能較高，但所需要的成型力也越大6。(3) 屈強比 屈強比是指屈服點與抗拉強度的比值，即sb。一般情況下，當材料的屈服比小時，材料的屈服點低，進行沖壓變形的范圍較大，而且在曲面零件沖壓成型時，容易獲得較大的拉應力，減小回彈和消除松弛，在一定的屈強比范圍內，屈強比小者適宜拉伸，大者適宜脹形。(4) 均勻伸長率均勻伸長率是指金屬材料受外力作用斷裂時，試棒伸長的長度與原來長度的百分比。計算公式如下：u=Lu/Lo （2-3） 其中: u 均勻伸長率；Lu

19、 試棒伸長的長度，mm；Lo 試棒原來的長度，mm。均勻伸長率也是評價板料成型的一個重要參數，較大的板料均勻伸長率對拉伸類成型很有利，在一定條件下可能呈現正比關系7。當均勻伸長率較大時，板料具有較大的塑性變形穩定性，不易產生局部的較大變形而導致沖壓件破裂。(5) 硬化指數大多數金屬材料的硬化規律可以用下式表示:=Kn (2-4) 其中: 應力值；K 系數； 應變值；n 硬化指數。6 2硬化指數n可以用多種方法求出，比較常用的有兩點法，即通過測量某兩點的真實應力值和應變值，利用公式（2-4）求出K和n，兩點法的取值點對結果有直接影響，因此，取值點必須在均勻變形范圍內。n值大的板材，在加工時沖壓成

20、型加工硬化劇烈，變形抗力增加較快，變形程度較為均勻，致使總體變形程度增大，對拉伸類成型有利8。(6) 板厚方向性系數板厚方向性系數為板材寬度應變與板材厚度應變之比，即：r=b/t （2-5）其中: r 板厚方向性系數；b 板料寬度應變；t 板料厚度應變。由于板材的r值具有方向性，即在板平面不同方向上的r常不一樣，這時可以按平均值計算: r=1/4(r0+2r45+r90) （2-6） 其中: r r的平均值；r0 與板材軋制方向成0方向上的r值； or 與板材軋制方向成45方向上的r值； o45r 與板材軋制方向成90方向上的r值。 o90r較大時，表明材料在寬度方向上變形比較容易，在厚度方向

21、上變形比較困難，當材料伸長類成型時，板料的變薄量小，r大有利于這種沖壓成型，但實驗和理論都證明，當板料的r較大時，抗折皺性能好，拉深性能也好，板料的極限拉深性能更小，所以r是壓縮類成型的一個重要評定參數。2.2 常用金屬材料的沖壓性能金屬材料是現代車身上使用最多的材料，具有深拉延時不易產生裂紋、易于加工的優點。總體說來，車身用鋼板應該具有良好的拉延性能、低屈服點、大的延伸率、可焊接性和涂裝性較好、表面平整較好等要求。2.2.1 鋼板鋼板是車身沖壓件用量最大的材料，鋼板的種類很多，在汽車設計時應該根據車身要求選擇使用不同性能的鋼板，如防腐要求高的部位應該使用鍍鋅板，承受應力較大的地方應該使用高強

22、度鋼板等9。(1)冷軋鋼板按現行國家標準規定鋼板分為薄板和厚板兩種，凡厚度小于4mm的鋼板叫做薄板，其余 7成為厚板。軋制薄板分為冷軋剛板和熱軋剛板兩種，其中冷軋鋼板具有尺寸精度高、表面平整、屈服點低、成型性較好的優點。冷軋鋼板的抗拉強度大約為300MPa，有一般用途的SPCC，拉延用的SPCD和深拉延用的SPCE三種。表2-1為車身上三種冷軋鋼板比較常用的部件。表2-1車身上三種冷軋鋼板比較常用的部件(2)熱軋鋼熱軋鋼板的成分與冷軋鋼板基本相同，但其機械性能、表面狀況和尺寸精度不如冷軋鋼板，一般用于板厚較大且非外觀件的板件。(3)不銹鋼板不銹鋼板的特點是其強度和硬度比普通鋼板大，所以其沖壓加

23、工力也比較大；其次其表面光潔，對于一些對表面要求高的沖壓件有利，但是在沖壓成型中容易劃傷，加之不銹鋼板沖壓零件在成型后不再涂飾，因此表面劃傷是不銹鋼零件沖壓加工中一個比較突出的問題，現在工程上針對這個問題比較常用的解決方法是在不銹鋼板上鋪上聚氯乙烯薄膜，保護不銹鋼板的表面，防止劃傷，而且還能減少摩擦，提高其拉深性能。需要注意的是，經復雜變形的不銹鋼板沖壓件，殘余應力較大，可能在存放期間會導致時效開裂，因此一般要求對成型后的不銹鋼板零件及時進行熱處理，以消除其殘余應力。(4)高強度鋼板高強度鋼板是對普通鋼板加以強化處理而得到的新型鋼板，具有屈服點高和抗拉強度高的特點，但其比重只有普通鋼板的75，

24、所以，高強度鋼板對減小車身重量和提高車身強度有極大的意義，并且可以降低耗能、提高汽車碰撞時的安全性，現代轎車車身多使用高強度鋼板。高強度鋼板的強化機制一般會在一定程度上犧牲其他的沖壓性能，如伸長率降低、回彈大、成型力增大，高強度鋼板通常會減小沖壓件的厚度，這樣就導致沖壓件厚度減小后抗凹陷能力下降，但是隨著近年來新型高強度鋼板的研制和開發，高強度鋼板的成型性已有很大提高，被廣泛的用來替代普通鋼板來制造車身的沖壓件。(5)表面處理鋼板對鋼板表面進行處理是提高車身鋼板的防腐性最有效的手段之一，近年來表面處理鋼板已占車身鋼板用量的6080，有些轎車甚至全部使用表面處理鋼板。表面處理鋼板是通過在普通鋼板

25、或高強度鋼板上涂刷鋅、鋅合金、鋁、鉛錫合金等防腐材料得到的，有單面和雙面之分，在鋼板一面上涂刷防腐材料即為單面處理鋼板，在鋼板上下兩面都涂上防腐材料即為雙面處理鋼板。表面處理鋼板最大的優點是耐腐蝕性、涂裝性和裝飾性都較好，缺點是隨著鍍層的厚度 8增加，可能會對鋼板的成型性和焊接性造成不良影響，一般來說，當鍍層超過40g/mm時，就不能保證鋼板的成型性和焊接性，對焊接性的影響主要是因為在焊接時，焊鉗的電極頭可能會被鍍層污染，導致無法打焊，特別是當鍍鋅鋼板和普通鋼板焊接時更是如此，所以在選擇表面處理鋼板的鍍層厚度時，要考慮到對成型性和焊接性的影響。2.2.2 鋁及其合金板鋁材是車身沖壓件上用的最為

26、普遍的一種非鐵材料，其特點是塑性高、密度小、熱穩定性能好和回收利用率高。鋁材有純鋁和合金鋁兩種，鋁的純度在98%以上的叫做純鋁，低于98%的叫做鋁合金，純鋁的強度很低，不能滿足車身沖壓件的強度要求，鋁合金強度較好，是通過對純鋁進行合金化和熱處理得到的，其加工硬化指數比純鋁大，從而加工沖壓力也比純鋁大，但在形狀穩定性方面，鋁合金又比純鋁差。在車身沖壓件上使用鋁合金，可以極大降低車身的重量，達到車身的輕量化要求，如車身外板采用1.4倍厚的鋁合金板代替普通鋼板，因為鋁合金板密度僅為鋼板的1/3，因此，重量可以達到普通鋼板的48%，而車身內板采用鋁合金板時，因為空間尺寸其板厚可以和普通鋼板保持一致，這

27、樣重量會達到普通鋼板的35%。鋁合金在車身上應用的主要限制是成型性、焊接性、涂裝、表面處理和成本等方面相對普通鋼板要差一些，需要進一步研究解決。在應用硬化指數n和板厚方向性系數r對鋁及其合金板的沖壓性能進行評價時，鋁材有時候會出現于鋼板不用的規律。2.2.3 銅及其合金板銅及其合金板也是車身應用較多的非鐵材料，銅的純度在99%以上者稱為純銅，其余的為合金銅，常見的合金銅有黃銅和青銅。純銅的抗壓縮失穩能力和拉深性能都較差，在沖壓中有時會出現比較嚴重的起皺現象；青銅的沖壓性能很差，加工硬化也比較劇烈，往往需要中間退火才能繼續成型，所以，青銅在車身上的應用比較少；銅及其合金板在車身應用最多的是黃銅，

28、黃銅的沖壓性能與晶粒尺寸有很大關系，通常不同晶粒度的黃銅適合于不同形式沖壓件的制造，如50m的黃銅適合于一般的拉深件，100m的黃銅適合于復雜的拉深件，通常，黃銅的晶粒度在15m-100m之間變化，黃銅晶粒大小與沖壓件沖壓類型的對比關系如表2-2所示。2.2.4 鈦及其合金板鈦及其合金板應用最為廣泛的領域是航天航空，在汽車制造中偶然會用到，鈦的抗腐蝕 9 2性高，可以耐大氣、海水和許多化學物質的侵蝕10。鈦板的r較高，具有較好的拉深性能，但是彎曲性能差，成型時需要極大的成型力，鈦板沖壓件的凍結性差，有較嚴重的回彈現象，表面出現劃傷時會比其他金屬嚴重的多，并且在制造鈦板沖壓件時容易損壞模具。鈦板

29、同鋁板和銅板一樣，具有純鈦和合金鈦之分，含鈦99%以上的成為純鈦，含鈦99%以下的稱為合金鈦，相對于純鈦來說，沖壓件沖壓加工主要應用合金鈦。鈦合金板沖壓加工的主要特點是：（1）鈦合金的屈服點s、抗拉強度b較高，彈性模量E小，因此，沖壓所需的成型力較大，沖壓件的回彈現象比較嚴重；（2）鈦合金的屈服強比sb比較大，伸長率u和硬化指數n較小，拉伸類成型性能不佳；（3）強度和硬度都比較高，加工硬化較大，所以需要在沖壓過程中需要中間退火，為了消除零件的殘余應力，還需要最終退火；（4）板厚方向性系數r非常高，有較好的拉深性能；（5）增加沖壓件料厚對鈦合金板的沖壓件成型性能改善很小，甚至有時候會起到反作用。

30、在進行沖壓件的設計時，應該根據沖壓件使用條件、功能、強度要求等，參考不同材料的屬性和優點，根據金屬材料的沖壓性能參數合理選用沖壓件材料，關于沖壓件的條件、功能、強度等設計要求在下章會詳細闡述。3 沖壓件成型性仿真有限元基礎車身沖壓件成型過程是一個集幾何非線性、物理非線性、邊界條件非線性的非常復雜的變形過程，需要建立材料本構關系對應力應變進行描述，從而正確分析和模擬不同條件下的沖壓件成型過程。建立材料本構關系通常基于兩種基本理論：塑性力學變形理論和塑性流理論11。非線性問題的求解通常采用增量法、迭代法和混合法。在沖壓件的成型分析中，大多采用增量法。增量法的實質是用一系列的線性問題去近似求解非線性

31、問題，增量法解決非線性問題可以保證計算精度和求解穩定性，并且能夠反映結構加載過程，所以，在沖壓件成型分析中，多數采用增量法。3.1沖壓件成型的本構關系在任意時間T，連續體的體積為V，表面積為S，占有物理空間為R，參照適當的坐標系，用連續體在時間T所占有的物理空間表明連續體時，空間R就成為構形。連續體的未變形構形和變形之后的構形在形狀上的變化叫做變形12。研究構形的變化，工程上主要有兩種方法：拉格朗日描述和歐拉描述。在小變形問題上，拉格朗日描述和歐拉描述是一致的，在大變形問題如有限元變形上，因為連續體前后構形發生了較大變化，所以應該用客觀的應力率和應 10變率描述，常用的應力應變關系模型有以下六

32、種：理想彈塑性模型、線性硬化彈塑性模型、冪硬化模型、帶初值的冪硬化模型、兩直線段帶過渡曲線的應力應變曲線模型和分段折現實驗數據模型。建立本構關系應該遵循如下原則：1、連續體中的某點應力由該連續體該質點附件處小區域范圍內的變形歷史和T時刻的狀態決定；2、本構關系的函數不由觀察者的角度決定，即不由時空參考坐標系的不同而變化；3、每一種材料的本構關系都是建立在一種屈服準則的基礎之上。 3.2 屈服準則連續體中某質點的應力狀態可以分解為六個獨立的應力分量，在判斷質點是否進入塑性狀態時，應該同時考慮這六個方向上的應力狀態，不能以一個應力分量作為判斷標準13。在應力空間中，將屈服應力點連接起來，就形成一個

33、區分彈性和塑性的分界面，成為屈服面，由屈服面可以判斷材料變形處于彈性階段還是塑性階段。工程上常用Mises屈服準則、Hill屈服準則和Barlat屈服準則來描述屈服面的數學表達式。(1) Mises屈服準則Mises屈服準則的數學表達式為：=s（3-1）Mises屈服準則可以這樣描述：在一定的條件下，當物體內一點的應力偏張量的第二不變量達到某一定值時，該點就開始進入塑性狀態14。Mises屈服準則把板料處理為各向同性材料，在早期的沖壓成型仿真中采用的比較多。(2) Hill屈服準則Hill屈服準則的數學表達式為：F(22-33)22222+G(33-11)+H(11-22)+2L23+2M+2

34、N31-1=0（3-2）其中，F、G、H、L、M、N 決定于材料在三個方向上的拉伸屈服應力和剪切屈服應力的常數。設y1、y2、y3表示拉伸屈服應力，y12、y23、y31表示剪切屈服應力，則由上式可以得出：2F=12+y2+y3+y112y3y112y12L=2G=2F=1212122L=y22L=121212y2y32y231 （3-3）2y3112y12111理論和實驗研究表明，板料的塑性特征是各項異性的，Hill首先提出了一個二次屈服函數來描述各項異性材料的塑性行為，并且在沖壓成型有限元仿真中得到了廣泛的應用。(3) Barlat屈服準則Hill屈服準則在分析晶體塑性材料時遇到了困難，為

35、了解決Hill屈服準則的不足，Barlat提出了Barlat屈服準則。Barlat屈服準則的數學表達式為：F=aK1+K2m+aK1-K2m+(2-a)2K2m=2m （3-4）K2= （3-5）其中，a、h、p塑性各項異性的材料系數；沿軋制方向的等效應力；mBarlat指數，面心立方晶體材料取8，體心立方晶格材料取6。3.3 BT殼單元模型目前，可用于有限元數值模擬分析的單元有三類:基于薄膜理論單元、基于板殼理論的殼單元和基于連續介質理論的實體單元15。薄膜單元具有結構簡單，對電腦要求低的特點，但是薄膜單元忽略了彎曲效應，考慮的應力僅是沿薄膜厚度均勻分布的平行于中面的應力，并且認為應變沿厚度

36、也是均勻分布的，因此，薄膜單元理論只適用于彎曲效果不明顯的沖壓仿真過程，對有明顯彎曲效應的沖壓仿真，薄膜單元并不適用。實體單元具有結構簡單、精度高、分析準確的特點，因為實體單元考慮了板料變形中的彎曲和剪切效應，并且連續介質理論是三位理論，從而實體單元可以解決三維成型仿真問題，適用多種復雜的沖壓仿真，但是實體單元對電腦要求太高，且非常耗時間，特別是處理一些復雜成型問題如覆蓋件的成型時耗費時間更長，因此，實體單元在實際中運用的較少16。殼單元的效果介于薄膜單元和實體單元之間，精度比薄膜單元高，比實體單元低；耗時比薄膜單元長，但是比實體單元短，并且由于板殼理論本身就是研究三維變形的理論工具，因此，大

37、多數的沖壓成型仿真都采用殼單元。殼單元種類繁多，但較常用的HughusLiu(HL)薄殼單元和BelytschkoTsay薄殼(BT)單元。HL薄殼單元由八節點實體單元退化而成，具有較高的計算精度，即使在進行較復雜的沖壓成型時仍然可以保持較高的精度，該單元的缺點是公式復雜，計算時間長，在求解大型覆蓋件時更是如此。12BT薄殼單元的優點是采用單點積分，計算過程簡單，耗時較少，有較高的計算效率，所以目前使用較廣，但是BT單元在計算過程中可能有零能量出現，成為沙漏，需要在計算過程中加以控制。目前的沙漏控制方法主要有兩種，一種是Belytschko沙漏控制方法，通過引入沙漏形矢量獲得沙漏模式下的應變速

38、度和應力變化率，把它加入到局部應力中；另一種是Englemann和Whirley的沙漏控制方法，把平面應變場分解為單點接分應變場和穩定應變場，最終確定沙漏力，加入到局部應力中。下面對BT薄殼單元進行一下詳細的介紹。在每一個單元上，設定一個隨動的坐標系。如圖3-1所示。單元基底由下式確定： e3=r313142r42（3-6）Se11=r21-(r21e3)e3 （3-7）=S11，e2=ee31（3-8）e3總是垂直于參考面，當單元的四個點共面時，e3的方向與厚度方向重合，當殼體變形時，實際的厚度方向與e3之間存在一個角度，假定該角度很小，則有：其中，10-2。e3l-1<（3-9）圖3

39、-1 隨動坐標系BT薄殼單元內任意點的位移可分為中面位移和與單元轉動有關的位移，根據薄殼理論的Mindlin假設，單元內部任意點的速度矢量可以根據該點在參考面上對應點速度V和角速度e3矢量來求得，即 V=V-zmm（3-10）13為該點到參考面的距離。 其中，z在單元坐標系內，應變速率的旋轉分量為：jiV1V=+ij2 xxji （3-11）I，在求解運動方程后可以得到單元節點的位移速度矢量VI、角速度矢量和坐標矢量x（I=1,2,3,4）。根據四節點四邊形單元的雙線性節點插值，可以求得單元參考面任意點的速度矢量Vm、角速度矢量和坐標矢量x：mmm V=NI(,V)Im =NI(, )I （3

40、-12）xm=NI(,x)I其中，NI(,)，（I=1,2,3,4）為雙線性型函數，其列式為：N1(,)=14141414(1-)(1-) (1+)(1-) (+1)+(1 )N2(,)=N3(,)=N4(,)=（3-13）(1-)(1+)薄殼單元采用分層單點積分，即積分在單元形心沿壁厚積分點進行，該處=0,=0。 將（3-12）、（3-13）、代入（3-11），令=0,=0，可求得單元形心處的速度應變：B =Bv+z1I1IxxIB =Bv+z1I2IyyI（3-14）yI（3-15）xIxy=+B2IvxIBv1IyI(B2I+z2yI-Bv1IxI)(3-16)xz(B=1IvxI+2N

41、IyI) （3-17）14yz=Bv2IyI-NIxI（3-18）BB1I=xy1(3-19)2I=1(3-20)： 按照單元材料的本構方程，可求得單元局部坐標系中積分點處的應力矢量 T=,xxyyxy,zxyzR（3-21）=0。 沿殼體板厚方向的應力沿殼單元壁厚積分可以求得在局部坐標下合力f和mijRij：fR=ijijdz(3-22） (3-23)mRij=-ijdz z根據虛功率原理可以計算出單元中心的合力和合力矩與單元局部坐標系下的節點力與節點力矩的關系：fff=A B1Ix1=A B1Iy1=A B1Iz1fffR+xxfB2IR （3-24）xxRRyy+Bf2I （3-25）x

42、yR+xzfB2IR （3-26）yzRmmxIR=A B2Imyy+xy-B1ImBm2IR1414kffR yz(3-27)yIR=A B1Imxx+R-xyk zz(3-28)mzI=0 （3-29）其中，A為單元面積，k為剪切修正系數。154基于Dynaform的沖壓件成型過程分析在沖壓件設計完成之后，需要對沖壓件進行成型性仿真分析，解決沖壓件成型過程中可能出現的各種缺陷，以防止產生不必要的損失。本文以汽車的前上橫梁外板為例，分析軟件為Dynaform。4.1數值模擬軟件DYNAFORM簡介DYNAFORM是由美國工程技術聯合公司（ENGINEERING TECHNOLOGY ASSO

43、CIATES，INC）開發的一個基于LS-DYNA的板料成型模擬軟件包。作為一款專業的CAE軟件，DYNAFORM綜合了LS-DYNA971強大的板料成型分析功能以及自身強大的流線型前后處理功能。它主要應用于板料成型工業中模具的設計和開發，可以幫助模具設計人員顯著減少模具開發設計時間和試模周期。DYNAFORM不但具有良好的易用性，而且包括了大量的智能化工具，可方便地求解各類板料成型問題。同時，DYNAFORM也最大限度地發揮了傳統CAE技術的作用，減少了產品開發的成本和周期。DYNAFORM采用LIVERMORE軟件技術公司（LSTC）開發提供的LS-DYNA 作為核心求解器。LS-DYNA

44、作為世界上最著名的通用顯示動力分析程序，能夠模擬出真實世界的各種復雜問題，特別適合求解各種非線性的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題17。在板料成型過程中，一般來說模具開發周期的瓶頸往往是對模具設計的周期很難把握。然而，DYNAFORM恰恰解決了這個問題，它能夠對整個模具開發過程進行模擬，因此也就大大減少了模具的調試時間，降低了生產高質量覆蓋件和其它沖壓件的成本，并且能夠有效地模擬模具成型過程中四個主要工藝過程，包括：壓邊、拉延、回彈和多工步成型。這些模擬讓工程師能夠在設計周期的早期階段對產品設計的可行性進行分析。DYNAFORM具有良好的工具表面數據特征，因此可以較好地預測覆蓋件沖

45、壓成型過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕、回彈，評估板料的成型性能，從而為板料成型工藝及模具設計提供幫助。DYNAFORM包括三個基本部分：前處理器（用來做網格劃分以及分析和計算的前期準備），求解器（用來做模擬計算）和后處理器（用來做模擬結果的分析）。相應的有限元分析一般分為前處理、求解和后處理三個部分。4.2前上橫梁外板零件的工藝分析本文以前上橫梁外板為例，對運用DYNAFORM軟件進行拉延成型過程的有限元分析方法展開介紹，其零件圖如圖4-1所示。所示的長度為1110mm，最大寬度為205mm，最大高度為99mm的狹長形零件，厚度為1.2mm，表面有36個大小不同的孔，而且在零件的兩端和中間

46、部位存在明顯的高度差。它可以由拉延、切邊沖孔、翻邊、沖孔整形四道工序完成。該零件在成型時應選擇合理的沖壓方向，以保證凸模全部直接進入凹模時，拉延深度差降為最小，目的是最大限度地減小材料流動和變形分布的不均勻性；同時凸模與毛坯具有良好的初始接觸，可以減少毛坯與凸模的相對滑動，有利于毛坯的變形、并提高零件的表面質量18。 16圖4-1前上梁外板零件圖該零件要經過添加工藝補充部分之后才能進行拉延成型。工藝補充部分有如下兩大類。一類是零件內部的工藝補充，即內工藝補充，也就是填補內部孔洞，創造適合于拉延成型的良好條件，這部分工藝補充不增加材料消耗，而且在沖內孔后，這部分材料仍可被適當利用。另一類工藝補充

47、是在零件沿輪廓邊緣展開（包括翻邊展開部分）的基礎上添加上去的，它包括拉延部分的補充和壓料面兩部分。對于某些深度較淺、曲率較小的部位，必須使毛坯在成型過程中有足夠的塑性變形量，才能保證其能有較好的形狀精度和剛度。拉延件要設計一部分直壁，這樣可以使凸模內部的毛坯在成型的最后階段受較大的拉力，減少起皺的可能性。同時拉力的增加使凹模內部的毛坯增加了塑性變形量，拉延件的剛度也增加。壓料面形狀應盡量簡單化，以水平面最好。在保證良好的拉延條件前提下，為減少材料消耗，也可以設計成斜面、平滑曲面或平面曲面組合等形狀，盡量不要設計成平面大角度交叉、高度變化劇烈的形狀。壓料面應使成型深度小且各部分深度接近一致，使材

48、料流動和塑性趨于均勻，以減小成型難度。同時，用壓邊圈壓住毛坯后，毛坯不會產生皺折、扭曲等現象。壓料面應使毛坯在拉延成型和修邊工序中都有可靠的定位，不在某一方向上產生很大的側向力，并且充分考慮送料和取件的方便。4.3數據庫操作(1)創建DYNAFORM數據庫啟動DYNAFORM軟件后，程序自動創建默認的空數據庫文件Untitled.df。選擇FileSave as菜單項，修改文件名，將所建立的數據庫保存在自己指定的目錄下。(2)導入模型17選擇FileImport菜單項，將上面所建立的“*.igs”模型文件導入到數據庫中，如圖4-2所示。選擇PartsEdit菜單項，彈出Edit Part對話框

49、，編輯修改零件層的名稱、編號和顏色，將前上梁外板零件層命名為PART。圖4-2導入前上橫梁外板零件模型文件(3)參數設定選擇ToolsAnalysis Setup菜單項，彈出Analysis Setup對話框。默認的單位系統是長度單位為mm（毫米），質量單位為TON（噸），時間單位為SEC（秒），力單位為N（牛頓）。成型類型選單動（Single action）,凸模在毛坯的下面。默認的毛坯和所有工具的接觸界面類型為單面接觸（Form One Way S.to S.）。默認的沖壓方向為Z向。默認的接觸間隙1.0mm，接觸間隙是指自動定位后工具和毛坯之間在沖壓件方向上的最小距離，在定義毛坯厚度后此項設置的值將被自動覆蓋。4.4網格劃分(1)工具網格劃分設定當前零