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汽车覆盖件成形性分析和数值模拟

作　者: 韦东来
导　师: 寇淑清
学　校: 吉林大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 汽车覆盖件数值模拟前围板后立柱外板前翼子板回弹等效拉延筋多工步成形
分类号: U466
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

汽车工业是我国重要的支柱产业。汽车覆盖件成形与模具现代设计是制约我国模具工业特别是汽车工业发展的关键性技术。汽车覆盖件成形过程的数值模拟技术是金属塑性加工理论和工艺、计算力学、CAD技术、计算机图形学等多个学科相互交叉渗透的研究方向。涉及到连续介质力学中材料非线性、几何非线性和边界条件非线性三重非线性问题的计算，难度很大。目前，西方发达国家已经将数值模拟分析作为产品设计与制造流程中不可逾越的工艺规范加以实施，而我国的工业企业界还处于对数值模拟技术的初步认同和浅显的应用阶段。为此，本文作者致力于汽车覆盖件的成形性分析和数值模拟，所模拟的复杂汽车覆盖件主要来源于日本フレス株式会社和第一汽车集团吉林轻型汽车制造厂。以Pro/E和UGII软件为三维造型平台，通过标准交换格式IGES导入DYNAFORM软件，依据工业应用中的实际工况进行模拟。本文作者在认真学习和总结现有的国内外研究成果的基础上，探讨和深化了板料成形数值模拟的实际应用，主要完成了以下工作：总结了板料成形有限元模拟理论和关键技术，系统地阐明了材料模型、几何模型、接触和摩擦、模具系统和工艺参数以及回弹分析。分析和比较了静力隐式解法与动力显式解法的基本特点和适用范围，认为目前动力显式解法是求解复杂覆盖件拉延成形模拟的最有效方法。归纳了覆盖件成形模拟的一般步骤，并结合覆盖件的特点提出了在前处理阶段如几何模型建立、网格划分等应该注意的问题。受日本フレス株式会社委托，本文利用DYNAFORM软件对丰田普通型轿车前围板进行了拉延过程的模拟，针对压边力、凸凹模圆角、拉延筋设置及板坯形状进行了优化，消除了拉裂及起皱现象，解决了实际生产中的问题。微型客车后立柱外板是一个大型复杂的汽车外覆盖件,在实际成形过程中很容易开裂或起皱。本文通过详细的工艺分析，确定了工艺补充部分<WP=88>和凹模圆角，建立了合理的有限元模型。比较了形变理论与增量理论的特点，提出一步加载可用于设计早期估计零件的可成形性和工艺的可行性，并通过模拟给予了验证。通过反复模拟，优化了坯料外形，并且为工艺补充部分的进一步修改提供了有力的理论依据和实现手段。探讨了等效拉延筋的基本原理和实际应用。分析了等效拉延筋仍然存在的问题。在后立柱外板上分别设置真实拉延筋和等效拉延筋，比较了它们的异同，模拟结果表明等效拉延筋是可靠的，明显地降低了计算机时。对于多工步成形问题（包括二次拉延），在模拟过程中应该注意应力和应变的传递，即前后工步应力、应变的连续性。后续工序模拟的精度跟上一道工序的模拟结果有直接的联系，又有其自身的特点。切边的模拟过程一般简化为纯几何过程。翻边模具运动机构复杂，为了减少建模和接触搜寻的计算时间，可以省略与零件不接触的其它模具表面。无约束圆筒形弯曲和前翼子板多步成形的数值模拟是NUMISHEET2002提供的标准考题。本文严格按照要求进行模拟和分析，并与实验结果作了对比。结果表明，对于具有大回弹量的高强钢板U形弯曲，模拟软件对回弹的预测具有实用价值。而前翼子板的多工步成形模拟表明，相对于拉延、切边和翻边等工序的模拟来说，回弹的模拟要困难很多。虽然模拟结果有一定的参考价值，但是有待提高。归纳了回弹数值模拟技术的基本特点和影响回弹模拟精度的主要因素。对于回弹模拟而言，成形过程中弯曲应力场的模拟至关重要，为了提高弯曲应力的模拟精度，一个有效的方法是适当地增加材料厚度方向的高斯积分点数。对于壳单元一般取7个高斯积分点为宜。板料单元尺寸的选择与模具圆角半径的大小有直接的关系。大量计算结果表明，当流过模具圆角处的单元尺寸为模具圆角半径的1/2～1/3时，应力、应变场模拟结果最优，回弹结果与实验结果最为接近。此外，采用随动强化模型所获得的回弹结果更接近于实验值。

全文目录

提要  2-6
第一章绪论  6-16
  1.1 选题依据和意义  6-8
  1.2 板料成形模拟的有限元方法及软件  8-12
    1.2.1 有限元方法的发展及分类  8-10
    1.2.2 模拟软件及其特点  10-12
  1.3 板料成形数值模拟的国内外现状  12-15
  1.4 本文主要研究内容  15-16
第二章动力显式算法原理和覆盖件成形模拟关键技  16-26
  2.1 动力显式算法的基本原理  16-17
  2.2 覆盖件成形数值模拟的关键技术  17-25
    2.2.1 冲压成形中材料问题的研究  19-21
    2.2.2 成形极限图  21-22
    2.2.3 覆盖件成形模拟中的几何模型  22
    2.2.4 边界界面的摩擦和接触约束问题  22-23
    2.2.5 模具系统和工艺参数对覆盖件冲压成形的影响  23-24
    2.2.6 回弹分析  24-25
  2.3 本章小结  25-26
第三章轿车前围板成形性分析和数值模拟  26-38
  3.1 覆盖件成形模拟的一般步骤  26-28
    3.1.1 前处理  26-28
    3.1.2 求解  28
    3.1.3 后处理  28
  3.2 轿车前围板简介  28-29
  3.3 成形性分析  29-30
    3.3.1 拉延方向  29
    3.3.2 工艺补充  29-30
  3.4 数值模拟  30-36
    3.4.1 建立有限元模型  30-33
    3.4.2 分析与讨论  33-36
  3.5 本章小结  36-38
第四章客车后立柱外板成形性分析和数值模拟  38-55
  4.1 成形性分析  38-41
    4.1.1 变形分析  38-39
    4.1.2 拉延方向  39
    4.1.3 拉延筋设置  39-41
  4.2 数值模拟  41-46
    4.2.1 建立有限元模型  41-42
    4.2.2 分析与讨论  42-46
  4.3 拉延筋模型  46-52
    4.3.1 拉延筋的模拟方式  46-48
    4.3.2 在后立柱外板有限元模型中设置等效拉延筋  48-52
  4.4 后续工序模拟  52-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章回弹分析和数值模拟  55-73
  5.1 回弹数值模拟技术的基本特点  55-57
    5.1.1 回弹的模拟方法  55-56
    5.1.2 回弹的模拟算法  56-57
  5.2 无约束圆筒形弯曲  57-59
  5.3 前翼子板多工步成形后的回弹模拟  59-69
    5.3.1 拉延成形过程数值模拟  60-65
    5.3.2 切边、冲孔过程数值模拟  65-66
    5.3.3 翻边成形数值模拟  66-68
    5.3.4 回弹数值模拟  68-69
  5.4 影响回弹模拟精度的主要因素  69-72
    5.4.1 成形过程模拟的影响  69-71
    5.4.2 回弹过程模拟的影响  71-72
  5.5 本章小结  72-73
第六章结论与展望  73-75
参考文献  75-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84-85
致谢  85-86
吉林大学硕士学位论文原创性声明  86-87
摘要  87-89
ABSTRACT  89-91

汽车覆盖件成形性分析和数值模拟

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