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数值模拟
北京科技大学材料科学与工程学院
《塑性加工过程数值模拟》
文献研究报告
数值模拟在汽车上的应用
陈伟健
作者：
_________________________
s2*******
学号：
_________________________
赵征志
导师：
_________________________
材料加工
专业：
_________________________
2016年10月11日
北京科技大学材料科学与工程学院
《塑性加工过程数值模拟》文献研究报告
汇总表
姓名
陈伟健
学号
S2*******
指导教师
赵征志
性别
男
籍贯
皖
出生年月
1993-09
专业
材料加工
报告题目
数值模拟在汽车上的应用
论文预期的选题方向
高强度汽车板的选择与开发
报告内容摘要
汽车的零件很多，每个零件的性能要求也不一样，因此零件材料的选择也成为一大难题，这个汽车部位需要什么性能的材料更适合？
当然可以通过传统的实验对材料进行比较和最终的选择，传统实验实施的难度和要求先不考虑，而做一个完整实验的时间是相当漫长，成本自然很高。
而伴随计算机技术的迅速发展和有限元理论的不断成熟,数值模拟技术在工业中的应用愈来愈广泛。
由于在实际的模具设计、制造和产品生产过程中,通过计算机进行仿真能及时发现问题并作出修改,提高模具的设计和制造质量,缩短开发周期,降低制造成本,因此数值模拟在工业上的应用得到了很大的重视，本文主要研究数值模拟在汽车上的应用，例如在汽车覆盖件，汽车前翼子板，汽车前纵梁上的模拟与应用。
文献调研统计
文献总数
近三年文献数
外文文献数
著作类文献数
6
2
0
0
本人郑重声明：
所呈交的报告是我个人通过查阅收集相关文献并均亲自阅读、研究、分析、总结后取得的报告成果。
尽我所知，本报告中所引用的其他人已经公开或未公开发表的研究成果均已特别加以标注和致谢。
报告全文格式已按照排版要求进行过认真核对。
作者签名：
年月日
目录
1引言1
2汽车覆盖件冲压数值模拟技术2
2.1BK-6440后门内板冲压数值模拟仿真2
3汽车前翼子板6
4汽车前纵梁10
5感想与总结15
6参考文献16
1引言
汽车制造中，合理地选择高强度和高塑性钢板，可有效降低车身重量，减少排放，提高汽车的抗凹性、耐久强度和大变形冲击强度，改善汽车的安全性能。
汽车覆盖件成形加工生产目前主要依靠传统经验设计来制定冲压工艺、开发相关模具，具有相当大的随意性和不确定性。
然而板料成形的力学过程及成形影响因素非常复杂，是一个集几何非线性、材料非线性、接触非线性于一体的强非线性问题，用传统的解析方法很难求解。
随着计算机应用技术的普及，板料塑性成形过程用有限元方法进行数值模拟已成为一项有效解决该问题的高新技术。
数值模拟依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。
利用数值模拟技术对结构复杂、尺寸较大、变形不易控制的汽车构件的塑性加工过程进行仿真模拟，可有效实现对汽车构件塑性加工过程的控制，确定合理的工艺参数，保证构件的一次冲压成形，节约时间与成本。
2汽车覆盖件冲压数值模拟技术[1]
读这篇文章主要得出的结论：
汽车覆盖件冲压工序对模具有很大的依赖性，靠传统经验设计出来的模具的调整工作量大，周期长。
因此通过运用先进的科学技术手段来设计此类模具是相当有必要的。
板料数值模拟技术应用于汽车制造业不但可以缩短模具的设计制造及调试周期，还可大幅度降低模具生产成本。
目前板料数值模拟技术在汽车覆盖件制造领域的应用越来越广泛，作者通过该项目的分析计算及生产验证，证实了通过数值仿真板料成形过程优化冲压工艺参数及模具形状从而指导实际生产过程的方法是切实有效可行的。
目前汽车覆盖件冲压分析多采用动态显式算法。
在显式求解法中，用中心差分法进行动态问题的时域积分。
显式求解法既没有收敛性问题，也不需求解联立方程组，但时间步长受到数值积分稳定性的限制。
而在回弹模拟阶段普遍采用静态隐式算法求解。
接触问题中的接触力大小则通过拉格朗日乘子法或罚函数法求解。
板料的弹塑性变形的有限元方法求解步骤：
建立冲压过程的力学模型→建立相应的有限元分析模型→根据板料变形特性选定壳体单元类型并确定有关参数→根据板料变形特性选定弹塑性本构关系及有关参数→根据板料和模具的表面特性及其润滑状态选定摩擦定律及参数→对压料板的刚体运动和板料的弹塑性变形进行求解。
2.1BK-6440后门内板冲压数值模拟仿真
1相关分析参数的确定
拉延工序采用双动压力机，主要加工参数：
冲压速度V=10m/s；冲头行程L=237mm；压边力F＝2000kN。
用于冲压的ST14钢材料性能参数：
板料厚度t＝1.0mm；弹性模量E=2.10e5N/mm2；密度ρ=7.82e-6kN/mm3；泊松比υ=0.3；摩擦系数μ=0.10；材料各向异性屈服系数r0=1.77、r45=1.16、r90=1.94；材料的屈服准则，采用Hill1948各向异性屈服准则。
ST14材料的硬化曲线如图1所示。
图1ST14材料硬化曲线
2分析软件的选用
在本项目的研究中，作者采用PAM-STAMP2G2004软件进行数值成形计算。
该软件是由法国ESI（EngineeringSystemInternal）开发的薄板冲压成形过程仿真的专业化软件，能够对大位移、大旋转、大应变、接触碰撞等问题进行十分精确的模拟。
它可进行自动网格细化，采用等效拉延筋模型，可以模拟多工步薄板成形问题，计算精度比较高。
3BK-6440后门内板冲压有限元分析
首先建立起BK-6440后门内板曲面模型。
该模型曲面比较复杂，由于分析软件中建模工具功能的局限性，因此作者通过UG18建立覆盖件模型后用IGES接口将其导入PAM-STAMP2G2004中，进行模型特征检查从而发现原来设计的不合理部分（有过切现象等）。
然后通过对模型在CAD及CAE中的修改，得到消除过切与缺陷的曲面模型，并在PAM-STAMP2G2004中进行必要的工艺补充及前处理，通过模块PAM-DIEMAKER（快速模面设计与优化模块）最后建立起凸模、凹模及压边圈分析模型（如图2所示）进行分析。
图2BK-6440后门内板冲压CAE分析模型
图3冲压完成后板料变薄云图
图4冲压完成后板料FLD图
在采用周围封闭式等效拉延筋形式时，板料冲压模拟完成后计算得到的最薄壁厚为t＝0.213mm（在实际冲压过程中已经破裂），但板料大部分冲压后的厚度在0.87mm～1.03mm之间。
在图4所示的FLD图中可以看到，在该冲压条件下板料的冲压在某些部位会破裂，而且角部起皱的现象比较严重，冲压效果不好。
作者可以从以下分析与实物的对比中发现理论计算与实际冲压结果的吻合度是很高的。
而以往对于复杂的覆盖件拉伸件，用传统设计方法难以准确计算材料的塑性流动情况，并且很难准确预测工艺条件改变后材料流动的状况。
图5起皱与断裂模拟与试验结果对比
图6断裂模拟与试验结果对比
为了消除拉裂现象，作者应降低拉裂区的拉应变值。
可采取调整压边力，改善润滑条件等方法以改变法向接触力和切向摩擦力的分布，以改善材料的流动状况。
起皱是由于局部压应力过大引起薄板失稳所致，可通过增加起皱处的法向接触力，同时考虑避免导致零件其它部位拉裂的状况下进行工艺参数调整，使材料的流动趋于合理。
通过分析计算，作者对模具曲面、工艺补充面、拉延筋的形状与布置等方面重新进行了调整与修改：
在材料容易流动的地方加拉延筋，使板料在拉延时进料阻力均匀。
改善板料在冲压过程中的流动条件（修改工艺补充面等），使变形趋于均匀，防止板料起皱现象的发生。
该工况下冲压状况得到了一些改善：
特别是起皱现象得到了有效的改善，然后通过调整压边力的大小（将压边力降为800kN）与压延筋形式等冲压工艺参数使破裂状况有了显著改善。
图7修改过后的底模和拉延筋模型
3汽车前翼子板[2]
针对汽车前翼子板一次拉深成形问题，王圣波以TRIP600高强度为例，通过有限元软件Dynaform进行模拟研究，确定合理的工艺参数。
汽车前翼子板的几何模型如图2-1所示，该件的长、宽、高分别为874mm、765mm和120mm。
利用三维造型软件UG设计了零件的工艺补充面及曲面压面料，存为iges的格式，导入仿真软件Dynaform中进行离散化，生成网格为13140个，作为凹模的有限元模型，接着通过网格复制和偏移生成压边圈和凸模的模面网格，得到前翼子板的拉深模具模型，板料形状初定为拉深凹模的外轮廓，有限元模型见图2-2。
图2-1汽车前翼子板的几何模型
图2-2有限元模型
图2-3无拉深筋情况下零件的成形极限预测
同样初次模拟不设置拉深筋，极限预测如图2-3所示。
拉深筋的优化及压边力的调整冲压成形中，为了提高制件的刚性和防止起皱，板料的流动通常都是通过设置拉深筋的方式来控制。
拉深筋的处理在有限元模拟中主要有两种方式:
1）采用真实拉深筋，以拉深筋作为有限元模型整体的一部分，一起参与计算和网格的重划分;2）使用等效拉深筋，将拉深筋简化为作用在节点线单元上的弹性力，不进行网格的重划分[3]。
作者为简化模拟过程，选取方式2）。
为便于根据不同的部位、不同的进料情况来调整阻力参数，将拉深筋分成8段来设置，拉深筋的设置如图2-4所示。
图2-4拉深筋的设置
图2-5所示为拉深筋优化对成形结果的影响。
经过多次调试后，拉深筋的形式和位置分布调整为：
拉深筋3和拉深筋5处的进料很大，筋的高度仍为6mm；而拉深筋1和拉深筋7换成半圆筋的形式，筋的高度降为3mm;拉深筋4处由于拉深较浅，进料较少，采用半圆筋的方式，高度为5mm；为了减轻圆角处的起皱，其余圆角处的筋均采用半圆筋，高度为2mm。
压边力调整为0.4×106N。
从图5b所示的拉深筋优化后可以看出，通过调整拉深筋和压边力，缺陷1处（见图2-3b）的破裂基本消除，起皱和变形不足也得到了有效的控制。
图2-5优化后的零件成形结果
图2-3b中的缺陷2在圆角处有破裂，该处有一个较深、狭长且窄的凹槽，该局部性状态的存在，增加了板料流动阻力。
在成形的后阶段，凹槽内部进料困难。
通过优化板料形状及尺寸可以恰当地满足成形。
板料优化主要是对进料阻力较大的角部改用圆角过渡，由此改善金属流动条件。
经过修改板料形状、优化拉深筋和调整压边力获得优化后的零件成形结果如图2-5所示。
图2-5a为零件的成形极限图，由图2-5a可知，危险区的应变值降到了安全区域，与图3相比，变形比较充分，起皱现象也基本消除。
图2-5b为零件减薄率分布图，从图2-5b可知，最大减薄率约为25.92%，位于图2-5b中的最亮部位;除法兰外，零件最大增厚率均小于2.27%，这两个指标都在零件的许可范围（减薄率≤30%，增厚率≤5%）内。
图2-5c为零件的等效应变图，由图7c可发现，法兰处，零件的等效塑性应变最小值为3.2%，满足塑性加工零件等效应变不低于3%的要求。
经过上述的模拟优化后，得到了合格的拉深件。
4汽车前纵梁[4]
汽车前纵梁如图1-1所示，该零件的长、宽、高分别约为1346、266和102mm，壁厚为1.8mm。
该零件侧壁陡峭，是一个典型的类U形结构件，成形质量要求较高，且具有材料厚、形状复杂和回弹大等特点。
成形过程中一般采用拉深-切边成形工艺，拉深是该零件成形的关键工序，直接影响产品质量、制造成本及材料利用率。
在赵仕宇的相关文献中，作者针对汽车前纵梁冲压工艺进行研究。
图1-1汽车前纵梁
作者首先利用板料成形非线性有限元分析软件Dynaform中的坯料工程模块进行坯料轮廓线估算，适当处理后，估算的坯料轮廓线如图1-2所示。
图1-2坯料轮廓线
将有限元网格划分采用B-T单元，设置单元的最大值设为10mm，得到有限元模型如图1-3所示。
成形时，模具间隙取板料厚度的10%，压边力设为4×106N，摩擦因数取0.125，冲压速度取5000mm/s。
参数设定好后，作者先进行初次模拟（初次模拟时设置拉深筋），并根据结果中材料破裂、起皱和回弹的原因分析，以便后续优化工作。
图1-3模具的有限元模型
为控制成形过程中零件各部分金属的不均匀变形，根据零件的成形特点、拉深筋的布置原则以及拉深阻力对零件成形结果的影响，将如图1-4所示的前纵梁拉深筋布置位置划分成7段，如图1-4中数字1～7所示位置，并设定5个不同拉深阻力值的拉深筋。
文中压边力采用恒力压边，其取值范围为3．2×106～4．4×106N，摩擦采用库伦摩擦模型，摩擦因数的取值范围为0.1～0.15。
图1-4前纵梁的拉深筋布置位置
文中采用多元非线性回归模型建立压边力、摩擦因数和拉深筋阻力值与破裂目标函数、回弹目标函数之间的非线性映射关系。
利用多元二次非线性回归处理多变量参数与目标函数之间的非线性拟合数学关系方程[5]为:
成形工艺参数与目标函数之间的非线性拟合需要相应的实验样本，为了满足实验样本的均匀性和整体性[6]，样本选用正交试验进行设计，模型的设计变量有7个，每个设计变量分别取4个值，构成7因素4水平的正交试验设计，选用L32（49）正交试验表。
计算结果如表1-1。
表1-1成形工艺参数正交试验表及计算结果
本文采用NSGA-II算法对破裂目标函数和回弹目标函数进行优化，使得通过多元非线性回归所得的破裂目标函数的负数（-dc）和回弹目标函数（ds）同时达到最小值。
优化时设置的参数如下：
进化代数为200，种群大小为50，交叉概率为0.8，变异概率为0.1。
优化完成后取整得到15组Pareto最优解集，如表1-2所示。
表1-2优化后的Pareto最优解集
为验证本文运用多元非线性回归结合NSGA-II多目标遗传算法对成形工艺参数优化的效果，采用有限元法分别对表1-2中的15组成形工艺参数进行数值模拟，发现在保证零件不发生破裂的情况下，第6组数据成形质量较好，其模拟结果如图1-6所示。
图1-6优化后的零件成形模拟结果
由图1-6所示可知，成形后零件内各点的应力/应变值都在安全成形极限线内，零件没有发生破裂，且除工艺补充面和压料面外，零件上没有发生起皱现象，表面质量与最小壁厚有较大提高。
对零件进行回弹分析，得到切边后的零件成形模拟结果如图1-7所示。
由图1-7a所示可知，零件内部所有节点的应变值都在安全成形极限线内，未出现起皱和破裂现象;由图1-7b所示可知，零件最小壁厚为1.285mm，最大减薄率约为28.59%，在许用范围（最大减薄率为30%）之内;由图1-7c所示可知，零件卸载后最大回弹为5.91mm，且出现在较小的局部区域，不会对零件的装配造成影响。
图1-7切边后的零件成形模拟结果
5感想与总结
通过跟着朱老师这几周的学习，原本只对有限元有一点的了解，现在得到了深入的了解数值模拟，我导师的研究方向是现代交通运输钢，而数值模拟在此方向占据越来越重要的地位。
而信息科技的发展，计算机技术现如今已成功应用于生活中的各个方面，数值模拟借助于计算机，能有效的对实验结果进行模拟，采用合适的方法可以很好的使模拟值逼近与真实值。
数值模拟最大的优点就是方便快捷，同时节约时间与成本，并且在工程应用中，很多情况下无法进行实验，数值模拟内部程序有相应的计算方法，能模拟较复杂过程。
从而可以避免试错的损失。
在汽车用钢成形方面，虽然这些实验我们都可以做，但是如果一个一个做实验，很大程度上的浪费人力物力财力，而发展数值模拟，构建完善的资料库，可以提高实验数据利用率，在做实验前进行模拟可以大大缩小实验范围，实验内容，甚至实现一次成形。
数值模拟结果与真实情况逼近与否，关键看使用的数据库与算法，使用者应该能够采用合适的算法，这样结果才能真实有效，才具有使用价值。
我国数值模拟研究与应用层次还比较低，离世界先进水平还差很远，自己编写的优秀的模拟软件很少，应该适当发展这个方面。
参考文献
[1]杨曼云，孙希平，李琦.薄板冲压数值模拟技术在汽车覆盖件制造中的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化，2005（10）；81-83.
[2]王圣波.用数值模拟TRIP600汽车前翼子板成形研究[J].现代制造工程,2012（10）；98-101.
[3]陈涛，高晖，李光耀，等.真空拉延筋参数化建模及其在薄板冲压仿真中的应用[J].中国机械工程，2006，17（10）.
[4]赵仕宇,周超,詹艳然.TRIP600钢板成形汽车前纵梁冲压工艺研究[J].现代制造工程,2014（08）；83-89.
[5]赵茂俞，薛克敏，李萍.多元非线性回归的铝合金覆盖件成形模拟优化设计[J].农业机械学报，2008，39（9）；166-169.
[6]陈吉清，王玉超，兰风柒.基于正交试验的汽车覆盖件冲压工艺参数优化[J].计算机集成制造系统，2007，13（12）；2433-2440.
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