Dynaform车门冲压成形过程仿真与坯料设计DynaformWord文件下载.docx

1、与此同时，为适应日新月异的市场，企业必须不断推陈出新，大大缩短产品的升级换代周期。对于现代制造企业来说，要求企业能够在尽可能短的时间内完成新产品的设计、试制、定型和生产，及时推向市场，在竞争中占据先发优势4。有限元系列软件正是迎合了人们的这种要求，利用有限元软件我们可以帮助工程师和设计人员： 设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本； 提高工模具设计效率，降低生产和材料成本； 缩短新产品的研究开发周期。DYNAFORM不同于一般的有限元程序，它是专为金属板料成形而设计的。它具有非常友好的图形用户界面，可帮助用户很方便地进行准备数据和成形分析。这样，工程师们便可把精力主要集中在工艺分析上，

2、而不是去学习烦琐的计算机系统。DYNAFORM专为大变形问题设计了一个全自动的、优化的网格再划分系统是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理器、模拟器、后处理器三大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、成形条件的输入，建立边界条件，它还包括有限元网格自动生成器；模拟器是集弹性、弹塑性、刚（粘）塑性、热传导于一体的有限元求解器；后处理器是将模拟结果可视化，支持0PGI 图形模式，并输出用户所需的模拟数据。DYNAFORM允许用户对其数据库进行操作，对系统设置进行修改，以及定义自己的材料模型等5。1.2 成形过程仿真研究意义汽车外门板翻边工序仿真的试验,提出了用

3、毛坯反求来确定修边线的方法,实际生产应用表明这一方法是切实可行的。它不同于以往确定修边线都是从解析模式入手,仅仅从理论的角度来分析。因为影响翻边过程的因素很多,包括材料的力学性能、模具与工件之间的摩擦、翻边高度等,在理论分析中很难建立一个能全面考虑这些影响的模型,因而只能对一些简单的翻边零件进行分析。但是在仿真分析中则可以很容易地综合各种因素的影响,运用毛坯反求的方法来确定翻边零件的修边线,整个过程都是在计算机中模拟,因此可以节省大量的人力和物力,对于更好地指导修边模的设计,缩短模具的开发周期具有重要意义。1.3 国内外研究现状与发展趋势1965年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工

4、程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件是诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都

5、进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、易用性可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万的工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的CAE软件主要有DYNAFORM、 NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。MSC-NASTRAN软件因为和NASA的特殊关系，在航空航天领域有着很高的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为基础，兼并了PDA公司的PATRAN，又在以冲击、接触为特长的DYNA3D的基础上组织开发了DY

6、TRAN。近来又兼并了非线性分析软件MARC,成为目前世界上规模最大的有限元分析系统。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的K.J.Bathe8教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。由于其在非线性求解、流固耦合分析等方面的强大功能，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件。 Dynaform软件是其中较为成功的一种它把LSDYNA、LSNIKE3D强大的分析能力与etaFEM

7、B的流程化前后处理功能结合起来通过该软件进行数值模拟可以全面了解板料在变形过程中的应力和应变分布预测各种成形缺陷的出现。纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：与CAD软件的无缝集成，更为强大的网格处理能力，由求解线性问题发展到求解非线性问题，由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解，程序面向用户的开放性。1.3.1 与CAD软件的无缝集成 当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到

8、满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Epigraphic、Solid Edge、Solid Works、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Para solid内核的实体建模技术，能和以Para-solid为核心的CAD软件（如Epigraphic、Solid-Edge、Solid-Works）实现真正无缝的双向数据交换。1.3.2 更为强大的网格

9、处理能力 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的

10、三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。1.3.3 由求解线性问题发展到

11、求解非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解

12、器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。1.3.4 由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得到的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使

13、弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓流固耦合的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。1.3.5 程序面向用户的开放性 随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界

14、条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道8。1.4 研究内容、方法、手段本课题主要研究内容包括以下几个方面： 1.通过有限元软件DYNAFORM对冲压成形过程的仿真选择适合的材料。2.利用DYNAFORM的BSE模块精确的计算毛坯的外形尺寸。3.分析车门外板在冲压成型过程中可能会出现的局部减薄破裂、增厚起皱现象。通过以预测，可以有效的提高产品的生产效率，减少单件的生产成本。本课题选用DYNAFORM软件对车门冲压成

15、形进行数值模拟，因为DYNAFORM对用户的工程背景及理论知识要求并不高，具有界面友好和方便以及操作流程自动的特点。图1.1是应用DYNAFORM进行车门冲压成形模拟分析的方法过程。从PRO/E软件读入几何模型（IGES） 有限元网格划分并进行模型检查（M0dd Check）定义成形工具生成毛坯设置成形参数求解器计算后置处理，分析计算结果得到排样、应力应变和厚度云图图1.1 DYNAFORM软件车门外板成形分析流程图2 板料成形有限元模拟的基本理论及方法2.1 绪论 有限元法（Finite Element Method）是随着计算机技术的发展而出现的一种有效的离散数值计算方法10。目前在很多领

16、域得到了广泛应用，从力学领域发展到电磁学、热传导、流体力学和材料科学等领域。板料塑性成形是利用金属板料在固体状态下的塑性，通过模具以及外力作用而制成零件的一种加工方法，与切削加工等方法相比，板料塑性成形不仅具有更高的生产效率，而且能获得更高的材料利用率。随着计算机技术的发展，数值模拟方法越来越显示出巨大的优越性。为分析板材成形过程的成形缺限问题提供了一种崭新有效的方法。2.2 板料成型有限元模拟的基本方法 数值模拟方法是建立在塑性成形过程力学分析的基础之上的。目前塑性成形的过程分析方法主要可分为两大类：一类是近似的解析计算方法，其中包括主应力法，滑移线法，界限法，功平衡法等。这类方法一般用来计

17、算成形过程所需的力和能。其优点是简便易行并能得到问题的解析解，但只适宜于简单的成形问题。另一类数值成形方法，其中包括有限差分法，有限元法和边界元法。这类方法能用于获得金属塑性成形过程中应力、应变、温度分布和成形缺陷等的详尽的数值解，能用于十分复杂的成形过程。有限元法是目前进行非线性分析的最强有力的工具，因此也已成为金属塑性成型过程模拟的最流行的方法。2.2.1 塑性材料基本假设 金属塑性成形过程中，材料塑性变形的物理过程相当复杂。为此必须做出一些假设，即把变形中某些过程理想化，以便于从数学上进行处理。对刚塑性/刚粘塑性材料的基本假设如下; （1）忽略变形材料的弹性变形; （2）材料均质，各向同

18、性; （3）材料体积不变; （4）不计体力和惯性力;（5）材料的变形流动服从Levy-Mises流动法则。2.2.2 板料成型的理论计算过程汽车外门板成形工艺主要有翻边冲压，翻边时的负载曲线可从保证板坯边缘危险段的变形速度恒定条件计算。过程可分成两个阶段： 形成边缘的圆柱段前； 形成边缘的圆柱段。这时假设，变形源不扩展到板坯与凸模的接触区内，而在第一阶段传递摩擦力区可保持原始板坯的型面。同样假设，边缘的母线长度在整个过程期间为恒定。所采取的假设和在其基础上形成的翻边计算公式已被实验结果证实。在理论分析的基础上得出了下列关系式，它可确定变形速度v、应变力E变速度 和凸模几何参数的相互关系：对第一

19、阶段: 2.1对第二阶段：.2.2式中 r 预孔半径H 凸模行程r 孔边的流动半径h=（v）lnrR 翻边后的半径f 描述凸模母线函数的反函数图1所示为用不同形状端头的凸模翻孔时的负载曲线。对参数H和r解方程2.1和2.2后，当应变速度恒定时变形速度的恒定可通过优化凸模端头的形状来达到。图2所示为对不同速度条件描述凸模最佳母线的函数。 图2.1 用不同形状端头的凸模翻边时的负载曲线图图2.2 描述凸模最佳母线的函数3 有限元软件dynaform综述3.1 基本简介 目前，板料成形分析CAE软件很多，有美国最大的有限元分析软件公司之一ANSYS公司开发的ANSYS，能与多数CAD软件接口，实现数

20、据共享和交换，有瑞士联邦工学院开发，后来成立了AUTOFORM ENGINEERIN公司开发的AUTOFORM，它是一款采用静态隐式算法求解及全拉格朗日理论的弹塑性有限元分析软件，以及由我国吉林大学汽车覆盖件成形技术研究所与吉林金网格模具工程研究中心开发的KMAS软件，还有美国ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板材成形模拟仿真的专用软件，选用DYNAFORM软件对车门冲压成形数值模拟，DYNAFORM对用户的工程背景及理论知识要求并不高，具有界面友好和方便以及操作流程自动的特点。etaDYNAF0RM软件是由ETA公司研制的基于LS-DYNA的板金冲压分析软件包，它把LSDYNA、LSNI

21、KE3D强大的分析能力与etaFEMB的流程化前后处理功能结合起来。etaDYNAFORM分析的求解器是LSDYNA和LSNIKE3D，这两个程序是通用的、非线性的、动态的有限元分析程序，利用显式和隐式计算方法来解决结构及流体等问题，已经成功地应用于板金冲压的数值模拟。DYNAFORM的主要功能包括分析拉伸、成形、弯曲、翻边、切边等板料成形过程中的不同工序，也可以进行多步成形（或多工序加工）分析。通过用户已定义好的冲压工艺及模具曲面形状来预测成形状态，其中包括减薄拉裂、起皱、回弹等各种问题；同时可以对成形力、压边力、拉伸筋、模具磨损等各种工艺问题进行分析，以便优化工艺和模具设计。DYNAFOR

22、M的核心技术包括以下几个方面：动力显式积分算法；板壳有限元理论的研究；本构理论和屈服准则（材料模型）；接触判断算法和网格细化自适应技术；多工步成形模拟技术； CADCAM软件和成形过程模拟CAE软件之间的数据转换技术； 建立有限元模型的若干技巧； 板材冲压成形模拟的一般过程。其主要特点包括前处理，求解器，后处理。3.1.1 DYNAFORM前处理 DYNAFORM具有功能丰富的前处理功能。首先，它具有强大的图形文件导入功能，能够方便而无数据丢失地读入IGES格式文件以及UG，PRO/E，CATIA等主流CAD软件的图形文件，同时用户也可以在DYNAFORM中很方便地创建点，线，面等几何模型。做

23、到从导入几何模型开始到计算结果的获得，无须用户再借助其他工具就可以方便地完成。其次，DYNAFORM具有强大的网格自动剖分功能。它不但可以得到高精度的工具网格，也可以产生出用户所需的四边形网格和三角形网格。用户只需要输入简单的控制参数就可以快速地获得复杂几何曲面网格，并且得到的网格质量非常高，使用户无须花费更多的时间对网格进行再修复，节省了大量的时间。再次，DYNAFORM中的最具需要导入产品曲面，DFE模块可以完成网格剖分，网格边界自动光顺，对称的定义，法兰的展开，冲压方向的调整，内部孔洞的自动补充，各种复杂压料面的产生，压料面的裁剪，各种工艺补充面的设计，拉延筋的设计和网格划分，载荷曲线的

24、定义，模具的定位等一系列功能。方便用户在得到分析结果后对产品零件进行反复修改的操作过程。最后，DYNAFORM中的BSE模块，可以帮用户快速地设计出坯料的形状，并且根据用户的要求提供各种实际应用中常用到的排样结果报告，做到充分利用材料，提高材料的利用率，节约成本。3.1.2 DYNAFORM求解器DYNAFORM的求解器采用了业界非常著名的非线性动力显示有限元分析软件LS-DYNA。LS-DYNA是采用显隐结合的算法进行板料成形模拟的最具有代表性的软件。它采用动力显示求解器模拟冲压成形过程，计算效率高，稳定性强。同时LS-DYNA近几年来加强了隐式算法的开发，并且实现了显，隐式无缝集成的功能，

25、在完成冲压分析后，自动切换到隐式求解器进行回弹分析。在回弹分析过程中，可以采用大的时间步长，提高回弹的计算效率。LS-DYNA包括丰富的材料模型和单元模型，用户可以根据实际冲压的材料选择合适的材料模型和单元类型。此外，LS-DYNA的接触分析功能强大，现在具有40多种接触类型可以求解下列接触：变形体对刚体的接触，变形体对变形体的接触，变形体对刚体的接触，刚体对刚体的接触，板壳结构的单面接触，与刚性墙接触、变形体对刚体的接触、刚体对刚体的接触、板壳结构的单面接触等。因此，借助LS-DYNA强大的求解能力，显式加载隐式卸载等。LS-DYNA是目前业界公认的板料成形模拟结果准确性最好的软件之一13。

26、3.1.3 DYNAFORM的后处理ETA-POST是ETA公司开发的一款专门争对DYNAFORM的后处理软件。它可以方便用户直观地得到求解结果。用户可以用云图显示板料变形后的应力、应变信息，材料的厚度分布信息等。用户可以通过定义任意截面，得到截面上的各种结果信息。在ETA-POST中新增加的GRAP模块，使用户可以利用曲线图表功能显示拉深过程中各种参数随时间变化的曲线，如界面力的变化、拉延筋阻力的的变化、拉深力曲线等。4 汽车门外板的坯料展开仿真过程设计4.1 车门外板的结构及加工工艺简介车门外板是一种平坦的浅拉伸件，材料一般为08AI或合金钢材，料厚不超过1mm的板材，要求外表面光顺平滑，

27、棱线清晰，周边尺寸精度为0.7mm，刚性好。产品轮廓图如图4.1，由于零件成形时凸模表面与毛坯以大平面接触，由于平面上的拉应力很低。材料得不到充分的塑性变形，这对增强零件的刚性不利。在产品a处，为车外观造型而设置的装饰线容易使零件表面边缘在成形过程中产生表面不平。在产品b处，由于内缘翻边较高（H=20mm），如果不采取措施而直接翻边成形，该处零件表面易出现不平；在门扣手C处。由于深度及形状是决定其周围表面质量的主要因素，且此处在成形过程中材料的变形属于胀形，如果外界材料的补 图4.1 车门外轮廓图充不充分，则零件表面易在此处破裂。在临近窗口的下部a处，加反拉伸的凹坑，可以吸收多余的材料，有利于制件表面松驰现象的消除。在零件的下部内缘翻边处,若拉伸时材料未充分变形，翻边后会出现零件表面不平。 综上所述，汽车外车门成形工艺研究主要是翻边，翻边是利用模具把板料上的孔缘或外缘翻成竖边的冲压工艺，翻边工艺可加工形状较为复杂且有良好刚体的立体制件，还能在冲压件上制取与其他零件装配的部位（如螺纹孔和轴承孔等）.翻边可以替代某些复杂零件的拉深工序，改善材料塑性流动以免发生破裂或起皱。用翻边代替“先拉深后切底”的方法制取无底零件，可减少加工次数，并节省材料。孔翻边的工艺参数，翻边底孔的粗糙度直接影响工件质量，如孔边有毛刺存在，就会导致翻口的破裂。因此，冲压的方向直接影响翻边的工艺性。