基于可控拉深筋技术的高强度钢板拉深性能优化及回弹分析

摘要

在能源短缺和温室效应等环保问题的双重压力下,汽车轻量化步伐不断加快。采用高强度钢板不仅可以实现汽车的轻量化,而且能提高汽车的安全性能,因此高强度钢板等轻量化材料在汽车车身上的应用逐年增加。由于高强度钢板的成形性能一般较普通钢板差,塑性变形能力低,冲压成形时更容易出现破裂、起皱以及回弹等缺陷,因此寻求新的成形工艺方法提高高强度钢板等轻量化材料的成形性能已经成为当前的研究热点。板料冲压成形具有高度的几何非线性、材料非线性、边界非线性等特点,影响冲压件成形质量的工艺参数诸多,主要包括压边力、拉深筋形式及分布方式和润滑条件等。上述工艺参数中,拉深筋是控制材料流动的重要手段,其设计得合理与否是拉深成败的关键,它可以在相对较小压边力条件下提供较大的拉深阻力。国内外学者对拉深筋在板料冲压成形中的作用和影响规律进行了大量研究,但大多限于固定拉深筋的研究,其几何尺寸在整个拉深成形过程中不发生改变,因此固定拉深筋在提供拉深阻力方面基本是恒定的。有研究表明零件的拉深成形过程中如果能够提供可变的拉深阻力,零件能获得更优的应变路径,其拉深性能可以得到改善,在这方面国内外大量研究人员主要是依靠变压边力工艺实现拉深阻力的变化,而对于通过实时调整拉深筋的高度以控制拉深阻力变化的研究工作很少。基于上述研究背景及高强度钢板成形性能低的特点,本文提出一种新的成形技术----可控拉深筋技术,将其应用到高强度钢板成形过程中。在拉深筋几何尺寸中,高度对拉深阻力的影响较大,而且拉深过程中最容易被调节。因此本文提出的可控拉深筋技术是通过实时调节拉深筋高度来改变高强度钢板拉深过程中的拉深阻力,实现提高高强度钢板成形性能的目的。本文以JAC590Y高强度钢板为研究对象,结合数值模拟、优化理论与算法、液压与电气控制等关键技术,通过有限元分析及物理实验的方法,较为系统地研究了可控拉深筋技术对高强度钢板拉深性能及回弹方面的影响规律。主要对下列三个方面进行了研究:
　　 ⑴可控拉深筋技术对高强度钢板拉深性能的影响及优化。①首先对高度阶跃变化的拉深筋与固定拉深筋高强度钢板盒形件进行模拟分析与实验验证,结果表明可控拉深筋在改善高强度钢板拉深性能方面具有综合优势,并验证有限元分析的可靠性；②在可控拉深筋技术中,拉深筋高度变化与凸模行程的匹配运动轨迹对高强度钢板的拉深性能有重要影响。根据拉深过程中成形力的需求特点,设计六种拉深筋形式下的三种不同类型的拉深筋高度连续变化运动轨迹,通过正交试验确定相应的试验方案,采用Dynaform软件进行模拟计算,比较各种类型运动轨迹下的极限拉深深度、应变分布以及流入量状况,确定了最优的拉深筋运动轨迹类型(最优轨迹类型)为上升--停止--下降的轨迹,并得到了影响零件极限拉深深度的主要因素和较佳的因素水平组合；③基于最优轨迹类型得到的数值模拟数据,建立各拉深筋形式下的可控拉深筋运动轨迹与极限拉深深度的GA-BP神经网络,经测试样本验证,构建的GA-BP神经网络具有较好的预测能力,可以代替真实模型预测各因素对高强度钢板拉深性能的影响,通过建立的GA-BP神经网络与拉丁超立方抽样法相结合建立最优轨迹类型的可控拉深筋主要影响因素H1和H2与极限拉深深度之间的响应面；④提出了分区域的可控拉深筋优化策略,研究表明长筋比短筋后上升,或长筋比短筋先下降,高强度钢板的极限拉深深度能够进一步提高,为考虑控制的方便性和材料流动的稳定性,采用短筋和长筋相同的运动速度为宜。
　　 ⑵可控拉深筋技术对高强度钢板成形回弹规律的研究。首先对不同的固定拉深筋高度对高强度钢板回弹的影响状况进行研究,结果表明拉深筋高度对高强度钢板的回弹有较大的影响,随着拉深筋高度增大,回弹量相应减小。然后设计与拉深过程中类似的三种轨迹对 U型高强度钢板冲压件的回弹状况进行分析,研究结果表明可控拉深筋的运动轨迹对高强度钢板回弹量有重要影响,拉深筋上升--停止的轨迹有利于回弹的减小,而有利于高强度钢板拉深性能改善的上升-停止-下降的轨迹对高强度钢板的回弹量减小效果最差。
　　 ⑶可控拉深筋实验装置与控制系统的设计。基于可控拉深筋运动原理与传统的拉深模具结构,设计了可控拉深筋高强度钢板盒形件拉深实验装置,通过该实验装置对固定拉深筋以及高度阶跃式变化的拉深筋进行试验验证。同时,比较驱动拉深筋运动的不同机构形式的优缺点,选择杠杆机构与液压系统联合作用模式,并设计相关的液压与电气控制原理图。通过对可控拉深筋技术的研究,表明该技术可以极大地改善高强度钢板等难成形材料的拉深性能,为高强度钢板冲压成形提供了新的优化途径,同时为该技术应用于实际生产奠定技术基础。本文的研究结果对于拓宽高强度钢板新的工艺研究、扩大高强度钢板材和超高强度钢板的应用范围有着较为重要的学术意义和工程应用价值。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 高强度钢板的应用及成形技术

1.2.1 高强度钢板的研发与应用

1.2.2 高强度钢板成形难点及成形技术

1.3 拉深筋研究现状及可控拉深筋研究

1.3.1 拉深筋的研究现状及优化

1.3.2 可控拉深筋的研究现状

1.4 研究目标与主要内容

1.4.1 研究目标

1.4.2 主要内容

2 拉深筋阻力形成机理及其影响因素研究

2.1 拉深筋概述

2.1.1 拉深筋的分类及其用途

2.1.2 拉深筋的设置原则

2.2 拉深筋阻力形成机理及等效阻力模型

2.2.1 拉深筋阻力形成机理

2.2.2 等效拉深筋阻力模型

2.3 拉深筋阻力影响因素研究

2.3.1 建立有限元模型

2.3.2 高强度钢板成形极限图

2.3.3 试验方案设计

2.3.4 结果分析

2.4 本章小结

3 提高高强度钢板拉深性能的可控拉深筋运动轨迹优化

3.1 可控拉深筋技术原理

3.2 高度阶跃式变化拉深筋研究

3.2.1 有限元模型建立

3.2.2 模拟结果

3.2.3 实验结果及分析

3.3 连续可控拉深筋运动轨迹优化及GA-BP成形性能预测研究

3.3.1 试验设计

3.3.2 GA-BP神经网络

3.3.3 可控拉深筋运动轨迹优化研究

3.3.4 基于GA-BP模型的可控拉深筋对高强度板拉深性能预测及优化

3.4 分区域的可控拉深筋运动轨迹优化

3.4.1 运动轨迹设计

3.4.2 试验方案

3.4.3 结果分析

3.5 本章小结

4 可控拉深筋对高强度钢板回弹的影响研究

4.1 概述

4.2 弯曲回弹基本理论

4.2.1 弯曲回弹表现形式

4.2.2 回弹量计算

4.3 回弹模拟关键技术

4.3.1 计算方法

4.3.2 建模方法

4.3.3 影响回弹模拟精度的因素

4.4 回弹量的评价方法

4.5 基于可控拉深筋的高强度板U型件回弹规律研究

4.5.1 固定拉深筋仿真分析及试验研究

4.5.2 可控拉深筋运动轨迹对高强度钢板的回弹影响研究

4.6 本章小结

5 可控拉深筋模具结构及控制系统的设计研究

5.1 概述

5.2 模具结构及杠杆机构设计

5.3 控制系统设计

5.3.1 控制原理

5.3.2 液压系统

5.3.3 电气控制部分

5.3.4 控制系统元件清单

5.4 本章小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录