基于有限元法的保险杠立柱成形回弹分析及其控制

摘要

板料成形技术是一种重要的金属成形方式,广泛应用于工业领域中。起皱、破裂和回弹是板料成形中的三种主要质量缺陷,其中回弹是最难控制的。回弹问题的存在会影响冲压件的形状尺寸精度和表面质量,当回弹量超过零件的允许误差后就成为成形缺陷。特别是近年来高强度薄钢板和铝合金薄板在汽车车身制造中的大量应用,使得回弹问题尤为突出,因此,回弹问题是工业生产中一个实际问题,也是学术界长期关注的热点。保险杠立柱是保险杠上的一个重要结构件,它与前波纹板和底座焊装在一起,承受着汽车在碰撞时的巨大冲击力,因此,保险杠立柱对汽车安全性能方面起着重要的作用。该零件材料采用高强度钢板,主要成形方式为弯曲成形,在成形后会产生较大的回弹,回弹的产生影响了尺寸的精度,进而影响了后续的焊接装配工序。因此,本文研究的主要内容就是通过预测回弹数值,进而优化工艺参数和模具结构来达到控制回弹。在过去,设计者往往通过经验来预估零件成形后的回弹数值,带有很强的主观性。但是,随着金属塑性成形技术的发展,计算机模拟技术正成为改造传统的塑性成形工艺、提高模具设计能力的有力工具和关键技术。数值模拟技术可以预先分析金属在成形过程时的流动情况,预测起皱、破裂和回弹等缺陷的产生,优化工艺方案及工艺参数,可以降低或消除缺陷出现的可能性,达到保证产品质量、缩短产品开发周期的目的。本文采用有限元数值模拟仿真软件DYNAFORM,根据弹塑性有限元的基本理论及处理方法,采用数值模拟和经验设计相结合的方法,对保险杠立柱成形工艺进行了研究。本文首先分析了板料成形中产生回弹的原因,阐述了在回弹研究中所采用的建模方法和计算方法,同时分析了影响回弹预测的因素。然后具体分析保险杠立柱零件的成形工艺性,对可能出现的工艺方案进行对比分析,初步确定了可行的工艺方案,对于不确定的因素,通过数值模拟予以进一步的确定,最终得出优化的工艺方案用以指导实际生产。确定工艺方案后,通过数值模拟分析了金属在成形过程中各种场变量的变化,预测了金属流动的趋势,分析了不同的模具间隙、摩擦系数及模具圆角大小对保险杠立柱成形回弹的影响规律,同时分析了模拟参数,如虚拟凸模速度、模具圆角单元数量等对保险杠立柱成形回弹的影响规律。最后,介绍了回弹控制的一些方法,并利用优化的工艺参数和模具型面补偿法对保险杠立柱的回弹进行了控制,通过实验验证了保险杠立柱回弹规律及控制方法的可靠性,并将研究结论用于其它零件的生产,得到了满意的结果。通过本课题的研究,用数值模拟仿真技术探讨了保险杠立柱回弹的规律,并研究了用模具型面补偿法对保险杠立柱进行回弹控制,最后,根据所确定的工艺方案对各工序模具进行设计,通过实际生产得出了合格的零件。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 回弹计算的研究

1.2.2 回弹控制的研究

1.3 研究方法及内容

1.3.1 研究方法

1.3.2 研究内容

1.4 研究的可行性

2 金属板料成形有限元理论及有限元模拟仿真软件

2.1 板料成形的力学特点

2.2 板材成形数值模拟的有限元方法

2.2.1 求解格式

2.2.2 本构关系

2.2.3 单元模型

2.2.4 接触问题

2.3 有限元模拟仿真软件

2.3.1 板料成形有限元模拟仿真软件Dynaform 简介

2.3.2 有限元模拟仿真软件Dynaform 的主要特点

2.4 本章小结

3 板料成形回弹分析

3.1 概述

3.2 弯曲回弹的力学机理

3.3 板料回弹分析计算方法

3.3.1 板材回弹过程分析建模方法

3.3.2 板材回弹数值模拟计算方法

3.4 影响板料回弹模拟精度的主要因素

3.5 本章小结

4 保险杠立柱零件回弹模拟分析及优化

4.1 保险杠立柱工艺性分析

4.2 保险杠立柱数值模拟与回弹分析

4.2.1 回弹数值模拟流程

4.2.2 有限元模型的建立

4.2.3 工艺参数对回弹量大小的影响规律

4.2.4 模拟参数对回弹量大小的影响规律[22]

4.3 本章小结

5 保险杠立柱回弹控制及模具设计

5.1 回弹控制方法概述

5.2 利用模具型面补偿法控制保险杠立柱的回弹

5.2.1 模具型面补偿法原理

5.2.2 利用模具型面补偿法控制保险杠立柱回弹

5.2.3 模具设计

5.3 本章小结

6 实验研究

6.1 实验目的

6.2 实验过程及结果

6.2.1 实验条件

6.2.2 实验结果及分析

6.3 保险杠立柱回弹规律及其控制方法的推广应用

7 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录