汽车覆盖件冲压模具CAD/CAE技术的研究

摘要

加入WTO后，随着全球经济一体化的不断发展，我国汽车业面临严峻的挑战。当前最紧迫的任务是，将先进的科学理论和方法，特别是数字化信息技术应用到我国汽车工业的研发工作中，在技术引进和消化吸收的基础上，建立具有自主知识产权和较强市场竞争力的企业核心技术和开发平台，迅速摆脱我国汽车业受制于国外企业和创新能力低下的局面。在车身制造过程中，覆盖件的设计和模具设计及加工占整个车身设计和加工周期的60％左右，缩短这一时间就意味着加快新车型的开发，缩短产品投放市场的周期。而在汽车覆盖件的冲压过程中，其技术难点是冲压工艺的制定和模具设计，合理的冲压工艺及高质量的模具，不但能提高冲压件质量，还能提高生产率，降低废品率。
　　 本文将逆向工程技术与汽车覆盖件成形过程仿真技术结合，对某车型的前翼子板进行了逆向建模和拉延成形模拟的研究，其主要内容如下：
　　 （1）分析了接触式测量与非接触式测量方法中各种测量方式的技术原理，比较了它们的优缺点，并着重研究接触式测量技术为主的数据采集方式。
　　 （2）数据测量是逆向工程中的首要阶段。本文利用三坐标测量机，结合某汽车公司实际生产的汽车前翼子板，详细论述了点云数据采集流程、技术要点等，而后，在逆向工程软件IMAGEWARE中对覆盖件的点云进行了点云精简、点云去噪等数据预处理工作，通过对翼子板点云数据的预处理，从中摸索出逆向工程数据预处理的一般操作流程，从而减少数据处理的盲目性，提高效率。最后，详细叙述了造型流程及技术要点，主要过程包括曲面重建规划、曲面编辑、曲面整合等，特别对NLJRBS曲线曲面构造的方法、步骤进行了研究，在UG软件中，通过NURBS曲面对汽车翼子板进行了模型重构。
　　 （3）板料成形是一种复杂的力学过程，它是包括几何非线性、材料非线性、接触非线性的强非线性问题。由此可见，一个板料成形数值模拟系统涉及到了多个学科。本课题对冲压成形过程中材料内部的微观结构变化和应力应变状态进行了理论上的分析，介绍了仿真方案的选择过程，并选定的动态显式算法、显式壳单元接触模型进行了研究，建立相应的数学模型，选择合适的材料本构关系、屈服准则，根据计算精度和设计要求，对模具体和板料选择合适的单元类型，将其网格化，最后引入有限元分析软件进行数值计算。
　　 （4）CAE的建模。本文根据板料变形的特点，依据大变形弹塑性有限元理论建立了弹塑性有限元系统。并深入研究了板料成形过程的数值模拟计算的一些关键性技术：屈服准则的选择、单元的选择、接触界面的处理等。最后，根据该覆盖件的实际形状和经验为零件添加了工艺补充面和压料面，并建立了覆盖件的有限元模型。应用EAT公司开发的板料成形模拟软件DYNAFORM，对复杂形状汽车覆盖件的成形过程进行三维有限元数值模拟，分析其冲压成形过程中板材成形性。
　　 （5）翼子板壳成形的拉深过程主要有单次拉深和两次拉深两种，由于单次拉深效率高、模具制作简单，故以单次拉深工艺为研究对象更具有实际意义。通过大量的计算机模拟计算，确定了冲压方向、压料面，工艺补充面、凹模口圆角半径、压边力以及拉深筋的设置等影响成形质量的几个主要因素。如：压边力过小容易产生起皱，而如果过大会使金属流动阻力太大从而产生破裂；拉深筋可以增大进料阻力，有利于斜坡部分的形成，提高了翼子板刚度和减少因变形不足而产生的回弹、松弛、扭曲、波纹及收缩等，防止拉深成形时悬空部位起皱和畸变。通过对比分析各因素对模拟成形结果的影响，确定了它们合适的取值，从而可以对翼子板的成形工艺作出较为合理的优化，提高了该翼子板成形的质量。
　　 综上所述，复杂形状的汽车覆盖件是一种应用广泛而又成形复杂的拉深工件，针对目前对此类零件的数值模拟建立在不同平台和采用不同方法。本文提出一套对此类零件成形过程进行数值模拟的模式化研究方案，将逆向工程技术与汽车覆盖件成形过程仿真技术结合，对于推动我国汽车制造业信息化进行，具有重要的理论意义和实用价值。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 汽车覆盖件成形的特点和要求

1.2 逆向工程技术与CAE技术

1.3 选题目的与意义

1.4 国内外覆盖件模具CAD/CAE研究现状

1.5 本论文的主要研究内容

2 逆向工程技术

2.1 逆向工程中零件点云的获取

2.2 逆向工程造型关键技术

2.3 汽车覆盖件曲面重构

2.4 本章小结

3 汽车覆盖件冲压成形仿真理论

3.1 几何非线性分析中应变和应力的描述

3.2 非线性弹塑性材料的应力应变关系

3.3 冲压成形的求解格式

3.4 本章小结

4 冲压成形工艺设计

4.1 冲压方向的确定

4.2 压料面的确定

4.3 工艺补充面的确定

4.4 拉延筋的确定

4.5 凹模圆角的确定

4.6 本章小结

5 汽车覆盖件冲压成形过程的数值模拟

5.1 DYNAFORM5.6软件介绍及其特点

5.2 汽车覆盖件冲压成形仿真模型的建立及求解计算

5.3 本章小结

6 模具相关参数的优化

6.1 压料面的优化

6.2 工艺补充面的优化

6.3 凹模圆角的优化

6.4 压边力的优化

6.5 拉延筋的优化

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

附录