1、2018/5/13,1,NUMISHEET标准考题的发展为了促进板料冲压成形仿真的研究和应用，国际上发起了定期召开的板料成形三维数值仿真国际会议NUMISHEET（International Conference on Numerical Simulation of 3-D Sheet Forming Process）分别是： OSU标准考题（1988年）、VDI（德国汽车学会）标准考题（1991年）、NUMISHEET93、 NUMISHEET96、NUMISHEET99、 NUMISHEET02、 NUMISHEET05。,2018/5/13,2,NUMISHEET标准考题的发展 OSU标
2、准考题（1988年）,2018/5/13,3,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET93 （1993年）,2018/5/13,4,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET96 （1996年）,2018/5/13,5,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET2002 （2002年）,2018/5/13,6,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET2002 （2002年）,Forming of Front Fender,2018/5/13,7,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET2005 （2005年）BENCHMARK 1 :,F
3、orming of Front Fender,Springback Prediction of Decklid Inner Panel,2018/5/13,8,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET2005 （2005年）BENCHMARK 2 :,Springback Prediction of A Cross Member,2018/5/13,9,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET2005 （2005年）BENCHMARK 3 :,Channel Draw/Cylindrical Cup Benchmark,View of Specimen A before
4、 binder closure in Stage 2,View of Specimen B before binder closure in Stage 2,2018/5/13,10,板料成形有限元仿真关键技术的发展求解算法动力显式算法（Dynamic explicit algorithm） 静力隐式算法（Static implicit algorithm）一步逆成形算法（One-step Inverse algorithm） 单元技术薄膜单元块单元壳单元本构关系各向同性材料的屈服准则各向异性材料的屈服准则,2018/5/13,11,求解算法冲压成形过程是一个大变形的非线性力学过程。,动力显式
5、算法（Dynamic explicit algorithm）,如果考虑速度和加速度的影响，采用对角化的质量矩阵和阻尼矩阵，考虑t时刻的运动方程，由中心差分法可得到在 时刻的节点位移为,2018/5/13,12,上式即为动力显式算法，每个自由度的位移可以独立求出，但该算法是条件稳定的积分算法，为保证计算的稳定性，时间步长应满足,动力显式增量法最初是为冲击、碰撞问题的仿真而开发的,在有限元平衡方程中包含惯性力的成分。它采用中心差分算法,不需要刚度矩阵的集合,不存在收敛性问题,因此特别适合于计算大型车身覆盖件的成形问题。,2018/5/13,13,它有其固有的缺陷,即为了得到显著的计算优势,必须人为
6、地放大真实的凸模速度,为了抵消由此引起的惯性力,就需要用户在网格大小、质量矩阵、阻尼矩阵等计算参数的选用上积累丰富的经验。,代表性商品化软件有：LS-DYNA，PAM2G/AutoStamp,这类软件计算效率较高,但计算结果因人而异的现象比较普遍。另外,它的回弹计算能力较差，所需模拟时间比较长，一般适合在模具设计最后阶段进行校核。,2018/5/13,14,静力隐式算法（static implicit algorithm）,从理论上讲,增量型静力隐式软件最适合车身覆盖件冲压成形这个准静力问题,计算结果也是无条件稳定的。,它存在致命的收敛性问题,由于接触状态的改变,容易引起收敛速度变慢或发散,从
7、而使计算难以进行下去。另外,计算效率低也是它的一个不利因素。,尽管动力显式软件在当今的车身覆盖件冲压仿真中占主流地位,但还是有许多学者在继续从事静力隐式软件的开发、完善工作。,2018/5/13,15,Ford公司的Tang改进了方程组的解法,从而使计算效率得到较大的改善。,韩国的Yang采用分叉理论来计算起皱问题,从而避免了静力隐式软件在压缩失稳时收敛性差的问题。,为了解决静力隐式算法收敛难和计算效率低下的问题，提出了大步长静力隐式算法，这类软件对冲压过程的高度非线性问题进行了特殊的改进,把弯曲效应和拉伸效应进行分离处理,从而可以采用快速的迭代算法,并改善了收敛性。,2018/5/13,16
8、,代表性商品化软件有：AutoForm/Incremental, Pam2G/QuickStamp,由于采用静力隐式算法,因此网格的自适应细化等级没有限制,网格最小可以达到0.5mm,很大的网格和很小的网格可以共存。,但由于对非线性问题进行了近似处理,因此不能准确地模拟节点接触和脱离工具的过程,对起皱和屈曲的预测结果也往往较差。,由于上述的因素，使这类软件计算效率大为提高 ,非常适合在模具设计初期及其优化设计中应用。,2018/5/13,17,一步逆成形算法（One-Step Inverse algorithm）,采用全量理论,整个成形过程是从最终的车身覆盖件到初始板料(实际上是反向模拟),忽
9、略接触变形历史。,一步逆成形有限元方法示意图,2018/5/13,18,代表性商品化软件有：FastForm, DynaForm/MStep, HyperForm, AutoForm/OneStep,这类软件的最大好处是计算效率很高, 但是由于采用了过多的假设和简化，计算精度还有待提高 。,适合于产品的设计阶段，可以给设计人员提供一些定性的参考,传统的车身设计往往注重于它的动力学性能、美观等方面的因素,对其冲压成形性则很少考虑,借助这类软件可以较好地对车身覆盖件的成形性进行预测 。,2018/5/13,19,有限元仿真软件的分类,2018/5/13,20,有限元仿真软件的分类,2018/5/1
10、3,21,有限元仿真软件的分类,2018/5/13,22,单元技术薄膜单元（薄膜理论），C0型单元，构造格式简单，但忽略了弯曲效应，考虑的内力仅为沿薄壳厚度均匀分布的平行于中面的应力，忽略弯矩、扭矩和横向剪切。块单元（连续介质理论），C0型单元，考虑弯曲效应和剪切效应，格式更简单，但计算时间太长。,2018/5/13,23,壳单元（板壳理论），既能处理弯曲和剪切效应，又不像实体单元那样需要很长的计算时间，因此在车身覆盖件冲压成形仿真分析中常被采用。壳单元大致分为两类：一类是基于经典Kirchhoff板壳理论的壳单元；另一类是基于Mindlin理论的壳单元。BT壳单元就是Belytschko等人
11、基于Mindlin理论开发的计算精度和效率都很高的一种壳单元。,2018/5/13,24,本构关系在板料冲压成形过程中，板料是唯一的塑性变形体，它的应力和应变关系是影响仿真结果可靠性的最重要因素之一。在什么样的复合应力状态下材料开始屈服，这就需要建立屈服准则 第一类：各向同性材料的屈服准则屈雷斯卡（Tresca）于1864年提出屈服准则的概念，他认为：当最大剪应力达到某一极限值时，材料即进入塑性状态。屈雷斯卡条件的数学表达式为,2018/5/13,25,由于屈雷斯卡屈服准则不光滑而产生了数学上的困难，为了简化计算，1913年，Mises提出的屈服准则数学表达式为,k2为一常数，可由实验确定。例
12、如，用单拉实验，可得,2018/5/13,26,第二类：各向异性材料的屈服准则（1）Hill屈服准则1948年，Hill提出了二次屈服准则，若把各向异性主轴作为局部随体正交坐标轴x，y，z的话，Hill正交各向异性屈服函数可表示为,式中F、G、H、L、M、N是材料的各向异性参数，由实验确定。,2018/5/13,27,该准则在描述r值较高的各向异性时比较合适。其它非二次的屈服准则，如Hill (1979、1990、1993) ，Gotoh（1977）、Budianski（1984）等都可以更好的描述铝合金的屈服行为。（2）Barlat-Lian屈服准则 1989年，Barlat和Lian提出新
13、的非二次屈服准则，它可以考虑面内剪切应力，其表达式为：,2018/5/13,28,2018/5/13,29,其中， 是等双拉状态的Cauchy主应力； 是单向拉伸状态的Cauchy主应力； 是纯剪切状态时的屈服剪应力；M是非二次屈服函数指数； 是板料轧制方向和面内垂直于轧制方向的各向异性参数；p值可以通过单拉实验的 求出。,2018/5/13,30,该准则可以有效的模拟板料拉深成形过程中突缘的塑性流动规律，可以模拟突缘出现2、4、6个制耳的现象，全面地反映了面内各向异性和屈服函数指数m对板料成形过程中的塑性流动规律及成形极限的影响。只是该准则只能应用于平面应力状态。,2018/5/13,31,
14、1.2 板料冲压成形的物理现象,冲压过程,2018/5/13,32,2018/5/13,33,冲压成形过程作为一个统一的力学过程，在此基础上，可总结出四大重要物理现象：接触碰撞 接触碰撞现象是十分普遍的物理现象，它是两个物体表面间产生的相互作用的一个过程。接触碰撞过程的计算是最难的工程计算问题之一，因为它涉及一个求解具有未知边界条件的边值问题。,2018/5/13,34,摩擦磨损摩擦是与接触不可分割的一个物理现象，它表现为两接触表面相对运动的阻碍作用。在板料冲压成形过程中，有时利用摩擦，而有时要避免摩擦以达到控制材料流动的目的。磨损是摩擦作用的一种反映，它是模具失效的主要形式，磨损的快慢就决定
15、了模具的使用寿命。,2018/5/13,35,大位移、大转动大变形的出现使线性的应力和应变关系不再有效，大位移和大转动的产生导致物体的构形不断改变，从而需要考虑构形处于变化中的物体的平衡方程。由大位移、大转动引起的非线性问题统称为几何非线性问题。弹塑性变形在冲压成形的加载过程中，工件同时发生弹性和塑性变形，卸载后，大部分弹性变形消失，塑性变形得以保留，何时开始产生塑性变形涉及到材料的屈服准则。,2018/5/13,36,拉裂 拉裂是深冲工艺产生的常见缺陷，根据程度不同可将拉裂分为微观拉裂和宏观拉裂两种情况。消除拉裂方法 降低拉裂区的拉应变值，可采用不同的途径，如调整压边力、改善润滑条件、增加辅
16、助工序等。成形极限图 成形极限图是用来描述材料在给定状态下所能承受的最大应变的情况，如图2.1所示，成形极限图中曲线以下的区域代表成形安全区，曲线以上的区域代表拉裂区。,1. 3板料冲压成形的常见缺陷及产生原因,2018/5/13,37,成形极限图,2018/5/13,38,起皱 起皱是板料冲压成形中另一种常见缺陷，它产生的原因正好与拉裂产生的原因相反，是由于局部压应力过大引起失稳所致。起皱不仅影响零件的精度和美观性，还会影响下一到工序的正常进行。如果起皱严重就可能导致坯料难以通过凸凹模间隙而被拉断。消除方法 增加起皱处的法向接触力。,2018/5/13,39,回弹补偿不当由于冲压件弹性变形的
17、存在，卸载后零件会发生回弹。为了补偿回弹所引起的冲压件的尺寸改变，可以采取调整模具形状和尺寸的方法。做法如下：首先计算出冲压件的回弹量，然后按照该回弹量反方向修正模具。即便如此，仍然存在问题，一是回弹量难以精确计算，另一个是即使回弹量能够精确计算，回弹也很难一次补偿好，这往往是一个迭代过程。,2018/5/13,40,图 2.2 回弹补偿,2018/5/13,41,起皱现象,2018/5/13,42,第三章 覆盖件成形模具设计,3.1概述 定义 汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件。,2018/5/13,43,汽车车身的主要构成部件,1.
18、发动机盖发动机盖(又称发动机罩)是最醒目的车身构件，是买车者经常要察看的部件之一。对发动机盖的主要要求是隔热隔音、自身质量轻、刚性强。发动机盖的在结构上一般由外板和内板组成，中间夹以隔热材料，内板起到增强刚性的作用，其几何形状由厂家选取，基本上是骨架形式。,2018/5/13,44,发动机盖外板,2018/5/13,45,发动机盖外板,2018/5/13,46,发动机盖内板,2018/5/13,47,发动机盖内板,2018/5/13,48,汽车车身的主要构成部件,2.车顶盖车顶盖是车厢顶部的盖板。对于轿车车身的总体刚度而言，顶盖不是很重要的部件，这也是允许在车顶盖上开设天窗的理由。从设计角度来
19、讲，重要的是它如何与前、后窗框及与支柱交界点平顺过渡，以求得最好的视觉感和最小的空气阻力。当然，为了安全车顶盖还应有一定的强度和刚度。,2018/5/13,49,车顶盖,2018/5/13,50,汽车车身的主要构成部件,3.行李箱盖行李箱盖要求有良好的刚性，结构上基本与发动机盖相同，也有外板和内板，内板有加强筋。一些被称为“二厢半”的轿车，其行李箱向上延伸，包括后档风玻璃在内，使开启面积增加，形成一个门，因此又称为背门，这样既保持一种三厢车形状又能够方便存放物品。,2018/5/13,51,行李箱盖外板,2018/5/13,52,行李箱盖内板,2018/5/13,53,汽车车身的主要构成部件,
20、4.翼子板翼子板是遮盖车轮的车身外板，因旧式车身该部件形状及位置似鸟翼而得名。按照安装位置又分为前翼子板和后翼子板，前翼子板安装在前轮处，出于空气动力学的考虑，后翼子板略显拱形弧线向外凸出。现在有些轿车翼子板已与车身本体成为一个整体。,2018/5/13,54,翼子板,2018/5/13,55,汽车车身的主要构成部件,5.车门 车门分为门外板和门内板，包边后即为门总成，应具有一定的刚性。,2018/5/13,56,车门外板,2018/5/13,57,车门内板,2018/5/13,58,汽车车身的主要构成部件,5.前围板前围板是指发动机舱与车厢之间的隔板，它和地板、前立柱联接，安装在前围上盖板之
21、下。前围板上有许多孔口，作为操纵用的拉线、拉杆、管路和电线束通过之用，还要配合踏板、方问机柱等机件安装位置。在发生意外事故时，它应具有足够的强度和刚度。,2018/5/13,59,前围板,2018/5/13,60,汽车车身的主要构成部件,6.轿车身上的三大立柱 一般轿车车身有三个立柱，从前往后依次为前柱(A柱)、中柱(B柱)、后柱(C柱)。对于轿车而言，立柱除了支撑作用，也起到门框的作用。 立柱的刚度很大程度上决定了车身的整体刚度，因此在整个车身结构中，立柱是关键件，它要有很高的刚度。,2018/5/13,61,汽车车身的主要构成部件,7.侧围,2018/5/13,62,侧围,2018/5/1
22、3,63,汽车覆盖件的特点,结构尺寸大形状复杂板料薄：一般由0.7mm至1.5mm的冷轧薄钢板冲压而成,2018/5/13,64,覆盖件成形工艺的要求,1.零件上最大变形区材料的变形量不超过材料的极限变形程度，避免材料被拉裂。2.变形量小的区域材料不发生弹性畸变，成形后零件有足够的刚度。3.防止坯料成形过程中可能出现的回弹、起皱、表面损伤等成形问题 。,2018/5/13,65,由于覆盖件形状复杂，多为非轴对称、非回转体的复杂曲面形状零件，因而决定了拉深时的变形不均匀，所以拉深时的起皱和开裂是主要成形障碍。1.起皱及防皱措施 原因： 覆盖件的拉深过程中，当板料与凸模刚开始接触，板面内就会产生压
23、应力，随着拉深的进行，当压应力超过允许值时，板料就会失稳起皱。 防皱措施： 解决的办法是增加工艺补充材料或设置拉深筋。,覆盖件的主要成形障碍及其防止措施,2018/5/13,66,2.开裂及防裂措施 原因： 是由于局部拉应力过大造成的，由于局部拉应力过大导致局部大的胀形变形而开裂。 位置: 开裂主要发生在圆角部位，开裂部位的厚度变薄很大如凸模与坯料的接触面积过小、拉深阻力过大等都有可能导致材料局部胀形变形过大而开裂 。 防裂措施： 为了防止开裂，应从覆盖件的结构、成形工艺以及模具设计多方面采取相应的措施。,覆盖件的主要成形障碍及其防止措施,2018/5/13,67,覆盖件的成形障碍的防止措施
24、(1) 覆盖件的结构上，可采取的措施有： 各圆角半径最好大一些、曲面形状在拉深方向的实际深度应浅一些、各处深度均匀一些、形状尽量简单且变化尽量平缓一些等。 (2)拉深工艺方面，可采取的主要措施有： 拉深方向尽量使凸模与坯料的接触面积大、合理的压料面形状和压边力使压料面各部位阻力均匀适度、降低拉延深度、开工艺孔和工艺切口等 。 (3)模具设计上 可采取设计合理的拉深筋、采用较大的模具圆角、使凸模与凹模间隙合理等措施。,覆盖件的主要成形障碍及其防止措施,2018/5/13,68,汽车覆盖件传统生产流程,冲压工艺确定,模具制造,产品设计,模具设计,模具调试,产品冲压,根据已有的设计资料和设计者的经验
25、，进行对比分析,成功,不成功,模具报废,2018/5/13,69,覆盖件冲压工艺研究的意义,决定了零件的最终质量以及能否成功生产 。决定了模具制造及调试的难易和周期。决定了零件的生产成本及模具制造成本。,2018/5/13,70,国外汽车界提出了3R战略,缩短产品的市场化周期降低产品开发费用减轻汽车的质量,2018/5/13,71,传统的覆盖件冲压工艺分析和模具设计方法的缺点,模具的开发周期长生产成本高风险大,不能适应汽车业的激烈竞争,2018/5/13,72,车身覆盖件冲压仿真技术走向工业实用阶段,用于产品设计阶段以确保零件具有较好的冲压成形工艺性 用于后期的工艺分析及模具设计中指导模具调试
26、,能大大降低成本，缩短生产周期、提高企业的市场竞争力 。,2018/5/13,73,板料成形极限概念,板料在失稳之前可以达到的最大变形程度成形极限越高，则板料冲压成形性能越好,2018/5/13,74,影响冲压成形性能的材料性能指标（1）,屈服极限 屈服极限小，材料容易屈服，但在压缩类变形时，因易于变形而易起皱 。屈强比 屈强比小说明允许的塑性变形区间大，易于产生塑性变形而不易破裂。,2018/5/13,75,影响冲压成形性能的材料性能指标（2）,延伸率 延伸率大，板料所允许的塑性变形程度也大，抗破裂性能较好。应变硬化指数 硬化指数大时，表示冷变形时硬化显著，对后续变形工序不利， 但由于硬化引
27、起的变形抗力的显著增加，可以抵消毛坯变形处局部变薄而引起的承载能力的减弱，提高变形的均匀性，使变形后的制件壁厚均匀，刚性好、精度高。,2018/5/13,76,影响冲压成形性能的材料性能指标（3）,厚向异性指数 R R值越大，板料抵抗变薄的能力越强，且对于拉压应变状态，R值越大，越易产生变形 。凸耳参数 板平面上出现各向异性，尤其在沿轧制45方向与轧制方向形成明显的差异，方向性愈明显，则凸耳的高度愈大。,2018/5/13,77,影响冲压成形性能的材料性能指标（4）,表面粗糙度 1.粗糙度过大，则变形时的摩擦力较大，容易形成应力集中，对成形性能不利。2.板料表面过于平滑则模具和板料之间的润滑剂
28、很容易被成形时的压力挤走 。,2018/5/13,78,确定最佳工艺方案流程,利用经验对冲压件的工艺性分析,提出各种可能的冲压工艺方案,对相关方案进行计算机仿真,确定出适合于本产品生产的最佳冲压工艺方案,2018/5/13,79,确定最佳工艺方案应考虑内容,确定冲压工序类型确定冲压次数 确定冲压顺序确定工序的组合方式,2018/5/13,80,板料冲压成形仿真技术在工艺与模具设计中所能解决的问题,（1）起皱的预测与消除（2）拉裂的预测与消除（3）回弹的计算（4）压边力的确定（5）毛坯尺寸的计算（6）润滑方案的优化（7）预测和改善模具磨损,2018/5/13,81,在计算机中实现修模和试模有许多独特优点，主要包括如下几个方面：节省时间；节省费用；提高模具使用寿命；提高工件品质；减少废品率；减少原材料浪费；支持新产品的并行工程。,
