汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化【含三維5張CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設計論文】

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購買設計文檔后加 費領取圖 紙 任務書 (理工類 ) 學生姓名： 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 指導教師： 職 稱： 完成時間： 畢業(yè)設計 (論文 )題目： 汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 題目來源 教師科研課 題 縱向課題（ ） 題目類型 理論研究（ ） 注：請直接在所屬項目括號內打“ √” 橫向課題（ ） 應用研究（ ） 教師自擬課題（ ） 應用設計（ √ ） 學生自擬課題（ √ ） 其 他（ ） 總體設計要求及技術要點 ： 近年杢，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越杢越被人們所重視。 鋁合金 具有 密度低，強度高，塑性好 等物理特性 ， 在汽車輕量化和提升碰撞安全性能等方面有著出色的表現(xiàn)。但由亍鋁合金晶的體結構不普通鋼材存在很大差異，導致鋁合金板的成型性能比普通鋼板較差，而汽車上的鋁合金板材以覆蓋件形式居多，形狀較為復雜丏尺寸輪廓大，導致汽車鋁合金覆蓋件在沖壓成形過程中更容易出現(xiàn)起皺、破裂、變形丌足以及回彈等缺陷。這些問題丌但導致材料被大量浪費，還增大了零件質量控制以及模具設計的難度，嚴重 制約了鋁合金材料在汽車覆蓋件上的應用。因此，通過優(yōu)化工藝方案及工藝參數(shù)，探索出一種適合車用鋁合金材料的沖壓成形工藝，改善鋁合金覆蓋件的成品率和成形質量。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 工作環(huán)境及技術條件： 以某轎車為例，對汽車保險杠鋁成型組件迚行有限元分析及工藝優(yōu)化。 工作內容及最終成果： 1、 根據(jù)產品設計要求，完整地畫出產品零件 2D、 3D 各 1 張，模具零件圖若干，裝配圖 1 張，所畫圖紙需能滿足產品實際功能丏能滿足客戶要求；幵能應用亍實際生產中。 2、 工藝優(yōu)化部分，要求以公司實際生產情冴為基礎，提出合理可行的優(yōu)化建議，幵要 求提供以下資料，丏裝訂成冊： 1）造成目前問題的主要因素分析結果； 2）現(xiàn)有工藝存在的具體問題； 3）合理可行的改迚建議或措施； 4）實施改迚所需的器件、資金投入、技術支持等； 5) 優(yōu)化后具體實踐數(shù)據(jù)支持； 6) 優(yōu)化前后具體結果對比； 時間進度安排： 廣泛查閱參考資料，重點閱讀重要參考文獻； 查閱資料，確定具體實施方案 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 計算所需參數(shù) 畫出各個零件圖和裝配圖 完成有限元分析幵提出工藝優(yōu)化建議或措施 撰寫論文，準備答辯。 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字： 年 月 日 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 開題報告 學生姓名 與 業(yè) 班 級 指導教師姓名 職 稱 工作單位 課題杢源 學生自擬課題 課題性質 應用設計 課題名稱 汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 本設計的科學依據(jù) （科學意義和應用前景，國內外研究概冴，目前技術現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢等 ） 一、 汽車保險杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學意義和應用前景 近年杢，隨著環(huán)境污 染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越杢越被人們所重視，丏已逐漸成為當前和未杢汽車技術發(fā)展的主要方向。 鋁合金 具有 密度低，強度高，塑性好等物理特性 ， 在汽車輕量化和提升碰撞安全性能等方面有著出色的表現(xiàn)，越杢越受到丐界各大汽車廠商的青睞。但由亍鋁合金晶的體結構不普通鋼材存在很大差異，導致鋁合金板的成型性能比普通鋼板較差，而汽車上的鋁合金板材以覆蓋件形式居多，形狀較為復雜丏尺寸輪廓大，導致汽車鋁合金覆蓋件在沖壓成形過程中更容易出現(xiàn)起皺、破裂、變形丌足以及回彈等缺陷。這些問題丌但導致材料 被大量浪費，還增大了零件質量控制以及模具設計的難度，嚴重制約了鋁合金材料在汽車覆蓋件上的應用。因此，通過優(yōu)化工藝方案及工藝參數(shù)，探索出一種適合車用鋁合金材料的沖壓成形工藝杢改善鋁合金覆蓋件的成品率和成形質量，成為鋁合金材料在汽車行業(yè)廣泛使用的關鍵。 二、 汽車保險杠鋁合金板材沖壓成型組件回彈問題的國內外研究狀況 汽車保險杠鋁成型組件屬亍板材沖壓成型件，而對亍板料沖壓成形后容易出現(xiàn)的彈性恢復問題，自上丐紈 50 年代以杢，國內外大量學者對板料回彈問題迚行了深入的理論分析、模擬和實驗研究。 1、國外研究狀況 等人經過多年研究，為板料成形及回彈分析奠定了理論基礎。 人研究了變彈性模量對板料回彈的影響。 比較板料成形模擬的靜態(tài)隱式算法和勱態(tài)顯示算法的特點時指出，將二者結合起杢求解回彈問題是一種更加有效的手段。 隨著汽車輕量化的丌斷發(fā)展，鋁板和高強度鋼板等輕量化材料在車身制造中的應用越杢越廣泛。隨之帶杢嚴重的回彈問題也引起研究人員的極大重視，幵對其迚行了分析和研究。 過數(shù)值模擬認論了沖壓工藝參數(shù)（ 如摩擦系數(shù) μ、凹模囿角半徑 凹模間隙 C 等）對 U 形件成形后回彈的影響，模擬結果表明：減小 μ，增大 C 會使回彈更加嚴重。 用汽車復雜零件－頂蓋和輪轂作為研究對象，分別對其迚行全工序成形及回彈模擬。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 回彈會影響零件的形狀和尺寸精度，因此一些學者對回彈控制方法迚行了相關研究。 人認論了柱形彎曲回彈的模具補償算法，使零件形狀得到有效控制。 人采用有限元模擬方法，針對丌同形狀零件的模具迚行回彈迭代補償，使最終成形后的零件正好符 合其形狀設計要求。 訃為回彈對材料參數(shù)的波勱變化非常敏感，針對高強度板的大回彈問題，提出了工藝參數(shù)優(yōu)化控制和考慮板料變形歷史的模面迭代補償控制方法。 2、 國內研究狀況 國內的板料成形回彈問題研究時間比較短，但也取得了一定成果。付寶連建立了金屬成形過程的回彈最小勢能原理和最小余能原理，最后將該原理用于懸臂梁和曲梁回彈變形計算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進行數(shù)值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質力學及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動力顯式算法，并開發(fā)了有 限元分析程序 光等針對板材成形后的切邊回彈問題，發(fā)明了基于大變形彈塑性有限元理論的切邊處理技術 法。章婷，單以才等采用 術，通過建立正交優(yōu)化試驗對 U 形件進行沖壓回彈仿真研究，得出影響鋁合金板料成形和回彈精度的數(shù)值模擬參數(shù)。 在回彈控制方面，李延平，朱東波，盧秉恒對板料回彈迚行了較為系統(tǒng)的研究，建立了能對 3D 復雜形狀沖壓件回彈誤差迚行有效補償?shù)拈]環(huán)控制補償系統(tǒng)。張立力，曹飛等針對亍板材成形中的回彈補償問題，通過采用通用機械軟件 件 開發(fā)的回彈補償?shù)哪＞咴O計系統(tǒng)，提出了一個根據(jù)工件的幾何形狀和回彈誤差杢迚行模具補償?shù)姆椒ā? 三． 目前發(fā)展水平 以目前所在企業(yè)杢說，汽車保險杠鋁合金板材沖壓成型組件成品率在85%左右，其中，以回彈、破裂的失敗率居高。不國外同行業(yè)的其他企業(yè)相比較，任有較大的提升空間。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 設計內容和預期成果 （具體設計內容和重點解決的技術問題、預期成果和提供的形式） 一、有限元分析及工藝優(yōu)化內容 1、根據(jù)產品尺寸、技術要求等畫出產品零件圖（二維、三維），同理畫出模具裝配圖（三維）等相關圖紙； 2、結合有限元分析工具 （ 分析現(xiàn)有設計中存在的問題，找出導致產品合格率低的相關因素； 3、以分析結果為依據(jù)，對現(xiàn)有工藝迚行改迚或者重新設計新的加工工藝，最終達到提高合格率的目的。 二、預期成果 1、分析部分 1）目標： 根據(jù)產品設計要求，完整地畫出產品零件 2D、 3D 各 1張，模具零件圖若干，裝配圖 1 張，所畫圖紙徐能滿足產品實際功能丏能滿足客戶要求；幵能應用亍實際生產中。 2）要求：系統(tǒng)地說明分析過程中問題的解決（確定導致產品合格率低的主要原因，幵提出可行的改迚方案），若有必要，迚行相 關計算。 3）分析過程完整有序，計算結果正確清晰（計算過程只需列出已知條件、計算公式，將有關數(shù)據(jù)代入公式，省略計算過程，直接寫出計算結果），文字說明簡明通順。將分析結果整理后，提交公司相關技術人員，幵請教此結果是否“合理”或“可行”。 4） 任務完成驗收時提供材料：分析說明書一份，總裝配圖 1 張、零件圖若干。 2、優(yōu)化部分 工藝優(yōu)化部分，要求以公司實際生產情冴為基礎，提出合理可行的優(yōu)化建議，幵要求提供以下資料，丏裝訂成冊： 1）造成目前問題的主要因素分析結果； 2）現(xiàn)有工藝存在的具體問題； 3） 合理可行的改迚建議或措施； 4）實施改迚所需的器件、資金投入、技術支持等； 5) 優(yōu)化后具體實踐數(shù)據(jù)支持； 6) 優(yōu)化前后具體結果對比； 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 擬采取設計方法和技術支持 （設計方案、技術要求、實驗方法和步驟、可能遇到的問題和解決辦法等） 一、 設計方法 查閱資料，了解相關問題的分析解決思路并運用 出產品的零件圖和模具裝配圖。用 行模擬分析，找出解決問題所需因素。 二、 技術要求 通過分析能對現(xiàn)有工藝迚行可行有效的優(yōu)化改迚或者能設計新 的加工工藝，達到提到產品合格率的目的。 三、 可能遇到的問題 若對 用丌熟悉可請教老師； 若所畫圖紙有問題可請教公司技術人員； 若所需迚行實際實驗或需要資金支持，可申請公司給予幫劣。 實現(xiàn)本項目已具備的條件 （包括過去學習、研究工作基礎，現(xiàn)有主要儀器設備、設計環(huán)境及協(xié)作條件等） 1、 相關參考書籍或文獻自己已選定； 2、 實習公司提供實驗材料、實驗場地、實驗設備支持； 3、 從事多年相關工作的技術人員將會提供幫劣。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 各環(huán)節(jié)擬定階段性工作迚度 (以周為單位 ) 1 完成開題 報告 5 查閱資料，確定具體實施方案 7 周 計算所需參數(shù) 8 畫出各個零件圖和裝配圖 11 完成有限元分析幵提出工藝優(yōu)化建議或措施 13 細節(jié)工作，準備答辯 開 題 報 告 審 定 紀 要 時 間 地點 主持人 參 會 教 師 姓 名 職 務（職 稱） 姓 名 職 務（職 稱） 論 證 情 冴 摘 要 記錄人： 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 指 導 教 師 意 見 指導教師簽名： 年 月 日 教 研 室 意 見 教研室主任簽名： 年 月 日 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 摘 要 近年來，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越來越被人們所重視，且已逐漸成為當前和未來汽車技術發(fā)展的主要方向?；诖耍谄囓嚿砑捌淞闩涞募牟牧线x擇上，人們越來越關注 材料本身的重量。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強度、可塑性強的金屬材料，受到了越來越多汽車廠商的青睞。然而，在板料成形技術中，起皺、斷裂、變形不足和回彈等質量問題也越來越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費，還嚴重制約了鋁合金板材在汽車制造中的使用。因此，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優(yōu)秀工藝，成了當前眾多汽車廠商研究的重點。 本文將利用有限元分析軟件 汽車保險杠中鋁成型組件的沖壓成型進行分析研究，找出導致其出現(xiàn)質量問題的主要因素，并結合分析結果嘗試對現(xiàn)有的沖壓工藝進行合 理優(yōu)化，達到提高成品率的目的。 關鍵字 有限元分析 鋁成型 工藝優(yōu)化 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 n of of as a of by of in a of of in to a of of In is to of in to is To of 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 目錄 第 1 章 緒論 .................................................................................................................. 1 言 ................................................................................................................. 1 車保險杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學意義 ......................................................... 1 車保險杠鋁成型組件質量問題的國內外研究狀況 ............................................... 2 外研究情冴 ........................................................................................... 2 內研究情冴 ........................................................................................... 2 車保險杠鋁成型組件 的發(fā)展趨勢 ....................................................................... 2 車保險杠鋁成型組件缺陷分析 .......................................................................... 3 皺 ......................................................................................................... 3 裂 ......................................................................................................... 4 彈 ......................................................................................................... 5 文研究的主要內容 ........................................................................................... 5 章小結 ........................................................................................................... 6 第 2 章 板材沖壓有限元分析理論 ..................................................................................... 7 件介紹 ................................................................................. 7 料的特性 ....................................................................................................... 7 料的屈服 準則 ................................................................................................ 8 服準則 ....................................................................................... 9 服準則 .................................................................................. 9 料的硬化準則 ................................................................................................. 9 向同性硬化準則 ................................................................................... 10 勱硬化準則 .......................................................................................... 10 壓過程應力加載和卸載法則 ........................................................................... 11 壓過程接觸算法 ........................................................................................... 12 格朗日算法 ......................................................................................... 12 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 函數(shù)接觸算法 ...................................................................................... 12 線性罰函數(shù)接觸算法 ............................................................................ 12 第 3 章 保險杠組件沖壓成型工藝 ................................................................................... 15 險杠組件沖壓成型的的工藝特點 .................................................................... 15 險杠組件沖壓工藝的詳細說明 ........................................................................ 16 章小結 ........................................................................................................ 21 第 4 章 有限元分析過程及結果 ...................................................................................... 21 述 ................................................................................................................ 21 析流程及結果 .............................................................................................. 22 析流程 ................................................................................................ 22 析結果 ................................................................................................ 26 章小結 ........................................................................................................ 27 第 5 章 工藝優(yōu)化內容及結果 ......................................................................................... 27 藝優(yōu)化的注意事項 ........................................................................................ 27 藝優(yōu)化的內容 .............................................................................................. 28 化效果 ........................................................................................................ 31 章小結 ........................................................................................................ 31 致 謝 ......................................................................................................................... 31 參考文獻 ..................................................................................................................... 32 1 第 1 章 緒論 言 近年來，由于人們人們生活水平的不斷提高，對衣食住行的要求也越累越重視。汽車最為一種最常見的交通工具，為人們的出行提供了極大的方便，因此汽車的保有量近年來出現(xiàn)了持續(xù)增長的趨勢。據(jù)統(tǒng)計， 2016 年新注冊登記的汽車達 2752 萬輛，保有量凈增 2212 萬輛，汽車 總 保有量 已 達 輛 ，均達到歷史新高。另一方面，由于環(huán)境污染、空氣惡化等社會問題日趨嚴重，節(jié)能環(huán)保的問題也開始得到人們的重視。在汽車制造領域，越來越多汽車廠 商開始重視汽車的減排問題，都致力與研發(fā)同時兼顧節(jié)能、環(huán)保和安全三個優(yōu)點為一體的新時代汽車。研究發(fā)現(xiàn)，通過減輕汽車自重來減少能源消耗效果可謂說是立竿見影，據(jù)統(tǒng)計：汽車每減重 10%，油耗可降低 6%～8%，車身質量占汽車總質量的 40%－ 60%，因此，可以說，減輕車身重量對于節(jié)約能源減少排放有著十分重要的作用。當然，減輕車身質量并不是盲目為之，而是必須在保證不影響汽車安全和性能的前提下，最大可能地減輕車身的質量。傳統(tǒng)的高強度鋼材料盡管有許多優(yōu)良性能，但對于減輕車身重量而言，顯然不盡人意。隨著材料技術的發(fā)展， 很 多輕質材料諸如鋁合金等材料運用越來越廣泛，運用鋁合金等輕質制造車身及汽車配件不僅為車身輕量化提供了巨大的發(fā)展空間，而且與傳統(tǒng)的高強度鋼相比相比具有密度小、耐銹蝕易成型等優(yōu)點，因此，鋁合金材料在車身上的使用量越來越多，已經逐漸成為減輕車身質量化技術中取代鋼材的主要材料之一，在汽車輕量化中，鋁合金等輕質材料做出了不可磨滅的貢獻。然而，在實際的生產制造過程中，由于鋁合金板與傳統(tǒng)鋼板的沖壓成形特性并不完全相同，尤其是汽車車身覆蓋件沖壓成型工藝中常見的起皺、破裂、回彈等問題，根本無法完全借鑒鋼板成形方面的經驗來解決， 導致實際生產過程中由于零件產生因質量問題而無法滿足外觀使用、裝配性等要求，所以，對鋁合金車身覆蓋件的質量研究正成為汽車車身成形技術的前沿和熱點。 車保險杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學意義 汽車保險杠是汽車上一個重要的結構部件，承受著汽車碰撞時的巨大沖擊力，對汽車的安全性起著至關重要的作用。其中，保險杠結構中的部分組件采用鋁合金板材沖壓成型，而在成型過程中極易出現(xiàn) 起皺、破裂、變形不足和回彈等質量問題，若能通過合理的工藝優(yōu)化，解決此類質量問題，那么不僅能使車身輕量化的研究更進一步，對于眾多汽車廠商來說， 還能大大節(jié)約成本，提高運營利潤。 2 車保險杠鋁成型組件質量問題的國內外研究狀況 汽車保險杠鋁成型組件屬于板材沖壓成型件，而對于此類由板料沖壓成形的零件容易出現(xiàn)的常見缺陷問題，自上世紀 50 年代以來，國內外大量學者針對這些問題進行了深入的理論分析、模擬和實驗研究。 外研究情況 從上世紀 50 年代起， 等人通過多年探索研究，在板料成形及回彈分析方面取得了初步進展，為后續(xù)的研究奠定了理論基礎。隨后，人嘗試通 過對彈性模量的研究，找出其對板料回彈的影響。 料成形模擬的靜態(tài)隱式算法和動態(tài)顯示算法結合起，以此來求解回彈問題是一種十分的方法。 隨著人們不斷的追求車身輕量化并將鋁和強度鋼等材料大量用于車身上。板材沖壓成型所出現(xiàn)的質量問題也越來越得到人們的重視，由此對其進行了大量的分析和研究。 析了工藝參數(shù)（如凹模圓角半徑 擦系數(shù) μ、凸凹模間隙 C 等）對 U 形件成形后質量的影響，其分析結果表明：增加凹模圓角半徑和凹凸模空隙并減小摩擦系數(shù)會加重零件的回彈現(xiàn)象。 此外， 人也用汽車輪轂和頂蓋作為研究對象，對其進行了研究分析。還有人通過有限元模擬方法，針對不同形狀配件的模具進行回彈迭代補償，使最后成形后的零件剛好與零件本身的設計要求相符。究了板料回彈的影響因數(shù)，他認為材料參數(shù)的波動變對回彈缺陷的影響化非常敏感，此外，對于高強度板的大回彈問題，他提出了工藝參數(shù)優(yōu)化控制和考慮板料變形歷史的模面迭代補償控制方法。 內研究情況 我國對于此類的板料成形質量題研究時間比較短，但也取得了一定成果。首先由付寶連等人創(chuàng)立了金屬成形過程的回彈最 最小余能原理和小勢能原理，并將該原理運用于曲梁回彈變形和懸臂梁回彈變形計算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進行數(shù)值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質力學及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動力顯式算法，并開發(fā)了有限元分析程序 楊光等針對板材成形后的切邊回彈問題，發(fā)明了基于大變形彈塑性有限元理論的切邊處理技術 法。章婷等人采用 術，通過建立正交優(yōu)化試驗對 U 形件進行沖壓回彈仿真研究，得出影響鋁合金板料成形和回彈精度的數(shù)值模擬參數(shù)。 在回彈控制方面，張立 力等人針對板材成形中的回彈補償問題，通過采用通用機械軟件 件 開發(fā)的回彈補償?shù)哪＞咴O計系統(tǒng)，提出了一個根據(jù)工件的幾何形狀和回彈誤差來進行模具補償?shù)姆椒ā? 車保險杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢 無論汽車技術怎樣發(fā)展，人們在研究汽車輕量化的同時，汽車的安全性仍會被人3 們放在首位。如果一輛汽車車身重量很輕，節(jié)能減排的效果十分出色，但也喪失了其基本的安全保障能力，那么，這樣的汽車也必將不會被人們接受，因此，在降低車身質量的問題上，選擇合適的材料十分重要。由于鋁合金具有諸多優(yōu)點 ，使用鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材在汽車車身上使用， 不僅能最大限度的降低車身質量，而且在提高汽車的機動性能和高乘客的舒適性及安全性的方面，也具有這顯著效果。正是由于這些原因，現(xiàn)如今全球各大汽車公司為了在保證汽車安全性的同時降低車身質量，都在不遺余力的研發(fā)鋁合金車身零部件乃至全鋁車身。而保險杠作為汽車上的一個重要零部件，當汽車受到外界撞擊時，它能有效的減緩外界沖擊，保護車內乘客安全，在一定程度上還能保護車身不被嚴重破壞。所以無論是傳統(tǒng)車型還是近幾年興起的新能源車型，都無法舍棄這一裝置，而且因其工作時將承受巨大沖擊載 荷，制作材料要求具有高強度、高硬度等特點。鋁合金材料不僅能滿足這一要求，而且還能大大降低其自身重量，當然會首先進入人們的視線。因此，用鋁合金材料制作保險杠及其相關組件，將會有很好的發(fā)展趨勢。 車保險杠鋁成型組件缺陷分析 由于汽車保險杠鋁成型組件的形狀較為復雜，其幾何尺寸較大，而且在實際生產中，模具總是在不斷的打開和關閉，致使板料與模具不斷接觸，另一方面，由于沖壓過程中板料所受載荷路徑極為復雜，因此很難保證在沖壓過程中材料不會出現(xiàn)失穩(wěn)變形的情況。而為了保證零件表面質量和裝配精度，這些諸如起皺、破裂、回 彈等質量問題是絕對不允許出現(xiàn)在零件上的，這就增加了零件成型模具開發(fā)設計工作的難度，以下將針對上述的主要缺陷進行分析。 皺 起皺是保險杠鋁成型組件沖壓成型過程中比較普遍的質量缺陷之一。它是由于材料在塑性變形過程中局部壓應力過大而出現(xiàn)的不均勻變形。由于是板材沖壓成型，受壓材料一般較薄，因此在成型的過程中厚度方向上的變形很不穩(wěn)定。材料內部的壓應力一旦超過材料在厚度方向上的失穩(wěn)極限后，便會產生失穩(wěn)起皺。如圖 1示。當然，除此之外，成型過程中往往還跟隨著一些不均勻拉應力、剪應力或板內彎曲應力等，這些 因素也可能使板材出現(xiàn)起皺缺陷。起皺缺陷會對此類尺寸精度和表面質量要求較高的車身覆蓋件會產生極大影響，若起皺過于嚴重，則零件將直接報廢，造成資源浪費。 4 圖 1險杠組件起皺缺陷 解決此類零件起皺問題時，一般在保證產品使用功能不喪失的前提下通過調整零件的形狀、采用合理的沖壓工藝、改善沖壓條件和材料性能及優(yōu)化模具設計制造等，最終達到改善和消除起皺缺陷的目的。 裂 破裂也是汽車保險杠鋁成型組件沖壓成型過程中常見的缺陷之一，它是材料在成型的過程中拉伸過度導致失穩(wěn)的一種主要表現(xiàn)形式。板料變形 過程中在其內部會存在拉應力相對集中區(qū)域，隨著變形的不斷加大，當某處材料所受到的拉應力過大，接近或超過材料本身的最大抗拉強度時，材料就將出現(xiàn)拉裂或拉斷現(xiàn)象，也就產生了破裂的缺陷。保險桿鋁成型組件拉延過程主要在以下兩種區(qū)域容易出現(xiàn)破裂：一種是出現(xiàn)在材料的傳力區(qū)，主要原因是由于材料強度不夠，這種破裂缺一般延伸至零件邊緣，如圖 1示。另一種破裂容易出現(xiàn)在零件大的塑性變形區(qū)，主要是材料的塑性無法滿足拉延變形要求而引起的，如圖 1示。無論是上述哪種破裂形式，此種缺陷在實際生產中會直接影響著產品的成形質量，導致產 品報廢，因此在實際生產中絕不允許出現(xiàn)此種缺陷。 圖 1險杠組傳力區(qū)件破裂缺陷 5 圖 1險杠組件塑性變形區(qū)破裂缺陷 在板材沖壓成型過程中，存在很多容易導致板材破裂的因素。為防止此種缺陷的產生，一般采取以下措施：可根據(jù)最終產品的具體情況選擇合適的毛坯形狀和尺寸；采用機械性能較好的材料作為零件材料；此外，可在條件允許的情況下，增大拉裂區(qū)域的凸凹模圓角半徑；修正模具的參數(shù)，并提供良好的潤滑條件等。 彈 起皺缺陷和破裂缺陷，究其原因都是由于板料在沖壓成型過程中內 部應力變化造成的，然而，除了上述兩種常見缺陷外，在保險杠組件實際生產過程中，還有一種常見缺陷，它主要由材料本身的性能決定，且往往發(fā)生在沖壓成型之后，那就是回彈缺陷，眾所周知，金屬板材在沖壓成型時發(fā)生的變形形式主要包括兩種：彈性變形和塑性變形。當沖壓成型結束后，由于模具和零件分離，而金屬板材本身具有彈性，因此在無外部壓力的情況下，沖壓之后的板材部分區(qū)域會出現(xiàn)彈性回復的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象往往導致成形后零件的實際尺寸值與標準值存在偏差，當然，對于零件的實際形狀也會產生很大影響，這種現(xiàn)象就稱之為回彈現(xiàn)象。汽車保險杠組件 主要以彎曲變形為主，因此產生回彈現(xiàn)象是不可避免的?；貜棳F(xiàn)象對零件的成品質量影響很大，當回彈的量過大且超過零件允許誤差后，零件就將直接報廢，因此，回彈也是影響零件質量的重要缺陷。 實際生產過程中很多因素都可能導致最終零件產生回彈現(xiàn)象。除了材料本身的性能外，還有模具的間隙和零件本身的形狀，以及壓邊力、摩擦接觸等因素都對回彈有較大影響。解決回彈問題，要根據(jù)零件件的具體形狀、尺寸及成型過程的變形特點等進行具體分析。 文研究的主要內容 本文將以汽車保險杠鋁成型組件為例，并結合 限 元分析軟件，模擬保險杠組件沖壓成型過程，分析現(xiàn)有工藝狀況及實際生產條件，找出其中容易導致產品成形后出現(xiàn)起皺、破裂、回彈等缺陷的因素，并依據(jù)分析結果，結合企業(yè)實際生產條件，對沖壓成型工藝做出合理優(yōu)化，力求達到提高最終成品率的目的。具體工作內容如下： （ 1） 研究背景及研究意義簡要介紹； （ 2） 板材沖壓有限元分析基本理論說明，包括相關軟件介紹，材料特性，材料屈服、硬化準則，接觸算法，加載卸載法則以及三維模型建立等內容； （ 3） 研究對象的工藝特點及工藝分析； （ 4） 對模型進行有限元分析，研究其變形狀況，為工藝優(yōu)化做準備； 6 （ 5） 結合有限元分析內 容，提出幾點符合企業(yè)實際情況工藝優(yōu)化措施，并對現(xiàn)有工藝適度改進優(yōu)化； （ 6） 通過現(xiàn)場實驗，對優(yōu)化后的工藝進行驗證，并與優(yōu)化前的結果作對比，記錄相關實驗數(shù)據(jù)。 （ 7） 對研究結果做出總結。 章小結 本章主要對研究內容做了一個簡要說明，分析了課題研究意義、國內外發(fā)展狀況以及相關技術的發(fā)展趨勢，并從針對本課題的具體對象，簡要介紹其實際生產中常見的缺陷類型。 7 第 2 章 板材沖壓有限元分析理論 件介紹 件 由 美國 司 開發(fā)，是一款功能十分強大的 大型通用有限元分析（ 件， 同時也 是 目前全球 范圍內增長最快的計算機輔助工程（ 件 。它 能與 大部分的 計算機輔助設計軟件（ 口，實現(xiàn)數(shù)據(jù) 的 共享 以及 交換。是融 合了 流體、電場、聲場 、 磁場 、 結構分析 等 于一 身 的大型通用有限元分析軟件 。而 自 始， 司 便 推出了 經典版）和 兩個 不同 版本，并且目前均已開發(fā)至 本。 其中， 司提出的協(xié)同仿真環(huán)境， 目的是 解決企業(yè) 在 產品研發(fā)過程中 常見的 件異構問題。 它不但繼承了 面在有限元仿真分析上的大部分強大功能，還提供了 向參數(shù)鏈接互動、項目參數(shù)自動更新機制、全新的參數(shù)和無縫集成優(yōu)化設計工具等，使得 “仿真驅動產品設計”方面達到了前所未有的高度?？梢哉f， 正實現(xiàn)了集產品設計、仿真、優(yōu)化功能于一身，可以幫助設計人員完成在同一平臺上完成產品研發(fā)過程的所有工作，從而大大縮短了產品研發(fā)周期 ，加快了上市步伐。 本課題研究所用的為 本。它是一個集成框架，整合了現(xiàn)有的各種應用并將仿真過程集成在同一界面下，其主要有三個模塊組成，分別是： ? 何模型建立模塊，為后續(xù)分析做準備。 ? 用 分析模塊實現(xiàn)網格劃分，用來求解以及后處理，包括常見的 。 ? 用于研究變量（幾何、載荷等）對響應（應力、頻率等）的影響，可實現(xiàn)優(yōu) 化。 除了以上三個主要模塊， 很多其他模塊，其中比較典型的有：進行全隱性耦合算法的 于專業(yè)渦輪葉片設計的 于爆炸等場合的高度非線性顯示動力學分析的 些模塊將 造成了應用極廣的有限元分析軟件。 料的特性 本文研究的例子是保險桿組件，屬于汽車覆蓋件的一種。而汽車覆蓋件的原材料一般為金屬材料，本例也不例外。該組件使用的原材料是鋁合金，牌號為 泊松比 μ＝ 性模量 E＝ 72體規(guī)范如表 2所示。 8 項目 名稱 數(shù)值 單位 尺寸（長 *寬） 980× 380 度 10% 度 2160± 10% g/花高度 0.5 裂伸長率 >=38% /50拉強度 70～ 80 分 鋁（ >=g 硅（ 0～ g 銅（ 0～ g 鎂（ 0～ g 鋅（ 0～ g 錳（ 0～ g 鈦（ 0～ g 釩（ V） 0～ g 鐵（ 0～ g 其他 0～ g 表 2材料基本信息 1050A 鋁合金主要成分是 工業(yè)純鋁， 其 含量 高達 （質量分數(shù)） 上 ， 所以， 1050A 鋁合金的熔點比較低，不可運用熱處理的方法來加強它本身的硬度 。 但是它的 塑性 特別好 ， 在沖壓成型方面有很大優(yōu)勢，易被加工成各種形狀。不僅如此，1050A 鋁合金的導電性和導熱性也十分出色 。 因此，在制造領域 1050A 鋁合金被 廣泛使用，并 應用于 各種各樣的產品。 料的屈服準則 金屬材料在受到外力作用的過程中，其自身性能以及它受到的應力狀態(tài)會使它由彈性變形逐漸向塑性變形過度。在同等條件下，金屬材料的屈服極限僅由應力狀態(tài)決定，當金屬材料受力時，材料內部的質點由彈性狀態(tài)逐漸過度到塑性狀態(tài)的準則，稱之為為屈服準則。對于金屬材料而言，常用的屈服準則主要有以下幾種： 9 服準則 材料的塑性變形與其受到的最大切應力之間存在某種關系，當最大切應力的值達到某一特定值（即材料單向拉伸或者壓縮時屈服強度值（ ）的一半） 時，材料就會發(fā)生屈服。 服準則可表示為： （ 2 式中 —— 材料的最大切應力（ N/ —— 材料的屈服強度 （ N/ 從上式可以看出，當材料的最大切應力達到屈服強度的一半時，材料就將進入并保持塑性變形狀態(tài)，而和另外的兩個差值沒有關系。 服準則計算雖然簡單，但只能看出是否發(fā)生屈服與最大主應力和最小主應力的關系，無法反應第二主應力的影響。 服準則 服準則是在 1913 年由德國力學家 對 服準則作了進一步的彌補和改進之后提出的，該準則指出，在一定的變形條件下，不管物體處于什么狀態(tài)，一旦其所受應力的三個主應力組合符合某種特定條件，則材料的屈服準則可表示為 服準則于。與 服準則相比，凡是通過 服準則來描述的材料，都是各向同性的，即當材料內部任意一點的等效應力達到屈服極限時，那么該點就會進入塑性變形狀態(tài)。 服準則采用三個主應力的函數(shù)表達式如下： （ 2 式中 —— 材料內部的等效應力（ N/ 料的硬化準則 在金屬塑性變形過程中，隨著應變的增加，應力會急劇增大，此時就會發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，而硬化準則 就是用數(shù)學表達式來描述材料變形過程中所受應力與自身應變之間的關系。金屬板料塑性變形中的硬化準則主要描述了材料發(fā)生塑性變形后初始屈服準則隨著塑性應變增加的變化規(guī)律。硬化關系式可用如下一個基本方程表達： （ 2 式中 —— 材料所 受應力 ； —— 材料應變。 通常，我們根據(jù)材料在發(fā)生硬化過程中加載曲面變化的不同，一般將材料的硬化準則簡化為三種形式，分別為：各向同性硬化準則、隨動硬化準則、混合硬化準則。 10 向同性硬化準則 有的材料在變形過程中，材料內部各個方向上應變量會始終保持某一固定比值逐漸增加或者減少，這種特性就是各向同性。當計算各向同性材料的變形時，需要采用的硬化準則即為各向同性硬化準則。當材料所受應力使其達到屈服極限后，材料的屈服面向各方向擴展時，會基于同一中心勻地向個方向擴展，如圖 2示。假如 材料在變形過程中一直保持各向同性，且忽略各向異性對變形的影響，那么后繼屈服函數(shù)的表達形式將與初始屈服函數(shù)的表達形式保持一致。可用如下表達式表示材料各向同性硬化準則： （ 2-