中厚板轿车摇臂件拉深成形数值模拟与分析
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摘要
板材冲压成形作为一种十分重要的制造技术，在汽车、航空、电器和国防等工业中都有广泛的应用。板材冲压成型在汽车制造中尤为重要，因为按重量计算，汽车70%重量的零件是采用冲压成形。板材的冲压成形过程不仅影响汽车外观，更影响汽车制造的成本以及新产品开发的周期，因而影响整个汽车产品的综合经济效益。在冲压成型中可分覆盖件的薄板冲压和大量的中厚板冲压。其中工程中成形件弯曲比较大的区域或厚板料这种大位移及有限应变形的弹塑性问题是不易模拟的，在实际的生产中也存在着大量的问题。
本文为通过对给定件――轿车发动机摇臂件成形过程的模拟，分析了材料参数r值及凹模圆角、压边力对成形的影响及中厚度板拉深成形的特点。得出了针对厚板成形的有限元方法。
本文首先讨论了有限元算法的步骤和有限元算法中单元网格的划分、屈服理论、模拟计算方法的选择、接触的处理、成形缺陷的处理等关键技术。然后分析了薄板成形的有限元法，在此基础上探索中厚板成形的有限元方法。在薄板成形分析过程中，在处理上引入经典的Kirchhoff假定，认为变形前垂直于中面的直线变形后仍保持为直线，并且仍然垂直于中面，这样就忽略了横向剪切效应，因而称为薄壳理论。对于复杂形状的中厚板件拉深，在凹模圆角处单元的弯曲效应明显，不能满足薄壳假设的基本要求。这时如果仍然按薄壳理论来进行分析必然会产生较大的误差。目前应用最为广泛的板壳单元大都是基于Mindlin理论。其考虑转动效应，引入了横向剪切变形，它不仅适用于薄壳分析，也适用于中厚板的分析，并且容易实现与三维实体单元的过渡，为理想的单元模型 。本文的厚板有限元方法引入了厚向各向异性
屈服函数，单元模型则采用了能够有效地反映弯曲效应的Mindlin壳单元，从而建立对复杂形状的中厚板件拉深成形有限元模拟分析算法（动力显式算法），并以轿车摇壁为例，进行了模拟与实际拉深成形对比，得到了弯曲圆角较小时模拟误差较大，弯曲圆角较大时，模拟结果和实际结果有很好的吻合的结论。
本文首先从理论上解释了厚板成形的大位移有限变形过程的有限元理论计算方法。厚板拉深时壁厚的变化是判断起皱与破裂的重要研究对象，产生起皱的主要影响因素有缩减率、摩擦系数、凹模圆角和压边力等。而各因素之间相互制约，为了得到各因素相对变化的关系曲线，找出他们对起皱的影响，最终设计出合理的模具和工艺方案，并得出此类问题的规律，本文中应用CAE软件（DYNAFORM）对轿车发动机摇臂的拉深过程进行了模拟，分析了加工过程中的失稳现象及产生的原因。为了确定每一次模拟结果的实用性和可靠性，需要设计出一系列模具进行试验，采集试验数据，将试验结果与模拟结果进行对比验证。本文是根据已设计的工艺方案设计出相应的模具，用压力机进行冲压试验。轿车摇臂件已经在实际生产过程中实现了稳定生产，但是在工艺方案的确定过程中试验需要制作大量模具和样件，制作周期长，费用高，浪费资源，因此不能对每一个件都做这样的试验。如果能够应用 CAE 软件进行模拟，再通过后处理模块得出相应的关系曲线，就大大简化了试验程序，节约了时间和经费。目前，针对厚板成形成形极限分析的研究还不完善，基于CAE的成形分析报道较少。当前的CAE软件针对薄板成形进行的模拟结果都比较理想，但对厚板成形模拟产生的结果误差较大。
厚板拉深成形应用很广泛，为了找出解决同类问题的简便可行的办法，应用有限元软件对其加工过程进行了模拟。所应用的求解器LS-DYNA，是全世界范围内最知名的有限元显式求解程序，是专门用于板材加工数值模拟的成熟的有限元软件。LS-DYNA时间积分器采用中心差分格式，对未知量显式
求解。它能够模拟加工的全过程，并提取重要的参数，帮助使用者改善模具和工艺参数。LS-DYNA在分析冲压过程时，定义模具为刚体，板料和模具都应用壳单元进行离散。LS-DYNA的单元都采用拉葛朗日增量方法进行描述。冲压过程可以简化为：模具为刚体，模具的运动可直接作为冲压系统的位移边界条件。在给定的模具位移的条件下，求得板料的位移函数，并在任意时刻同时满足动量方程、边界条件和初始条件。这已经是一般性的力学问题，可采用有限元的方法进行求解。本文分析了LS-DYNA的特点和有限元过程模拟的原理，并设计了一系列试验，验证了模拟结果的正确性和可靠性。
在模拟的过程中，需要输入相应的参数，如果参数输入不正确，就无法得出准确的结果。本文讨论了有限元模拟的参数输入方法，从理论上给出了如何计算材料性能参数和时间步长，分析了各个参数的相互关系，解释了输入参数对模拟结果的影响。该数值模拟的参数输入方法，为同类型厚板拉深加工的数值模拟提供了参考。
模拟与试验结果验证了本文给出的厚板大变形弹塑性有限元方法，可以成功的用于厚板拉深成形过程的数值模拟，它将成为今后模拟厚板件成形过程的重要工具和手段，对厚板成形工艺方案的确定具有一定的指导意义。
By simulating forming process of auto engine rocker,I analyse affection of material parameter r、die corner、binder force ,and characteristic of middle-thick sheet drawing forming ,achieve finite element method for middle-thick sheet forming .
Above all ,this thesis discuss step of finite element method ,partition of element gridding 、yield theory 、choice of simulation computation method 、disposal of contact 、disposal of forming bug and so on .Then ,this paper analyse finite element method of sheet and discuss finite element method of middle-thick forming .In sheet forming process ,we import classical Kirchhoff supposition ,consider that line of uprightness middle face before deformation is still line after deformation and plumb middle face .So we ignore transverse shearing impact ,As a result it is called sheet theory .For middle-thick sheet drawing of complicated shape ,there is obvious bend impact at die corner element ,and the basal condition of sheet supposition is not satisfied .Now there is consequentially more error if we still use sheet theory to analyse .Now most universal shell element is all based upon Mindlin theory .It considers rotational impact ,imports transverse shearing impact .It does not apply thin shell analysis ,but also apply middle-thick sheet analysis ,and it is
easy to achieve transition with 3-dimension solid element .It is perfect element model .The middle-thick FEM of this thesis imported anisotropy yield function ,element model adopted Mindlin shell element ,consequently established FEM for complicated shape middle-thick sheet drawing forming .This thesis took example for auto rocker ,compared simulating result with actual forming ,draw a conclusion that the simulation error is more when bend corner is smaller ,the simulation result is according with actual result when bend corner is bigger .
This thesis firstly from theory explained the finite element method of middle-thick sheet big-displacement finite forming .The wall thickness is the important studying object to estimate crinkling or cracking .The major factors are the cutting ratio 、the friction coefficient 、the angle of die 、the ring force and so on ,for these factors conditioned with each other .For achieving the curves of relatively changes ,finding the effect to crinkling ,designing reasonably mould and processing project ,and getting the rule of this kind of problem ,this thesis applied the CAE software (DYNAFORM) to simulate the drawing process of the car-engine rocker ,and analysed the breaking phenomena and its cause .To confirm the practicability and the reliability of the simulating result we designed a series of moulds for trial ,collecting trial data and contrasting the trial data with the simulating result .In this text ,we designed the relevant mould based on the processing project ,and do trial with the pressure .The car-engine rocker had achieved steady production in
actual manufacture ,but in the process of confirming the technics project we need make a lot of mould and sample ,wasted time and resource .If we can use the CAE software to simulate and achieve corresponding relation curve by back-disposal module ,the trials will be very simple ,economize time and outlay .But the research is not perfect for middle-thick sheet forming limited analysis ,the report about middle-thick sheet CAE analysis is infrequent .Now CAE software simulating result is perfect for thin sheet forming ,but is not perfect for middle-thick sheet .So we bringed forward this project for it .
The application of middle-thick sheet forming is very broad .we applied LS-DYNA for finding a viable method to simulate middle-thick sheet forming process . LS-DYNA is most famous FEM software in the world . LS-DYNA is a general purpose finite element code for analyzing the large deformation dynamic response of metal sheet ,which can simulate the whole forming process ,pick up important parameters ,help users to improve the design of moulds and technics parameters .this thesis analysed the characters of LS-DYNA and the theor
本文为通过对给定件――轿车发动机摇臂件成形过程的模拟，分析了材料参数r值及凹模圆角、压边力对成形的影响及中厚度板拉深成形的特点。得出了针对厚板成形的有限元方法。
本文首先讨论了有限元算法的步骤和有限元算法中单元网格的划分、屈服理论、模拟计算方法的选择、接触的处理、成形缺陷的处理等关键技术。然后分析了薄板成形的有限元法，在此基础上探索中厚板成形的有限元方法。在薄板成形分析过程中，在处理上引入经典的Kirchhoff假定，认为变形前垂直于中面的直线变形后仍保持为直线，并且仍然垂直于中面，这样就忽略了横向剪切效应，因而称为薄壳理论。对于复杂形状的中厚板件拉深，在凹模圆角处单元的弯曲效应明显，不能满足薄壳假设的基本要求。这时如果仍然按薄壳理论来进行分析必然会产生较大的误差。目前应用最为广泛的板壳单元大都是基于Mindlin理论。其考虑转动效应，引入了横向剪切变形，它不仅适用于薄壳分析，也适用于中厚板的分析，并且容易实现与三维实体单元的过渡，为理想的单元模型 。本文的厚板有限元方法引入了厚向各向异性
屈服函数，单元模型则采用了能够有效地反映弯曲效应的Mindlin壳单元，从而建立对复杂形状的中厚板件拉深成形有限元模拟分析算法（动力显式算法），并以轿车摇壁为例，进行了模拟与实际拉深成形对比，得到了弯曲圆角较小时模拟误差较大，弯曲圆角较大时，模拟结果和实际结果有很好的吻合的结论。
本文首先从理论上解释了厚板成形的大位移有限变形过程的有限元理论计算方法。厚板拉深时壁厚的变化是判断起皱与破裂的重要研究对象，产生起皱的主要影响因素有缩减率、摩擦系数、凹模圆角和压边力等。而各因素之间相互制约，为了得到各因素相对变化的关系曲线，找出他们对起皱的影响，最终设计出合理的模具和工艺方案，并得出此类问题的规律，本文中应用CAE软件（DYNAFORM）对轿车发动机摇臂的拉深过程进行了模拟，分析了加工过程中的失稳现象及产生的原因。为了确定每一次模拟结果的实用性和可靠性，需要设计出一系列模具进行试验，采集试验数据，将试验结果与模拟结果进行对比验证。本文是根据已设计的工艺方案设计出相应的模具，用压力机进行冲压试验。轿车摇臂件已经在实际生产过程中实现了稳定生产，但是在工艺方案的确定过程中试验需要制作大量模具和样件，制作周期长，费用高，浪费资源，因此不能对每一个件都做这样的试验。如果能够应用 CAE 软件进行模拟，再通过后处理模块得出相应的关系曲线，就大大简化了试验程序，节约了时间和经费。目前，针对厚板成形成形极限分析的研究还不完善，基于CAE的成形分析报道较少。当前的CAE软件针对薄板成形进行的模拟结果都比较理想，但对厚板成形模拟产生的结果误差较大。
厚板拉深成形应用很广泛，为了找出解决同类问题的简便可行的办法，应用有限元软件对其加工过程进行了模拟。所应用的求解器LS-DYNA，是全世界范围内最知名的有限元显式求解程序，是专门用于板材加工数值模拟的成熟的有限元软件。LS-DYNA时间积分器采用中心差分格式，对未知量显式
求解。它能够模拟加工的全过程，并提取重要的参数，帮助使用者改善模具和工艺参数。LS-DYNA在分析冲压过程时，定义模具为刚体，板料和模具都应用壳单元进行离散。LS-DYNA的单元都采用拉葛朗日增量方法进行描述。冲压过程可以简化为：模具为刚体，模具的运动可直接作为冲压系统的位移边界条件。在给定的模具位移的条件下，求得板料的位移函数，并在任意时刻同时满足动量方程、边界条件和初始条件。这已经是一般性的力学问题，可采用有限元的方法进行求解。本文分析了LS-DYNA的特点和有限元过程模拟的原理，并设计了一系列试验，验证了模拟结果的正确性和可靠性。
在模拟的过程中，需要输入相应的参数，如果参数输入不正确，就无法得出准确的结果。本文讨论了有限元模拟的参数输入方法，从理论上给出了如何计算材料性能参数和时间步长，分析了各个参数的相互关系，解释了输入参数对模拟结果的影响。该数值模拟的参数输入方法，为同类型厚板拉深加工的数值模拟提供了参考。
模拟与试验结果验证了本文给出的厚板大变形弹塑性有限元方法，可以成功的用于厚板拉深成形过程的数值模拟，它将成为今后模拟厚板件成形过程的重要工具和手段，对厚板成形工艺方案的确定具有一定的指导意义。
By simulating forming process of auto engine rocker,I analyse affection of material parameter r、die corner、binder force ,and characteristic of middle-thick sheet drawing forming ,achieve finite element method for middle-thick sheet forming .
Above all ,this thesis discuss step of finite element method ,partition of element gridding 、yield theory 、choice of simulation computation method 、disposal of contact 、disposal of forming bug and so on .Then ,this paper analyse finite element method of sheet and discuss finite element method of middle-thick forming .In sheet forming process ,we import classical Kirchhoff supposition ,consider that line of uprightness middle face before deformation is still line after deformation and plumb middle face .So we ignore transverse shearing impact ,As a result it is called sheet theory .For middle-thick sheet drawing of complicated shape ,there is obvious bend impact at die corner element ,and the basal condition of sheet supposition is not satisfied .Now there is consequentially more error if we still use sheet theory to analyse .Now most universal shell element is all based upon Mindlin theory .It considers rotational impact ,imports transverse shearing impact .It does not apply thin shell analysis ,but also apply middle-thick sheet analysis ,and it is
easy to achieve transition with 3-dimension solid element .It is perfect element model .The middle-thick FEM of this thesis imported anisotropy yield function ,element model adopted Mindlin shell element ,consequently established FEM for complicated shape middle-thick sheet drawing forming .This thesis took example for auto rocker ,compared simulating result with actual forming ,draw a conclusion that the simulation error is more when bend corner is smaller ,the simulation result is according with actual result when bend corner is bigger .
This thesis firstly from theory explained the finite element method of middle-thick sheet big-displacement finite forming .The wall thickness is the important studying object to estimate crinkling or cracking .The major factors are the cutting ratio 、the friction coefficient 、the angle of die 、the ring force and so on ,for these factors conditioned with each other .For achieving the curves of relatively changes ,finding the effect to crinkling ,designing reasonably mould and processing project ,and getting the rule of this kind of problem ,this thesis applied the CAE software (DYNAFORM) to simulate the drawing process of the car-engine rocker ,and analysed the breaking phenomena and its cause .To confirm the practicability and the reliability of the simulating result we designed a series of moulds for trial ,collecting trial data and contrasting the trial data with the simulating result .In this text ,we designed the relevant mould based on the processing project ,and do trial with the pressure .The car-engine rocker had achieved steady production in
actual manufacture ,but in the process of confirming the technics project we need make a lot of mould and sample ,wasted time and resource .If we can use the CAE software to simulate and achieve corresponding relation curve by back-disposal module ,the trials will be very simple ,economize time and outlay .But the research is not perfect for middle-thick sheet forming limited analysis ,the report about middle-thick sheet CAE analysis is infrequent .Now CAE software simulating result is perfect for thin sheet forming ,but is not perfect for middle-thick sheet .So we bringed forward this project for it .
The application of middle-thick sheet forming is very broad .we applied LS-DYNA for finding a viable method to simulate middle-thick sheet forming process . LS-DYNA is most famous FEM software in the world . LS-DYNA is a general purpose finite element code for analyzing the large deformation dynamic response of metal sheet ,which can simulate the whole forming process ,pick up important parameters ,help users to improve the design of moulds and technics parameters .this thesis analysed the characters of LS-DYNA and the theor
引文
[1] 钟志华，李光耀，《薄板冲压成型过程的计算机仿真与应用》，北京，北京理工大学出版社，1998。
[2] 钟志华，李光耀，轿车车身冲压成型计算机仿真及应用，《中国科协第9 次青年科学家论坛报告文集》，北京，清华大学出版社，1996。
[3] 罗亚军，杨曦，何丹农，张永清。板料成形中的有限元数值模拟技术，《金属成形工艺》，2000，Vol.18,No.6：1-3。
[4] 板金冲压工艺手册编委会编，《板金冲压工艺手册》，国防工业出版社，1989。
[5] 李尧臣，金属板料冲压成形过程的有限单元法模拟，《力学学报》，1995，Vol.27，No.3：351-364。
[6] 吴勇国，李尚建，李志刚，肖景容，板料成形有限元分析的显式算法，《塑性工程学报》，1995，Vol.2，No.3：31-36。
[7] Owen D R J, Hinton E. Finite element in plasticity theory and practice. London:Pinerige Press Limited,1980 .
[8] 彭颖红，阮雪榆，板料成形数值模拟的关键技术及难点，《塑性工程学报》，1996，Vol.3，No.2 ：19-23。
[9] 王圣平，汽车覆盖件成形过程数值模拟研究，《塑性工程学报》，1996，Vol.3，No.2：41-48。
[10] 徐康聪 黄天泽，模拟板金冲压成形的计算机软件系统，《计算机应用》，1995，Vol.15，No.4：24-26。
[11] 徐成林，朱伟成，李仕华，材料成形数值模拟在汽车复杂冲压件生产中的应用，《汽车技术》，2000(4) :25-29。
[12] Makinouchi. Sheet Metal Forming in Industry. J. Mater. Process. Technol，1996，60 :19-26。
[13] 霍同如 ,徐秉业，宋军，板材成形有限元数值模拟的研究进展，《力学进展》，1996，Vol.26 ，No.4：379-387 。
[14] 蒋镜昱，印雄飞，板料成形过程的数值模拟技术，《模具技术》 , 1998(4) ：17-22。
[15] 柳玉启，板料成形塑性流动规律及起皱破裂回弹的数值研究[博士学位论文]，吉林工业大学 ,1995。
[16] 吴勇国，板料成形过程数值模拟研究[博士学位论文] ，华中理工大学 , 1995。
[17] 郑莹，吴勇国，李尚健，李志刚，肖景容，板料成形数值模拟进展，《塑性工程学报》，1996，Vol.3,No.4: 34-47。
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[20] 王耘，胡树根，张平，板料成形CAE技术， 《模具技术》， 2001.NO.3 ：37-39。
[21] 胡轶敏，林忠钦，徐伟力，张卫刚，陈关龙，秦长灯，蒋浩民，郭瑞权，汪承璞，车身覆盖件冲压成形动态仿真的研究进展，《力学进展》 2000.NO.2：252-271。
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