基于DYNAFORM的轿车后背门冲压成形的仿真模拟

翁怀鹏，张光胜,2，张　雷

(1.安徽工程大学机械与汽车工程学院， 安徽　芜湖　241000； 2.安徽商贸职业技术学院， 安徽　芜湖　241002；3.瑞鹄汽车模具有限公司， 安徽　芜湖　241009)



基于DYNAFORM的轿车后背门冲压成形的仿真模拟

翁怀鹏1，张光胜1,2，张雷3

(1.安徽工程大学机械与汽车工程学院， 安徽芜湖241000； 2.安徽商贸职业技术学院， 安徽芜湖241002；3.瑞鹄汽车模具有限公司， 安徽芜湖241009)

[摘要]文章根据该外覆盖件特点运用CAE软件DYNAFORM进行精模拟，制定关键技术设计的方案，在此基础上，通过拉延筋的综合优化(拉延筋圆角半径和拉延筋筋高等)，达到制件无拉裂、少起皱、小回弹，保证冲压件质量，对实际生产起指导作用.较采用传统的“试错法”设计模具可以降低研发成本，从而增强企业在市场中的竞争力.

[关键词]DYNAFORM；拉延筋；综合优化；成形极限图

常用板料成形模拟软件有很多，包括ROBUST、PRO/MECHANICA、ALGOR、PAM-STAMP、ANSYS、DYNAFORM、AUTOFOR等[1-4].DYNAFORM 是众多板料成形 CAE 分析软件中的一个.它是由美国 ETA 公司开发的用于板料成形模拟的专用软件包，可以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间及试模周期，不但具有良好的易用性，而且包括大量的智能化自动工具，可方便地求解各类板成形问题[5-7].DYNAFORM 要求用户在实际求解中输入高质量的网格，并有诸多控制参数供用户选择使用.在正确掌握这些参数的作用规律后，可以计算得到较好的模拟结果.根据该结果预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹并评估板料的成形性能，因此可以为模具设计者提供帮助[4].轿车后背门(尾门)外板较之一般的冲压件，具有薄而复杂、结构尺寸较大、表面质量要求高、多为流线型空间曲面 、配合协调性高等特点，采用传统方法设计模具，耗时长、成本高[8].

本文通过应用 DYNAFORM 软件对某汽车后背门外板零件进行冲压成形数值模拟分析研究，可比较直观地了解冲压成形的过程和结果.通过多次不同方案的优化、调整模拟参数，找出合理的冲压成形工艺参数并明确拉延筋圆角半径和拉延筋筋高对板件冲压成形性能的影响，达到优化成形的目的，为实际生产后背门外板零件提供重要的指导，从而可以缩短生产研发周期，降低成本，提高零件质量.

1数值模拟步骤

本文采用UG建模，家用轿车后背门外板的的UG模型如图 1 所示. 尽管DYNAFORM 软件自身携带有线和图的操作能力，但往往比较简单，无法造型出复杂的型面，一般作为一个重要补充在前处理中使用.所以，一般都是使用者本人根据其他三维软件建好的模型，再导入到 DYNAFORM 中. 在汽车模具行业中常用的三维软件有 CAD、UG、CATIA 、Pro/E等 .

图1　轿车后背门外板的UG模型(左)及导入DYNAFORM中的网格模型(右)

对于板料的处理步骤如下: 将建立好的几何模型另存为IGES 格式，然后导入DYNAFORM 即可完成模型的导入. 采用网格划分工具(MESHTOOL)，对导入的曲面进行网格划分，一般是网格划分得越小，模拟时间就越长；网格划分过大，模拟结果不准确，所以网格划分大小要适当[3].划分好网格后还要对其进行网格检查，主要看是否有重叠、漏洞、网格的法向是否一致，必要时还要进行修补.板料处理完成后，依次将凸模、凹模、压边圈的UG模型导入前处理中检查修补.在工具以及板料网格都划分好并设置适当的软件和成型参数后，提交求解器计算，花费一定时间计算完成后即可在后处理中打开.d3plot文件进行结果查看和分析.

2试验方案设计

对于外覆盖件的拉深成形及质量控制，方法有很多.如设计合理的毛坯形状并尽量减少毛坯尺寸，拉深时压边力的合理控制，拉延筋合理布置及高度变化，选择适当r值、易屈服、延伸率大的材料等等[7].其中拉延筋的圆角半径和高度变化对板料冲压成形性的影响是本文研究的主要内容.

对于CAE分析员来说，要设计什么样的拉延筋，除了应该满足阻力要求外，还必须要考虑以下几个方面的因素：第一，对单筋来说，其结构简单，便于加工和模具调试时拉延筋的修正；宽度比较小，可以减少模具尺寸；反力较小，所需压边力可相应减少，能降低对模具刚度和设备刚度的要求.第二，对于重筋来说结构比较复杂，加工难度大，宽度相对较大，会增加模具尺寸和毛坯尺寸，且模具调试时拉延筋参数的修正比较困难.因此，一般情况下多选用单筋.

2.1　拉深方案

本文主要考虑在工艺“冲压方向”、模具“压料面”以及“模具结构”等设置确定的情况下，研究拉延筋圆角半径和拉延筋筋高对后背门外板的成形性(主要考虑有无拉裂)的影响.研究的后背门外板的原始CAD图和网格与如图1所示.该汽车后背门外板的具体料厚为0.8 mm，长度为1 300 mm，宽度为1 200 mm以及最大深度差为130 mm.冲压质量要求分别有尺寸精度即保证图纸上的尺寸要求、保证与主模型相符合的形状要求、保证表面无皱纹、滑移线等缺陷的表面质量要求以及保证有足够的刚度等.

在布置拉延筋的位置时，必须根据拉延件形状特点、拉延深度及材料流动特点等情况而定.例如后背门外板为了增加进料阻力，提高材料变形程度，布置原则应为放一整圈或间断的 1~3 条拉延筋.为了增加径向拉应力，防止毛坯起皱，则应在容易起皱的部位设计局部的短筋.为了调整进料阻力和进料量，在拉延深度大的直线部位放 1~3 条拉延筋，深度大的圆弧部位，不放置拉延筋，深度相差较大时，在深的部位不设置拉延筋，浅的部位设拉延筋.

本文所研究的后背门外板的拉延筋为一整圈圆筋和对称布置的两个局部短圆筋(见图1).表1中所列的拉延筋圆角半径和筋高变化量即为图1中左图(或右图)中的左右两侧各布置的一条短的圆筋的参数.试验方案如表1所示.

表1　试验方案

本文设计的方案主要用来研究拉延筋筋高和拉延筋圆角半径对薄板件后背门冲压成形性的具体影响.对于薄板件的冲压成形，拉延筋圆角半径和拉延筋的筋高的确定都不是确定的值.从查阅的资料来看一般以圆角半径3 mm、筋高6 mm左右开始进行CAE计算分析，若计算结果较差则进行适当调整.如结果拉裂则加大圆角半径、降低筋的高度.如结果显示严重起皱则减小半径增加筋的高度；若计算后，结果较好则可采用该参数进行生产.对比方案一、方案二、方案三的结果可以很直观地看出拉延筋圆角半径对后背门外板冲压成形性的影响.对比方案三和方案四的结果可以清晰地看出筋高的变化对后背门冲压成形性的影响.将前两种对比的结果相互对比可以看出拉延筋筋高与拉延筋圆角半径对后背门外板冲压成形性的影响程度.

2.2　拉深成形Drawing的参数设置

采用单动拉延成形，主要冲压成形参数设置如下.

(1)Blank (毛坯)：根据经验以及资料进行毛坯估算尺寸以及考虑到实际应用，采用矩形毛坯，尺寸为1 500 mm×1 500 mm ，放置在模具上，材料选用DC06；

(2)Tools (工具)：包括die (凹模)、punch (凸模)和binder (压边圈)的设置，根据前面的模面设计，软件会自动生产相应的工具，并用不同的颜色显示；

(3)Process (过程)：设置模具运行速度、时间和压边力.模具工作过程分为closing(闭合)和drawing(拉深)两个阶段.闭合阶段凹模速度V=2 000 mm/s，凸模V=0,根据计算设置压边力为F=106N；拉深阶段凹模速度V=5 000 mm/s，凸模速度V=0，压边力F=106N.根据工具之间相对位置，设置好压边圈下行时间和凸模下行时间以及闭合高度和拉深深度.首先凹模先向下运行完成闭合后压边圈压住坯料，然后凹模继续下行进行成形.

(4)Control (控制)：采用系统默认设置参数并选中Selective mass scaling(选择性质量缩放)和Refining meshes(网格重划分)复选框，将Time step size(时间步长)改为合适的数值，该值越小，计算所耗时间越久.

上述参数设置好后，保存后开始进行模拟.本文所设计的四个方案均有一次模拟过程，每一次的模拟，其拉深成形drawing的参数设置均为上述参数.方案一的模拟结束后，模拟方案二的前处理只需将方案一的前处理复制一份，再将凹模与压边圈上的拉延筋圆角半径和拉延筋筋高设置成表1的参数即可.方案三和方案四依次类推.

3数值模拟结果分析

图2所示为成形极限图，它表示板材在不同的应力状态下的变形极限.它用来表示金属薄板在变形过程中，在板平面内的两个主应变的联合作用下，某一区域发生减薄时，可以获得的最大应变量.板平面内任意两个主应变的组合，只要落在成形极限图中的成形极限曲线之上，薄板变形时就会发生破裂，反之则是安全的.每一种材料的成形极限曲线一般都是由试验获得.成形极限曲线试验的数据一般都是分散的，形成一定宽度的条带，称之为“临界区”，处于临界区的薄板有濒临破裂的危险.成形极限图是判定和评定板料成形性能的最为简单和直观的方法，是解决板料成形问题的一个工具.

计算完成后，进入DYNAFORM的后处理程序界面，在后处理中打开拉深模拟所得到的结果文件d3plot，就可以对模拟结果进行分析与评价.下图是上述四个方案模拟所得结果的成形极限图.从上面四个图可以看出，四种方案下，板料都有处于破裂区的部分.但是仔细看方案一和方案二的成形极限图，可以看出该两个方案皆是不可取的.成形极限图上，破裂区很分散，表示CAE计算并未完成就终止了.方案三和方案四对比前两个方案，有一个明显的改善——就是破裂区的分散度变小了.这说明增加拉延筋圆角半径效果是很好的，可以明显减少进料阻力.再看方案三和方案四，很明显方案四的结果更加可靠一点.两者模拟条件的差别仅在于筋高不同，方案四的筋高较方案三降了1 mm，其成形极限图就不错了，虽然有处于破裂区的部位，但这还不能判定其破裂，还得看模拟结果的网格形状以及减薄率的大小.

图2　四种方案模拟结果的成型极限图

图3为四种方案的模拟成形云图.模拟成形云图结合成形极限图和变薄率可以帮助我们直观地看到板料的具体情况，确定板件在拉深后的确切状态.对板料单元进行拉深成形时，各部分的拉裂起皱状态以及网格的形状都会反应在模拟云图中.在大多数CAE仿真模拟中，板料的变形不会完全处于安全区域内，但只要关键部位满足条件且其他部位没有大的风险即可满足.若大多数变形区在安全区内并且伴随有拉伸不足，表明仍有继续拉深变形的潜力.若有部分单元处于红色区域且网格形状发生严重拉长或者其他异变，则肯定会发生拉裂；若有部分网格单元处于红色区域但是网格形状没有变化，再结合变薄率比较小，表明该处网格正常，板件质量有保证.

图3　四种方案模拟成形云图

分析上述成形云图能够得出，方案一和方案二明显拉裂，计算异常终止，其最大减薄率分别达到93.825﹪和92.735﹪ 可以证实该形态.方案三虽有改善但并不明显，其最大减薄率也达到了86.258﹪，结合网格变形严重，故可判断明显拉裂.方案四的成形云图可以明显发现区别，网格形状保持地较好，并没有被拉长的异样网格且最大减薄率变为35.011﹪，是可以接受的.综合分析可以看出，根据成形极限图所反映的与实际情况一致.

4结语

基于DYNAFORM的数值模拟分析技术，以典型汽车覆盖件轿车后背门外板为例，探讨了CAE仿真分析过程中的具体问题，得出FLD图和四种方案的成形模拟云图.基于理论DYNAFORM分析技术的求解结果可以指导轿车覆盖件零件的实际冲压成形，能有效地解决模拟后模具的形状参数化调整问题，从而节省大量时间和成本，提高设计的可靠性[8].通过零件的CAE仿真分析，可以预计覆盖件在成形时所需的有关拉延筋方面的各项参数，较之实际采用压力机进行冲压试验具有难以比拟的优越性.目前，CAE仿真分析技术还处于不断完善阶段，随着计算机技术和有限元理论的进一步发展，CAE数值分析技术将能够更迅速、更真实地反应冲模成形过程中的各种问题，从而能够更好地指导生产实践[6].

通过上述模拟试验研究与分析，针对拉延筋的综合优化使得板料成形时避免拉裂可以得出以下结论：拉延筋圆角半径和拉延筋高对板料成形是否拉裂均有影响，其中拉延筋筋高的影响更为显著，降低筋高所带来的进料阻力的减少也更多；在模拟中出现明显破裂时，应优先考虑降低拉延筋筋高，得到较好的结果后再通过增加拉延筋圆角半径进一步优化模拟结果.

[参考文献]

[1]焦学健,柴山,孔祥贵.轻型载货汽车驾驶室顶部覆盖件成形过程的计算机仿真[J].拖拉机与农田运输车,2008(10)：53-54.

[2]阳意慧,刘强,阮锋,等.用DYNAFORM软件预测冲压工序[J].新技术新工艺,2006(4)：41-43.

[3]陈文亮.板料成形CAE分析教程[M].北京:机械工业出版社，2005:58-61.

[4]雷正保.汽车覆盖件冲压成形CAE技术及其工业应用研究[D].长沙:中南大学，2003:104-107.

[5]陈小芳，扶名福，袁志军.DYNAFORM数值模拟技术在汽车覆盖件成形中的应用[J].热加工工艺，2009(11):89-92.

[6]郭敏杰,曾珊琪.基于DYNAFORM的汽车纵梁工艺分析及冲压数值模拟[J].热加工工艺，2011(5):112-114.

[7]卢军平,芮延年.基于DYNAFORM对电视机后盖成形的数值模拟研究[J].模具工业，2010，36(11)：16-19.

[8]徐金波,董湘怀.基于有限元分析的汽车覆盖件模具设计及优化[J].锻压技术，2004(1):63-67.

(责任编辑吴强)

Stamping simulation of the car back door based on DYNAFORM

WENG Huaipeng1, ZHANG Guangsheng1, 2, ZHANG Lei3

(1. College of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China;

2. Anhui Business College,Wuhu Anhui 241002,China; 3.Rayhoo Eg. Inc. Ltd, Wuhu Anhui 241009, China)

Abstract：According to the characteristics of the outer covering parts, the CAE software DYNAFORM was used to simulate, and the key technology in the design scheme was developed. Based on this, through the comprehensive optimization of draw bead (draw bead radius and draw bead muscle higher), no cracking, less wrinkled, small rebound were achieved, to ensure the quality of stamping, playing a role of guidance for practical production. The use of the traditional trial and error design mold can reduce development costs, thereby increasing the enterprise competitiveness in the market.

Key words：DYNAFORM; draw bead; integrated optimization; forming limit diagram

[中图分类号]TG386.2

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2015)05-0087-05

[作者简介]翁怀鹏(1990—)，男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事机械与汽车工程方面的研究.

[收稿日期]2015-04-21