汽车后备箱底板覆盖件成型的有限元分析

徐淑波，薛现猛，任国成，景财年

(1. 山东建筑大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250101；>2. 华中科技大学 材料成型与模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

0 引言

随着汽车制造业的飞速发展，汽车车身的款式、制造成本以及汽车质量成为能否迅速占有市场的决定性因素。汽车覆盖件应用多、模具设计复杂，在汽车制造中至关重要。传统的汽车覆盖件试模存在模具制造周期长、生产效率低、成本高等一系列问题，已经不能满足现代生产的需要[1-3]。

板料成型有限元理论的完善和计算机软件辅助技术的成熟，使得用计算机对汽车覆盖件的冲压成型过程进行模拟成为可能，并且被普遍应用于工业生产[4-7]。汽车覆盖件具有结构尺寸大、形状复杂、材料薄及精度高等特点，并且成型过程非常复杂，变形规律不易把握，很难准确地给出一组工艺设计和模具设计参数。

目前许多研究通过改变一两个影响汽车覆盖件成型过程的参数来获得模拟结果，然后得出一套用于指导工业生产的参数。但是，金属板料的成型受到许多参数的相互影响，数值的微小变化可能会造成较大的影响，导致模拟结果不太准确[8-11]。本研究以汽车后备箱底板为例，首先建立有限元模型并对其成型工艺进行改进，然后研究工艺参数(如毛坯尺寸、拉延筋、压边力等)对覆盖件成型质量的影响。通过塑性成型数值模拟软件Autoform对汽车覆盖件的成型性能进行研究，得到了合理的工艺参数表，可以有效地预测成型过程中的各种缺陷，对保证覆盖件成型质量、减少材料消耗、降低制造成本、缩短产品开发周期具有重要的意义。

1 有限元模型的建立及工艺设计

1.1 建立有限元模型

采用UG软件对汽车后备箱底板覆盖件进行三维数据建模。图1是覆盖件的三维模型，零件材料为DC04，料厚为0.8 mm，材料力学性能如表1所示。该覆盖件外形复杂，曲面较多，存在反拉伸,并且拉伸深度较大，侧面与上表面，以及底面与侧面之间的圆角半径较小，台阶较多，成型非常困难。

图1 覆盖件模型

表1 材料的力学性能

覆盖件在汽车中是对称分布的，所以为了保证成型质量，采用两个零件对称放置，同时成型的方法。利用Autoform进行分析的一般步骤如图2所示。

图2 Autoform工艺分析一般步骤

1.2 零件的工艺设计

在拉伸时，冲压方向的确定一般要遵循以下几个原则[12-14]： (1)保证将工件一次拉伸完成，要保证凸模与凹模的工作面的所有部位都能接触，避免存在死角或死区；(2)拉伸开始时，凸模对应两侧的材料的拉入角尽量相等，压料面各部位进料阻力均匀；(3)应尽可能减小和均匀拉伸深度。

根据以上设计原则，确定本覆盖件的冲压方向如图3所示。

图3 该覆盖件的冲压方向

零件的工艺补充面设计给覆盖件创造了一个良好的拉深条件，工艺补充部分的确定一般要满足以下几个原则[12，15]： (1)拉伸深度浅，防止产生开裂；(2)尽量采用垂直修边；(3)工艺补充部分占的比重小，以降低生产成本；(4)定位可靠，以保证后续工序如修边、翻边等的质量；(5)要考虑凸模对毛坯成型条件的影响。为了提高后续的模拟效率，工艺补充部分是在UG中完成的，工艺补充面设计完成后的拉伸模面如图4所示。

图4 工艺补充面设计

为保证良好的拉伸条件，压料面设计一般要遵循以下原则[12，14]： (1)料面的形状应当尽量简单，能平稳地贴紧凸模，以防止产生褶皱；(2)压料面尽量设计成水平状态，以提高覆盖件拉伸时的可成型性；(3)压料面形状还要确保毛坯定位的一致性和可靠性，确保送料取件方便；(4)在满足压料面合理的基础上，压料面占工艺补充面的比例应尽量小，以提高材料的利用率，降低成本。本覆盖件的压料面设计也是在UG中完成的，如图5所示。

图5 工艺补充后零件的形状

2 有限元分析及优化

首先利用Autoform中的Blank generator模块对零件进行毛坯尺寸展开计算，根据经验对压边力和拉延筋的深度进行初始化，原始参数见表2。然后，分别通过改变毛坯尺寸、压边力、拉延筋的类型和深度对零件进行计算机模拟，并且对结果进行分析，最终找到最优的参数。

表2 覆盖件模拟原始参数

2.1 毛坯尺寸对拉深件质量的影响

毛坯的尺寸和形状对板料的成型效果有着重要的影响，合理的毛坯尺寸和形状能提高板料成型的质量，避免拉伸件起皱和开裂等缺陷的产生。而且合理的毛坯尺寸和形状降低了拉伸所需的冲压力，降低了成本，减少对模具的磨损，提高模具使用寿命。在其他参数不变的情况下通过改变毛坯尺寸的大小对零件进行分析，最后找到一组合理的毛坯尺寸。图6是几个典型的模拟结果，由图6(a)，6(b)可以看出，毛坯尺寸太大，在冲压过程中，毛坯边缘及形状复杂区域会产生开裂等缺陷；由图6(c)，6(d)可以看出，毛坯尺寸太小，毛坯颜色深的位置容易起皱。经过反复模拟分析后，选用的毛坯尺寸为608 mm×470 mm，后备箱底板覆盖件的成型性能较好。

(a) 毛坯尺寸(564 mm×442 mm)

(b) 毛坯尺寸(550 mm×400 mm)

(c) 毛坯尺寸(520 mm×350 mm)

(d) 毛坯尺寸(560 mm×370 mm)图6 毛坯尺寸的影响

2.2 拉延筋对拉深件质量的影响

添加拉延筋是调节和控制压料面作用力最有效的方法，被广泛使用在板料冲压拉延成型中。拉延筋可以使用真实拉延筋，也可以设置等效拉延筋。如图7(c)、7(d)所示，真实拉延筋能更好地反映实际生产中拉延筋部位的流动阻力状态,但在模拟过程中会对模型造成严重的开裂，且由于其网格尺寸小,会大大降低临界时间步长,从而导致计算时间的增加且不容易对其进行修改,故在Autoform 软件中采用等效拉延筋来代替真实拉延筋,以提高计算速度。该结构简单，为了便于加工和模具调试时拉延筋的修正，本文的虚拟拉延筋选用单筋， 该类型的拉延筋设置并不在零件的CAD模型中直接显示拉延筋的实际形状，而只是在有限元数值运算的时候考虑拉延筋的影响，并反映在成型仿真的结果上。其模拟结果如图7所示。为提高拉延阻力，拉延筋的高度应取大一些，来提高冲压件的形状精度和刚度。如图7(a)所示，拉延筋高度为15 mm，图中顶部出现开裂缺陷，在多次模拟分析后确定拉延筋高度为7 mm时，成型性能最佳。

(a) 拉延筋深度为15 mm

(b) 拉延筋深度为8 mm

(c) 采用实体拉延筋

(d) 采用虚拟拉延筋图7 拉延筋的影响

2.3 压边力对拉伸件质量的影响

压边力作用在压边圈上，压边力的大小直接影响板料的流动速度，所以合理的选择压边力可以使模拟结果更加优化。当其他条件不变时，分别对压边力为30 t和50 t的情况进行了模拟，其结果如图8所示。由图8可知： 在本课题中，压边力的大小对模拟的影响很小，只是起皱(深色区域)有所减少。

(a) 压边力为30 t

(b) 压边力为50 t图8 压边力的影响

3 最终参数的确定

通过改变毛坯尺寸、拉延筋阻力和压边力，对拉延件进行了大量的模拟，发现仅改变一个参数是无法得到理想的拉延件的。工艺参数相互影响，只有同时改变不同的参数，才有可能得到一组最优组合。通过反复模拟得到了一个理想参数表(见表3)。采用最优参数进行最终模拟。汽车后备箱底板的减薄如图9所示，变薄率远低于材料最大变薄率，成型性能良好，符合工程实际要求。

表3 覆盖件模拟最优参数

图9 板料变薄率

如图9所示，覆盖件没有出现起皱、拉裂等现象，其成型性能如图10所示，拉延成型FLD图如图11所示，图中红色部分表示开裂，橙色部分表示减薄率过大，黄色部分表示断裂风险，蓝色部分表示安全，灰色部分表示拉深不足，紫色部分表示增厚。在图10和图11中没有发现任何起皱和破裂，该参数在实际生产中得到应用，发现板材成型效果非常好，完全符合加工要求，所以参数设置合理，能够用于指导生产。

图10 板料的成型性能

图11 拉延成型FLD

4 模具优化设计

覆盖件模具按其所实现的功能一般分为成型模(拉深、翻边、压弯)、刃口模(落料、修边、冲孔)和成型刃口复合模。本研究只对该覆盖件的拉深模具进行设计分析。在结构优化分析方面,分别改变毛坯尺寸、拉延筋以及压边力，并进行数值模拟。基于后备箱底板覆盖件的拉深成型数值模拟结果,选择将成型结束时刻的荷载映射到拉深模具结构优化的有限元模型上,并利用OptiStruct的拓扑优化技术,对拉深模具结构进行优化，依托 UG 软件进行模具修正。通过优化设计模具结构参数，配合所选取的成型工艺参数值，可以减少模具生产制造周期中的反复整改及模具加工，提高了覆盖件模具的生产效率和质量稳定性。此外，通过模具结构优化研究，为实现类似覆盖件模具的减重提供了一定可能性。最终在优化结果的基础上设计出新模具结构，如图12所示。

图12 拉深模具总装配1—导套；2—导柱；3—上模座；4，5，6—凸模；7—固定板；8—卸料板；9—定位螺钉；10，11—紧固螺钉；12—定位销；13—下模座；14—顶板；15—压边圈；16—垫块；17，18—紧固螺钉；19—支撑块；20—导杆

5 结论

以汽车后备箱底板覆盖件为研究对象，通过有限元分析对覆盖件成型性能的影响因素进行了研究，结论如下。

(1) 研究了毛坯尺寸、拉延筋以及压边力的变化对覆盖件成型性能的影响，没有发现任何起皱和破裂，符合加工要求，参数设置合理。

(2) 模拟分析时采用等效拉延筋来代替真实拉延筋，既保证了材料受到与真实拉延筋相同的阻力，又避免了采用真实拉延筋时造成的细小网格，节约了计算时间。

(3) 通过拓扑优化技术对覆盖件模具工作零件进行结构优化，发现模具节点所受作用力最大，即模具最容易发生破坏，最终在优化结果的基础上设计出新模具结构。