基于Dynaform的车身覆盖件成形数值模拟

陈桂华，张群威

（漯河职业技术学院，河南 漯河 462002）

随着车型更新换代的速度加快，依靠经验的车身覆盖件冲压模具设计方法已无法满足实际生产的需要。塑性成形理论的飞速发展以及计算机技术的广泛应用使冲压仿真作为一个有力工具进入工业界。冲压仿真使汽车模具生产由经验上升到理论，大大缩短了车身覆盖件的成型周期、提高了车身覆盖件设计质量，为加速车型更新换代创造了很好的条件。

1 动态仿真系统的关键技术发展

有限元法是一种高效的用于数值计算的方法，用近似函数插值表示未知场函数在各个节点的数值，进而把连续的无限自由度问题转换成了离散有限自由度问题。

1.1 求解格式

冲压成型时一个及其复杂的力学过程，为实现动态仿真通过以下两种途径建立有限元格式：完全的Lagrangian格式（即T.L.格式）和更新的Lagrangian格式（即U.L.格式）。针对冲压成型过程的特点采用U.L.格式来建立有限元列式比较合适。

不管用哪种格式，最后的坯料运动方程都一样：

其中：M—质量矩阵；C—阻尼矩阵；u—节点位移矢量；fi—等效内力矢量；fe—等效节点力矢量。

1.2 材料模型

冲压过程是通过冲压模具对板料施加压力实现变形过程的。要分析冲压成型过程中的力学特性，就要建立对应材料的力学模型，这里称其为材料模型。依据塑性流动理论，对于板料成形来说塑性特性是各向异性的。板料成形通常采用以下几种材料模型。

（1）Hill各向异性弹塑性模型

依据Hill的各向异性材料理论，如果体内有相互正交的各向异性主轴，而且坐标轴于各向异性主轴是互相平行的，则屈服准则为：

式中，F、G、H、L、M、N 为各向异性常数。

（2）Barlat各向异性屈服准则

Barlat和Lian的屈服准则准确描述具有较强机构各向异性金属材料的屈服行为，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。

1.3 单元模型

依据课壳体理论，按照形状分壳体单元可以划分为曲面和平板两种，考虑消除剪切自锁和零能量模态的方法，壳体又可分为 Hughes-Liu（HL）和 Belytschko-Tsay（BT）等。HL单元虽然使用范围广、精度高，但计算量大、耗时长；BT单元是用随动坐标的应力计算法，计算速度快、效率高，对于大变形问题是最稳定有效的方法。

1.4 接触问题

冲压成型过程中是通过模具材料与板料表面接触来传递力，进而实现板料变形的。为提高数值模拟的准确性，接触问题就非常重要。选择合适的摩擦边界条件，准确判定接触状态，确定合适的约束条件，准确选到接触点是使仿真过程接近真实过程的关键因素。

2 动态仿真分析软件应用实例

目前板料成形领域中的动态仿真模拟分析软件有很多，美国ETA公司开发的Dynaform软件主要用于板料成形。冲压成形过程中的问题可以在仿真模拟中提前预知，且模拟结果很准确。Dynaform的主要用于重力加载、预成形、拉延等。钣金成形过程；液压、辊弯、焊接板材成形；优化模具结构，冲压过程中受力分析以及冲压毛坯尺寸预估等。

扭矩盒零件的三维模型见图1，此零件为左右件，考虑到材料流动的均匀性和材料的利用率，采用左右对称方式成形。在CAD软件中对该零件的工艺型面进行补充，通过仿真分析，考察该型面是否能达到成形性的要求。最终得到了优化后的型面如图2所示，图中为优化的型面成形后的极限图，从图中可以看出，产品所在位置成形性良好，无破裂，只是在局部地方有轻微的起皱，达到了零件的使用要求。

图1 扭矩盒零件的三维模型

图2 优化型面后的成形结果

3 存在的问题和研究发展方向

目前，人们已能够成功地对覆盖件冲压成形过程进行仿真，但车身覆盖件冲压成形问题的研究中依然存在许多问题：①成形仿真计算的应力场精度不高；回弹计算时，柔度很大，必须施加约束条件，约束位置设置不同计算结果就不同，怎么样设置约束边界条件能达到很好的效果还是个难题，回弹问题的研究一直是冲压成形研究的热点和难点。②在车身覆盖件冲压仿真中，用真实几何模型来分析拉深筋，虽然精度高，但细化网格耗时较长。等效阻力模型虽然效率高但精度不高，因此，研究高效、高精度的拉深筋阻力模型车身覆盖件冲压仿真领域中的一个方向。③覆盖件冲压生产和研究中完全靠仿真分析解决问题还是不能实现的，为了提高实验结果的准确性，试验方法还有待进一步研究。