汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)含三維5張CAD圖紙+帶任務(wù)書+開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+答辯ppt+外文翻譯】

汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝

摘    要

近年來，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴(yán)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(dāng)前和未來汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向?；诖?，在汽車車身及其零配的件的材料選擇上，人們越來越關(guān)注材料本身的重量。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強(qiáng)度、可塑性強(qiáng)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(shù)中，起皺、斷裂、變形不足和回彈等質(zhì)量問題也越來越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費(fèi)，還嚴(yán)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(dāng)前眾多汽車廠商研究的重點(diǎn)。

本文將利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對汽車保險(xiǎn)杠中鋁成型組件的沖壓成型進(jìn)行分析研究，找出導(dǎo)致其出現(xiàn)質(zhì)量問題的主要因素，并結(jié)合分析結(jié)果嘗試對現(xiàn)有的沖壓工藝進(jìn)行合理優(yōu)化，達(dá)到提高成品率的目的。

關(guān)鍵字 有限元分析 鋁成型 工藝優(yōu)化

Finite Element Analysis and Process Optimization of Aluminum Brackets for Automobile Bumper

Abstract

In recent years, with the environmental pollution, energy depletion and other issues become increasingly serious and national policy support and encouragement, automotive lightweight has been more and more attention, and has gradually become the current and future development of the main direction of automotive technology The Among them, the aluminum alloy sheet as a low-density, high strength, plasticity of the metal material, by more and more car manufacturers of all ages. However, in the sheet metal forming technology, wrinkling, rupture, deformation and rebound and other quality problems are more and more prominent, which not only caused a lot of material waste, but also seriously restricted the use of aluminum alloy sheet in the automotive industry The Therefore, to explore a suitable for aluminum alloy sheet stamping of the excellent process, has become the focus of many car manufacturers.

In this paper, the finite element analysis software ANSYS Workbench is used to analyze the stamping of aluminum forming components in automobile bumper, and the main factors leading to its quality problems are found out. Combining with the analysis results, the existing stamping process is optimized reasonably, To achieve the purpose of improving the yield.

Key words  Finite element analysis  aluminum forming   process optimization

目錄

第1章 緒論 1

1.1 引言 1

1.2 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學(xué)意義 1

1.3 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件質(zhì)量問題的國內(nèi)外研究狀況 1

1.3.1 國外研究情況 2

1.3.2 國內(nèi)研究情況 2

1.4汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢 2

1.5汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件缺陷分析 3

1.5.1起皺 3

1.5.2破裂 4

1.5.3回彈 5

1.6本文研究的主要內(nèi)容 5

1.7本章小結(jié) 6

第2章 板材沖壓有限元分析理論 7

2.1 ANSYS Workbench軟件介紹 7

2.2 材料的特性 7

2.3 材料的屈服準(zhǔn)則 8

2.3.1 Tresca 屈服準(zhǔn)則 8

2.3.2 Von Mises 屈服準(zhǔn)則 9

2.4材料的硬化準(zhǔn)則 9

2.4.1各向同性硬化準(zhǔn)則 9

2.4.2隨動硬化準(zhǔn)則 10

2.5 沖壓過程應(yīng)力加載和卸載法則 11

2.6 沖壓過程接觸算法 11

2.6.1 拉格朗日算法 12

2.6.2 罰函數(shù)接觸算法 12

2.6.3 非線性罰函數(shù)接觸算法 12

第3章 保險(xiǎn)杠組件沖壓成型工藝 15

3.1 保險(xiǎn)杠組件沖壓成型的的工藝特點(diǎn) 15

3.2 保險(xiǎn)杠組件沖壓工藝的詳細(xì)說明 16

3.3 本章小結(jié) 20

第4章 有限元分析過程及結(jié)果 21

4.1概述 21

4.2 分析流程及結(jié)果 21

4.2.1分析流程 21

4.2.2 分析結(jié)果 25

4.3 本章小結(jié) 26

第5章 工藝優(yōu)化內(nèi)容及結(jié)果 27

5.1 工藝優(yōu)化的注意事項(xiàng) 27

5.2 工藝優(yōu)化的內(nèi)容 27

5.3 優(yōu)化效果 30

5.4 本章小結(jié) 30

致  謝 31

參考文獻(xiàn) 32

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北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 汽車保險(xiǎn)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(yán)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(dāng)前和未來汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。 基于此， 在 汽車車身及其零配的 件的材料選擇上，人們越來越關(guān)注材料本身的重量。 其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強(qiáng)度、可塑性強(qiáng)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(shù)中，起皺、斷 裂、變形不足和回彈等質(zhì)量問題也越來越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費(fèi)，還嚴(yán)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(dāng)前眾多汽車廠商研究的重點(diǎn)。 本文將利用有限元分析軟件 汽車保險(xiǎn)杠中鋁成型組件的沖壓成型進(jìn)行分析研究，找出導(dǎo)致其出現(xiàn)質(zhì)量問題的主要因素，并結(jié)合分析結(jié)果嘗試對現(xiàn)有的沖壓工藝進(jìn)行合理優(yōu)化，達(dá)到提高成品率的目的。 關(guān)鍵字 有限元分析 鋁成型 工藝優(yōu)化 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 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 華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 目錄 第 1 章 緒論 .................................................................................................................. 1 言 ................................................................................................................. 1 車保險(xiǎn)杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學(xué)意義 ......................................................... 1 車保險(xiǎn)杠鋁成型組件質(zhì)量問題的國內(nèi)外研究狀況 ............................................... 1 外研究情況 ........................................................................................... 2 內(nèi)研究情況 ........................................................................................... 2 車保險(xiǎn)杠鋁成型組件的發(fā)展 趨勢 ....................................................................... 2 車保險(xiǎn)杠鋁成型組件缺陷分析 .......................................................................... 3 皺 ......................................................................................................... 3 裂 ......................................................................................................... 4 彈 ......................................................................................................... 5 文研究的主要內(nèi)容 ........................................................................................... 5 章小結(jié) ........................................................................................................... 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(zhǔn)則 ................................................................................................ 8 服準(zhǔn)則 ....................................................................................... 8 服準(zhǔn)則 .................................................................................. 9 料的硬化準(zhǔn)則 ................................................................................................. 9 向同性硬化準(zhǔn)則 ..................................................................................... 9 動硬化準(zhǔn)則 .......................................................................................... 10 壓過程應(yīng)力加載和卸載法則 ........................................................................... 11 壓過程接觸算法 ........................................................................................... 11 格朗日算法 ......................................................................................... 12 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 函數(shù)接觸算法 ...................................................................................... 12 線性罰函數(shù)接觸算法 ............................................................................ 12 第 3 章 保險(xiǎn)杠組件沖壓成型工藝 ................................................................................... 15 險(xiǎn)杠組件沖壓成型的的工藝特點(diǎn) .................................................................... 15 險(xiǎn)杠組件沖壓工藝的詳細(xì)說明 ........................................................................ 16 章小結(jié) ........................................................................................................ 20 第 4 章 有限元分析過程及結(jié)果 ...................................................................................... 21 述 ................................................................................................................ 21 析流程及結(jié)果 .............................................................................................. 21 析流程 ................................................................................................ 21 析結(jié)果 ................................................................................................ 25 章小結(jié) ........................................................................................................ 26 第 5 章 工藝優(yōu)化內(nèi)容及結(jié)果 ......................................................................................... 27 藝優(yōu)化的注意事項(xiàng) ........................................................................................ 27 藝優(yōu)化的內(nèi)容 .............................................................................................. 27 化效果 ........................................................................................................ 30 章小結(jié) ........................................................................................................ 30 致 謝 ......................................................................................................................... 31 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 32 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 言 近年來，由于人們?nèi)藗兩钏降牟粩嗵岣?， 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(jì)， 2016 年新注冊登記的汽車達(dá) 2752 萬輛，保有量凈增 2212 萬輛，汽車 總 保有量 已 達(dá) 輛 ， 均達(dá)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(yán)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(lǐng)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(shí)兼顧 節(jié)能、 環(huán)保和安全 三個(gè)優(yōu)點(diǎn)為一體的新時(shí)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(jì)： 汽車每減重 10%，油耗可降低 6%～8%，車身質(zhì)量占汽車總質(zhì)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(dāng)然， 減輕車身質(zhì)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(zhì)量。傳統(tǒng)的高強(qiáng)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(shù)的發(fā)展， 很多輕質(zhì)材料諸如 鋁合金等 材料 運(yùn)用越來越廣泛， 運(yùn)用鋁合金 等輕質(zhì) 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(qiáng)度鋼相比相比具有密度小、耐銹蝕 易成型 等優(yōu)點(diǎn)， 因此，鋁合金材料在 車身上的使用量 越來越多 ， 已經(jīng) 逐漸成為 減輕車身質(zhì)量化技術(shù)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(zhì)材料做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。然而 ， 在實(shí)際的生產(chǎn)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(jīng)驗(yàn) 來解決 ， 導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn) 過程中 由于 零件 產(chǎn)生 因質(zhì)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(zhì)量 研究正成為汽車車身成形技術(shù)的前沿和熱點(diǎn) 。 車保險(xiǎn)杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學(xué)意義 汽車保險(xiǎn)杠是汽車上一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)部件，承受著汽車碰撞時(shí)的巨大沖擊力，對汽車的安全性起著至關(guān)重要的作用。其中，保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)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(zhì)量問題，若能通過合理的工藝優(yōu)化，解決此類質(zhì)量問題，那么不僅能使車身輕量化 的研究更進(jìn)一步，對于眾多汽車廠商來說，還能大大節(jié)約成本，提高運(yùn) 營利潤。 車保險(xiǎn)杠鋁成型組件質(zhì)量問題的國內(nèi)外研究狀況 汽車保險(xiǎn)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 的零件北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 容易出現(xiàn)的常見 缺陷 問題，自上世紀(jì) 50 年代以來，國內(nèi)外大量學(xué)者 針對這些 問題進(jìn)行了深入的理論分析、模擬和實(shí)驗(yàn)研究。 外研究情況 從 上世紀(jì) 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(jìn)展，為后續(xù)的研究 奠定了理論基礎(chǔ)。 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。 板料成形模擬的靜態(tài)隱式算法和動態(tài)顯示算法 結(jié)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(qiáng)度鋼等材料大量用于車身上 。 板材沖壓成型所出現(xiàn)的質(zhì)量問題也越來越得到人們的重視 ， 由此對其進(jìn)行了大量的分析和研究。 析 了 工藝參數(shù)（ 如 凹模圓角半徑 摩擦系數(shù) μ、凸凹模間隙 C 等）對 U 形件成形后質(zhì)量的影響，其分析 結(jié)果表明： 增加凹模圓角半徑和凹凸?？障恫p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(jìn)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(jìn)行回彈迭代補(bǔ)償，使最后 成形后的零件 剛好與零件本身的設(shè)計(jì)要求相符。究了板料回彈的 影響因數(shù) ，他 認(rèn)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(qiáng)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(bǔ)償控制方法。 內(nèi)研究情況 我國對于此類 的板料成形 質(zhì)量 題研究時(shí)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(yùn)用于 曲梁回彈變形 和 懸臂梁回彈變形計(jì)算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進(jìn)行數(shù)值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)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(shù) 法。章婷等 人 采用 術(shù)，通過建立正交優(yōu)化試驗(yàn)對 U 形件進(jìn)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(bǔ)償問題，通過采用通用機(jī)械軟件 件 開發(fā)的回彈補(bǔ)償?shù)哪＞咴O(shè)計(jì)系統(tǒng)，提出了一個(gè)根據(jù)工件的幾何形狀和回彈誤差來進(jìn)行模具補(bǔ)償?shù)姆椒ā? 車保險(xiǎn)杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢 無論汽車技術(shù)怎樣發(fā)展，人們在研究汽車輕量化的同時(shí)， 汽車的安全性仍會被人們放在首位。 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，在降低車身北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 質(zhì)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(diǎn)，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(zhì)量 ， 而且 在 提高汽車的機(jī)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(shí)降低車身質(zhì)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(xiǎn)杠 作為汽車上的一個(gè)重要 零 部件， 當(dāng)汽車受到外界撞擊時(shí)，它能有效的減緩?fù)饨鐩_擊， 保護(hù)車內(nèi)乘客安全，在一定程度上還能保護(hù)車身不被嚴(yán)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(shí)將承受巨大沖擊載荷， 制作材料要求具有高強(qiáng)度、高硬度等特點(diǎn)。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(dāng)然會首先進(jìn)入人們的視線。 因此，用鋁合金材料制作保險(xiǎn)杠及其相關(guān)組件，將會有很好的發(fā)展趨勢。 車保險(xiǎn)杠鋁成型組件缺陷分析 由于汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件 的 形狀較為復(fù)雜， 其 幾何尺寸較大， 而且在實(shí)際生產(chǎn)中，模具總是在不斷的打開和關(guān)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(fù)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(zhì)量和裝配精度，這些 諸如起皺、破裂、回彈等質(zhì)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(shè)計(jì) 工作的難度，以下將 針對上述的主要缺陷進(jìn)行分析。 皺 起皺是保險(xiǎn)杠 鋁成型組件沖壓成型過程中 比較普遍 的 質(zhì)量 缺陷之一 。 它是由于材料 在塑性變形過程 中局部壓應(yīng)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(nèi)部的壓應(yīng)力一旦超過材料在厚度方向上的失穩(wěn)極限后，便會產(chǎn)生失穩(wěn)起皺。 如圖 1示。 當(dāng)然，除此 之外，成型過程中 往往還跟 隨著一些 不均勻拉應(yīng)力、剪應(yīng)力或板內(nèi)彎曲應(yīng)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(zhì)量要求較高的車身覆蓋件 會 產(chǎn)生極大影響， 若起皺過于嚴(yán)重，則零件將直接報(bào)廢， 造成資源浪費(fèi)。 圖 1險(xiǎn)杠組件起皺缺陷 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 解決此類零件起皺問題時(shí)， 一般 在保證 產(chǎn)品使用功能不喪失 的前提下 通過調(diào)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(shè)計(jì)制造等，最終達(dá)到改善和消除起皺缺陷的目的。 裂 破裂也是汽車保險(xiǎn)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(dǎo)致 失穩(wěn)的一種主要表現(xiàn)形式。板料變形過程中 在其 內(nèi)部 會 存在拉應(yīng)力 相對集中區(qū)域，隨著變形的不斷加大，當(dāng)某處材料所受到的拉應(yīng)力 過大， 接近或超過材料本身的 最大抗拉強(qiáng)度時(shí) ， 材料就將出現(xiàn)拉裂或拉斷現(xiàn)象，也就產(chǎn)生了破裂的缺陷 。 保險(xiǎn)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(qiáng)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(shí)際生產(chǎn)中 會 直接影響著產(chǎn)品的成形質(zhì)量， 導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，因此 在實(shí)際生產(chǎn)中絕不允許出現(xiàn)此種缺陷。 圖 1險(xiǎn)杠組 傳力區(qū) 件破裂缺陷 圖 1險(xiǎn)杠組件塑性變形區(qū)破裂缺陷 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 在 板材 沖壓成型過程中， 存在很多容易導(dǎo)致板材破裂的因素 。為防止 此種缺陷的產(chǎn)生 ， 一般采取以下措施：可根據(jù)最終產(chǎn)品的具體情況選擇合適的毛坯 形狀和尺寸；采用機(jī)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(nèi)部 應(yīng)力變化造成的，然而，除了上述兩種常見缺陷外， 在保險(xiǎn)杠組件 實(shí)際生產(chǎn) 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(shí)發(fā)生的變形形式主要包括兩種 ：彈性變形和塑性變形。 當(dāng)沖壓成型 結(jié)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(fù)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象往往導(dǎo)致成形后零件的實(shí)際尺寸值與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差，當(dāng)然，對于零件的實(shí)際形狀 也會產(chǎn)生很大影響， 這種現(xiàn)象就稱之為回彈現(xiàn)象。 汽車保險(xiǎn)杠組件主要以彎曲變形為主，因此產(chǎn)生回彈現(xiàn)象是不可避免的。 回彈現(xiàn)象對零件的成品質(zhì)量影響很大， 當(dāng)回彈 的 量過大且 超過 零件 允許誤差后 ，零件就將直接報(bào)廢， 因此，回彈也是 影響零件質(zhì)量的 重要缺陷。 實(shí)際生產(chǎn)過程中很多因素都可能導(dǎo)致最終零件產(chǎn)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(diǎn) 等進(jìn)行具體分析。 文研究的主要內(nèi)容 本文將以汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件為例，并結(jié)合 限元分析軟件，模擬保險(xiǎn)杠組件沖壓 成型過程，分析現(xiàn)有工藝狀況及實(shí)際生產(chǎn)條件， 找出其中容易導(dǎo)致產(chǎn)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(jié)果，結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)條件，對沖壓成型工藝做出合理優(yōu)化，力求達(dá)到提高最終成品率的目的。 具體工作內(nèi)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(guān)軟件介紹，材料特性，材料屈服、硬化準(zhǔn)則，接觸算法，加載卸載法則以及三維模型建立等內(nèi)容； （ 3） 研究對象的工藝特點(diǎn)及工藝分析； （ 4） 對模型進(jìn)行有限元分析 ，研究其變形狀況，為工藝優(yōu)化做準(zhǔn)備； （ 5） 結(jié)合有限元分析內(nèi)容，提出幾點(diǎn)符合企業(yè)實(shí)際情況工藝優(yōu)化措施，并對現(xiàn)有工藝適度改進(jìn)優(yōu)化； 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 6 （ 6） 通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，對優(yōu)化后的工藝進(jìn)行驗(yàn)證，并與優(yōu)化前的結(jié)果作對比，記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 （ 7） 對研究結(jié)果做出總結(jié)。 章小結(jié) 本章主要對研究內(nèi)容做了一個(gè)簡要說明，分析了課題研究意義、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢，并從針對本課題的具體對象，簡要介紹其實(shí)際生產(chǎn)中常見的缺陷類型。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 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(qiáng)大的 大型通用有限元分析（ 件， 同時(shí)也 是 目前全球 范圍內(nèi)增長最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（ 件 。它 能與 大部分的 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 軟件 （ 接口，實(shí)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(jié)構(gòu) 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(jīng)典版 ）和 兩個(gè) 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(chǎn)品研發(fā)過程中 常見的 件 異構(gòu)問題。 它不但繼承了 面在有限元仿真分析上的大部分強(qiáng)大功能，還提供了 向參數(shù)鏈接互動、項(xiàng)目參數(shù)自動更新機(jī)制、全新的參數(shù)和無縫集成優(yōu)化設(shè)計(jì)工具等，使得 “仿真驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計(jì)”方面達(dá)到了前所未有的高度?？梢哉f， 正實(shí)現(xiàn)了集產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化功能于一身 ，可以幫助設(shè)計(jì)人員完成在同一平臺上完成產(chǎn)品研發(fā)過程的所有工作，從而大大縮短了產(chǎn)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(gè)集成框架，整合了現(xiàn)有的各種應(yīng)用并將仿真過程集成在同一界面下， 其主要有三個(gè)模塊組成，分別是： ? 何模型 建立模塊 ，為 后續(xù) 分析做準(zhǔn)備。 ? 用 分析模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)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(yīng)（應(yīng)力、頻率等）的影響，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。 除了以上三個(gè)主要模塊， 很多其他模塊，其中比較典型的有：進(jìn)行全隱性耦合算法的 于專業(yè)渦輪葉片設(shè)計(jì)的 于爆炸等場合的高度非線性顯示動力學(xué)分析的 些模塊將 造成了應(yīng)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(xiǎn)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 其泊松比 μ＝ 性模量 E＝ 72體規(guī)范如 表 2 所示。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 8 項(xiàng)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(qiáng)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(dá) （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 上 ， 所以 ，1050A 鋁合金 的熔點(diǎn)比較低， 不可運(yùn)用熱處理的方法來加強(qiáng)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， 1050導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性也十分出色 。 因此， 在制造領(lǐng)域 1050A 鋁合金被 廣泛 使用，并 應(yīng)用于 各種各樣的產(chǎn)品 。 料的屈服準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)力狀態(tài)決定，當(dāng)金屬材料受力時(shí)，材料內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)由彈性狀態(tài)逐漸過度到塑性狀態(tài)的準(zhǔn)則，稱之為為屈服準(zhǔn)則。 對于金屬材料而言，常用的屈服準(zhǔn)則主要有以下幾種： 服準(zhǔn)則 材料 的 塑性變形與 其受到的 最大切應(yīng)力 之間 存在某種關(guān)系， 當(dāng) 最大切應(yīng)力 的值 達(dá)到某一特定值 （ 即材料單向拉伸或者壓縮時(shí)屈服強(qiáng)度值（ ）的一半）時(shí)，材料就會發(fā)生屈服。 服準(zhǔn)則可表示為： 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 （ 2 式 中 —— 材料的最大切應(yīng)力 （ N/ —— 材料的屈服強(qiáng)度 （ N/ 從上式可以看出，當(dāng)材料的最大切應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度的一半時(shí)，材料就將進(jìn)入并保持塑性變形狀態(tài)，而和另外的兩個(gè)差值沒有關(guān)系。 服準(zhǔn)則 計(jì)算 雖然簡單，但只能 看出是否發(fā)生屈服與最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的關(guān)系，無法反應(yīng)第二主應(yīng)力的影響。 服準(zhǔn)則 服準(zhǔn)則是在 1913 年由德國力學(xué)家 對 服準(zhǔn)則作了進(jìn)一步的彌補(bǔ)和改進(jìn)之后提出的，該準(zhǔn)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(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力組合符合 某種 特定條件， 則 材料的屈服準(zhǔn)則可表示為 服準(zhǔn)則于。 與 服準(zhǔn)則 相比，凡是 通過 服準(zhǔn)則 來 描述的材料 ，都 是各向同性的，即 當(dāng) 材料內(nèi) 部 任意一點(diǎn)的等效應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)， 那么該點(diǎn)就 會進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。 服準(zhǔn)則 采用三個(gè)主應(yīng)力的函數(shù)表達(dá)式如下： ( ) [ ] （ 2 式中 —— 材料內(nèi)部的等效應(yīng)力 （ N/ 料的硬化準(zhǔn)則 在金屬塑性變形過程中，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力會急劇增大，此時(shí)就會發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，而硬化準(zhǔn)則 就是用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述 材料變形 過程中 所受 應(yīng)力與 自身 應(yīng)變之間 的關(guān)系。金屬板料塑性變形中的硬化準(zhǔn)則主要描述了材料發(fā)生塑性變形后初始屈服準(zhǔn)則隨著塑性應(yīng)變增加的變化規(guī)律。硬化關(guān)系式可用如下一個(gè)基本方程表達(dá)： ( ) （ 2 式中 —— 材料所受應(yīng)力 ； —— 材料應(yīng)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(zhǔn)則簡化為三種 形式，分別為 ： 各向同性硬化準(zhǔn)則、隨動硬化準(zhǔn)則、混合硬化準(zhǔn)則。 向同性硬化準(zhǔn)則 有的材料在變形過程中，材料內(nèi)部各個(gè)方向上應(yīng)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(dāng)計(jì)算各向同性材料的變形時(shí)，需要采用的硬化準(zhǔn)則即為各向同性硬化準(zhǔn)則。當(dāng) 材料 所受應(yīng)力使其 達(dá)到屈服極限后， 材料的 屈服面 向各方向擴(kuò)展時(shí)，會 基于同一中心勻地 向個(gè)方向擴(kuò)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)北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 的表達(dá)形式 將與 初始屈服函數(shù) 的表達(dá)形式保持一致 。 可用如下表達(dá)式表示 材料各向同性硬化準(zhǔn)則： ( ) ( ) （ 2 ??? （ 2 ? ∫√ （ 2 ( ) ? （ 2 式 中 k —— 硬化參數(shù)； —— 等效塑性應(yīng)變。 圖 2向同性強(qiáng)化模型 動硬化準(zhǔn)則 并 不是所有材料在成型過程中都 保證按各向同性的規(guī)律進(jìn)行變形，因此各向同性硬化準(zhǔn)則對于此類材料并不適用。這些材料在變形時(shí)，屈服面的大小、形狀、方位都不發(fā)生變化，而是在屈服方向上 作一個(gè)剛體移動，如圖 2示，這種特性我們可以稱之為隨動性。計(jì)算這類材料的變形情況時(shí)，我們所用的硬化準(zhǔn)則稱為隨動硬化準(zhǔn)則。隨動硬化準(zhǔn)則的表達(dá)式可用如下關(guān)系式表示 ： =0 （ 2 式 中 —— 屈服面中心的位置變化 （ 圖 2動硬化準(zhǔn)則模型 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 11 合硬化準(zhǔn)則 除了上述的兩種變形情況外，某些材料在變形過程中，不僅屈服面的大小在應(yīng)力作用下發(fā)生變化，而且其位置也會發(fā)生變化，遇到這樣的變形情況，無論是各向同性硬化準(zhǔn)則還是隨動硬化準(zhǔn)則都不適用，這種情況下的之為混合硬化準(zhǔn)則。顧名思義，混合硬化準(zhǔn)則包含了 各向同性變化和隨動變化過程中的屈服行為，變形過程中屈服面的 形狀、大小和中心位置都在應(yīng)力空間中發(fā)生變化，因此對板料成形過程中的應(yīng)力 與應(yīng)變 之間的關(guān)系描述得 更加 準(zhǔn)確 ?；旌嫌不瘻?zhǔn)則將塑性應(yīng)變增量分解為兩部分， 適用于各向異性材料， 表達(dá)式如下： d （ 2 式中 —— 屈服曲面擴(kuò)張時(shí)的塑性應(yīng)變增量 （ ； —— 屈服曲面移動的塑性應(yīng)變增量（ 因此， 混合硬化準(zhǔn)則的函數(shù)表示為： ( ) （ 2 ? （ 2 ? ? （ 2 式中 M —— 材料 在發(fā)生 塑性行為 時(shí) 的混合硬化參數(shù)，一般 在 1 之間取值 。 壓過程 應(yīng)力加載和 卸載法則 當(dāng)板料受壓達(dá)到屈服極限并進(jìn)入塑性變形狀態(tài)以后，由于受到變形過程中載荷的加載路徑以及 加載歷程的影響，板料內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變都不再是線性關(guān)系。材料 進(jìn)入屈服 狀態(tài) 后 ，其 塑性應(yīng)變增量的方向可以 依靠沖壓過程中應(yīng)力加載和卸載法則進(jìn) 行精確預(yù)測和 判定， 由此便可 確定板 料處 在不同狀態(tài)下 的本構(gòu)關(guān)系。對于硬化材料 來說，判 斷 板料是否 會 繼續(xù)發(fā)生塑性變形的準(zhǔn)則如下 ： （ 1） 如果 ， 則 板料將處于彈性狀態(tài) ； （ 2） 如果 ＝ ，且 , 則板料將處于繼續(xù)塑性加載狀態(tài) ； （ 3） 如果 ＝ ， 且 則板 料 將 由塑性狀態(tài)按 照 彈性卸載 ； （ 4） 如果 ＝ ，且 ， 則材料處于加載的過渡狀態(tài)，此狀態(tài)下板料 不會產(chǎn)生新的塑性 流動 ， 而是始終保持塑性變形狀態(tài)。 壓過程 接觸算法 汽車覆蓋件沖壓成型 的有限元分析是 十分 典型的復(fù)雜非線性 靜力分析 求解過程，因?yàn)樵诔尚瓦^程中模具與板料總是動態(tài)變化的 處于接觸和摩擦狀態(tài)。 而諸如此類的 數(shù)北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 值模擬過程 中 通常 采用的處理方法主要 有三種， 分 別 為： 拉格朗日接觸算法、罰函數(shù)接觸算法以及 非線性罰函數(shù)接觸算法。 格朗日算法 在 拉格朗日算法 中， 不會 發(fā)生從節(jié)點(diǎn)穿透主動面的現(xiàn)象。該方法把 接觸力以未知量的 方式 帶入到運(yùn)動方程中，并 且引入拉格朗日因子 ， 再 通過 將各方程 聯(lián)立 成方程組，以此 求解 出接觸力大小。因此拉格朗日算法得出的計(jì)算結(jié)果 較 為 精確， 當(dāng)接觸非常高時(shí)，就 適合 用此算法來求解。需要注意的是，拉格朗日 對 于 模具網(wǎng)格形狀 的 質(zhì)量要求非常 高， 在網(wǎng)格劃分時(shí)， 任何單元 都不允許出現(xiàn)不連續(xù)或者 交叉重疊 現(xiàn)象 ，也不允許存在 初始穿透的 現(xiàn)象 。 除此之 外， 在運(yùn)算 處理過程中 ，由于所 聯(lián)立程組 比較復(fù)雜，計(jì)算消耗量會比較高。 函數(shù)接觸算法 與拉格朗日算法相比較，用 罰函數(shù)接觸算法處理接觸問題時(shí) ， 具有 穩(wěn)健以及高效的優(yōu)點(diǎn)， 罰函數(shù)接觸算法 幾乎可以用 來處理 任何板材 在沖壓成型模擬過程中 的接觸計(jì)算 。這種 算法的具體處理原則 為 ： 若出現(xiàn)從動面節(jié)點(diǎn)穿透 主動面的現(xiàn)象，那么 一個(gè)界面法向接觸力 就會在 主動面和從動面 之間產(chǎn)生，而且 隨著穿透深度的增加，此 接觸力也會隨之增大。 罰函數(shù) 的數(shù)值就是 表示 在模具與板料的 接觸過程中相應(yīng)的接觸力大小。用 此種接觸算法模擬過程 時(shí)，可能在模具與 板 料之間會出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，因此應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果不是十分準(zhǔn)確。 此外， 罰函數(shù)接觸算法 模擬計(jì)算的 精度以及 穩(wěn)定性與接觸剛度比例系數(shù) 的 設(shè)置是否合理有很大關(guān)系。 線性罰函數(shù)接觸算法 從本質(zhì)上來 說， 非線性罰函數(shù)接觸 算法 其實(shí) 還是屬于罰函數(shù) 接觸 算法。與 上述 的罰函數(shù) 接觸 算法相比 較 ， 這種算法 只是在 接觸力計(jì)算方法和接觸搜索方式 上略有 所 不同。 非線性罰函數(shù)接觸算法 在判斷 是否有 接觸 發(fā)生時(shí)， 先將從動面 的節(jié)點(diǎn)看成 是球體，該球體的直徑即為材料厚度，如果 球體 和 主動面 之間 存在穿透 現(xiàn)象 ，則 可以 確定 二者之間發(fā) 生了接觸。 所以在 使用 此 算法 的 過程中，模具的法 線方 向不需要 全部 指向 受壓材 料。在接觸力 的 計(jì)算過程中，衡量懲罰強(qiáng)度的罰因數(shù)不再保持 不變，而是 以非線性變化 呈 現(xiàn) 。因此在 此種 算法中， 幾乎不可能出現(xiàn) 從節(jié)點(diǎn)穿透主動面 的情況 ， 計(jì)算精度也就比 傳統(tǒng)的罰函數(shù)法 要高。 維數(shù)模建立 本文的研究對象是汽車保險(xiǎn)杠鋁 成型組件，在進(jìn)行有限元分析之前，必須先建立零件及模具的三維模型 。在 ，有專門用來建立模型 的模塊，及稱 塊，因此可以直接在 建立待分析的模型。當(dāng)然，模型建立也可以采用常用的繪圖工具來實(shí)現(xiàn)，如 華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 。 此次分析的模型采用 5立，分別建立了產(chǎn)品零件圖、模具裝配圖等模型，建立結(jié)果如圖 2圖 2示。 圖 2險(xiǎn)杠組件零件圖 (a) (b) (c) (d) 圖 2具裝配圖 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 章小結(jié) 本章主要介紹一般有限元分析過程中常用的算法及理論，為后續(xù)有限元分析部分做準(zhǔn)備，除此之外，分析過程中需要的三維數(shù)模以及分析軟件也在本章做出了說明。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 15 第 3 章 保險(xiǎn)杠組件 沖壓成型工藝 險(xiǎn)杠組件沖壓成型的 的工藝特點(diǎn) 此次的研究對象保險(xiǎn)杠組件是由 鋁合金 板料 沖壓成型的， 而諸如此類沖壓成型工藝 的特點(diǎn)是 原材料 厚度方向上的變形 比起長寬兩個(gè) 方向 的變形來說是十分微小 。 在實(shí)際生產(chǎn)中， 板料沖壓成型時(shí) 其變形形式 主要 包括 以下幾種：雙向拉伸、 單向拉深、深拉延、 平面應(yīng)變、 彎曲以及 反彎曲。 一般可以將板料的沖壓成型看成是一個(gè)準(zhǔn)靜力過程， 即在成型 過程 中 ， 加速度和 速度可以忽略 不計(jì) 。 此外，與一般的沖壓產(chǎn)品相比，諸如保險(xiǎn)杠組件 之類的零件 都 具 有形狀復(fù)雜、 材料 厚度 薄、多為空間曲面、 表面質(zhì)量高和 結(jié)構(gòu)尺寸大等特 點(diǎn)，因此 ，這類零件 的沖壓工藝、模具設(shè)計(jì) 以及模具制造工藝也存在其特有 的特點(diǎn)： （ 1） 由于此類零件成型過程中拉延時(shí)要求進(jìn)料阻力必須均勻，所以拉延模的拉延筋應(yīng)多加在原材料容易流動的區(qū)域，而對于原材料不易流動的區(qū)域可以減少或者不加拉延筋，甚至可以在這些區(qū)域增加潤滑。所以，為保證材料各部位的變形趨于均勻，防止零件發(fā)生起皺現(xiàn)象 ，應(yīng)該 合理 的 布置拉延筋 ，以此來 改善 壓邊圈下 拉延毛坯的流動條件 。 （ 2） 在變形過程中，一般而言沖壓件的毛坯變形都十分復(fù)雜 ， 而且 材料 在各個(gè)方向的變形都不 均勻， 因此在計(jì)算毛坯的拉延可能性及拉延次數(shù)時(shí)不能 直接使用拉延系數(shù)進(jìn)行 簡單 的 判斷和計(jì)算。 只能通過類比的方法， 經(jīng)生產(chǎn) 現(xiàn)場 調(diào)整 并 確定。 （ 3） 零件上某些部位的變形深度較淺，這些部位的材料得不到充分的變形， 容易出現(xiàn) 起皺 現(xiàn)象 ， 而 且剛性 還不夠。這種情況下 需 使 用拉延檻來 增加模具 壓邊圈下 的材料 流動阻力，使 材料在 拉延時(shí) 可以充分的發(fā)生 塑性變形， 以此 保證 零件 修邊 以 后彈性變形 減小 ，剛性 也滿足要求。