汽车模具行业CAE分析软件的应用.pdf

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1、2 0 0 6 年 第 5 期4 0Automobile Die&Mould汽车模具Automobile Die&Mould汽车除去动力部分和内饰部分的大部分构件都是薄板冲压件，且其成形工艺性也很复杂。国外各大汽车厂商很早就开始采用计算机仿真技术指导新产品开发和工艺装备的设计、制造。C A E 理论和技术的发展主要依赖于各种板料成形软件的涌现和进步，这些软件大多可以利用 C A D生成的模型进行设计和工艺过程仿真，为新产品的开发提供参考依据。汽车模具工业上应用板料成形C A E 分析的目的可以归纳为以下三个主要方面：(1)节省时间 现在国内各个汽车企业，竞争十分残酷，而每一种车型的开发，其进度

2、的瓶颈往往都集中在工艺装备（模具）的制造阶段。以往的工艺分析到调试模具完全凭借人工经验完成，而现在应用的 C A E 就使这种专家经验的积累得到了共享，并利用计算机的优势来达到优化工艺分析、模拟试模的目的，从而使我们对工艺方案和结构修改设想的正确性、合理性能够得到快速响应并提前预见，节约大量的时间成本。(2)节省费用 相当一部分的工作交由计算机来完成，对不合理的方案做出了提前预警，避免了只有在模具产成后才能发现的缺陷，从而提高了模具制造和调试的成功率，这减少的不仅是时间成本还有模具的制造成本，同时也增强了模具本身的竞争力。(3)提高产品质量 在C A E 软件中，我们可以清晰地看到板料的塑性变

3、形程度，可以进行工艺优化和模拟比较，早期预见其隐患的存在，提高了产品质量，避免了很多反复的工作，还可以从中积累经验，提高个人的定性分析能力。现在市场上较流行的 CAE分析软件有 ANSYS、KMAS、eta/D Y N A F O R M、M S C.N A S T R A N、A U T O F O R M等，其中在冲压工艺分析方面由于其很强的实用性，A U T O F O R M的应用很广泛。C A E 分析在 D L图设计过程中的应用在以往的D L 图设计中，设计员拿到产品后就要在脑海中进行复杂的思维：这个件需要几道工序来完成，每道工序的成形工艺性如何以及在该工序中冲压角度如何，与原始的

4、汽车坐标系的关系如何等等。这些都需要考虑得很周全才能，为下序模具设计（C A D）和模具加工（C A M）提供依据。通常设计员是借助三维 C A D 软件（如 U G 等）来实现的，而这一过程是极其复杂繁琐的。以拉延序冲压方向的确定来说，单是检查有没有冲压负角就需要半天的工作量（与制件复杂程度有关）。首先需要设计员在已经基本确定的冲压方向上初步判断制件的哪些部位是危险区域（可能存在冲压负角），然后通过打断面的方式把这些区域的断面逐一截获，再测量所截断面在已经基本确定的冲压方向上有没有冲压负角（需要每个断面仔细测量排查），因此设计员不但要细致而且还要具备一定的经验，稍有不慎，存在的冲压负角就可能

5、被忽略，就会出现在加工中不到位或无法加工（三轴机床）的情况，从而造成该拉延篇 沈阳金杯模具厂/贺传军 范士俊汽车模具行业C A E分析软件的应用2 0 0 6 年 第 5 期4 2Automobile Die&Mould汽车模具Automobile Die&Mould处型面间隙过小，为后期装配和调试带来困难，严重时还会造成无法成形。而有了C A E 分析软件，这些问题就可以被及早发现和避免，检查负角的过程也只需要几秒钟而已。以阁瑞斯长轴制件6 1 5 1 7 为例，图1 为手动判断的冲压方向，用A U T O F O R M 3.2 分析后，可以看到绿色是无负角区域，黄色区域为0 3 的临界区

6、域，红色则是在此冲压方向上已经存在的冲压负角区域。板料轮廓，板料厚度，压边力和摩擦等很多因素，而这些完全都是根据经验定性的分析，没有冲压工艺经验往往是无从下手的。现在引进了 C A E 分析软件，以有限元分析的增量算法（目前最精确的方法）和逆算法为基本理论，就可以把制定的冲压工艺方案通过计算机仿真在设计阶段进行模拟，观察以前只有在模具产成后试模阶段才可知的真实结果，从而断定此方案的可行性，为D L 图设计提供量化依据，减少设计风险，达到设计优化的目的。仍以 6 1 5 1 7 为例，我们并不知道该件拉延时能否顺利成形，所以首先进行模拟试模，以验证工艺的合理性。观察该件形状，我们推断料片应该是一

7、张形料，块料成形应该不可能（根据个人经验）。我们先用一步分析法（基于有限元逆算法理论）自动算出成形毛坯的初始尺寸（图4），进行试模仿真。同时需要设定一些参数，包括拉延模采用单动拉延还是双动拉延、压边力、板料材质、料厚、冲压速度、拟定的分模线、压料面等，如果一旦按此参数模拟成功，那么后续模具设计，要严格按此设置执行。此模具采用单动拉延模结构，压边力按下式进行理论计算：Q =K F q=1.4 1 5 5 3 5 9 0.2 55 2 9.2 N式中 k 系数，取1.1 1.4 F 毛坯压料面积，m m2 q 压料单位压力，k g/m m2,钢一般取0.2 5至于板料材质、料厚、冲压速度、拟定的分

8、模线、压料面等都可以在C A E 中按要求设好。模具的开始状态见图5，开始模拟试模（图5 图1 0）。由此可见，过去半天的工作量，现在应用C A E 软件可以在几分钟甚至几秒钟内实现，大大提高了工作效率。当今汽车换型速度快，周期短，模具制造周期必须与之相适应，灵活运用C A E 软件可以赢得大量宝贵的时间，仅从设计D L 图这个环节上就已经达到了省时省力的目的。C A E 在工序件成形性分析及模具调试过程中的应用一个已掌握 C A D、C A M技术的企业，更加关心的则是冲压件能否成形，产品质量能否合格。由于冲压件几何形状的复杂性，往往对冲压成形过程中板料成形性难以估计，致使模具设计正确性不能

9、预知。当问题在模具加工产成以后暴露出来，将给模具调试造成极大困难，甚至整个设计报废。以前我们分析一个冲压件的成形工艺是否合理，要考虑制件形状、图 1图 2图 3经过 A U T O F O R M 3.2 按照型面最小冲压负角的原则来自动调整冲压方向，结果如图 2所示，同时 A U T O F O R M 会自动给出旋转的角度和基准轴（见图3）。此时设计员就可以根据这个角度来标注工作坐标系（冲压方向）相对于绝对坐标系（汽车坐标系）的位置关系了。2 0 0 6 年 第 5 期4 3汽车模具Automobile Die&MouldAutomobile Die&Mould图4 料片初始形状图6 凹模

10、与压边圈压料状态图7 距下死点4 2 m m图8 板料的受力状态图5 模具在上死点位置图1 0 闭合状态图9 距下死点1 1.7 m m在图8 中可以看出A 处板料成形时走料的方向。红色的箭头是受拉应力，蓝色的箭头是受压应力，从箭头的长短可以辨别出受拉大于受压，可以判断走料方向与红色箭头方向一致。到此，第一次模拟结束。从图7 可以看出，红点密集区域，拉应力较为集中，导致拉裂。可以适当减小料片尺寸（压料面积）及压边力来缓解开裂现象（本文仅从调整料片角度来做表述，通常要视实际情况的不同，通过调整压边筋高度和压边力等参数来达到使板料充分拉延的目的）。从过程来看，外部四处圆角对拉延影响不大，为了降低模

11、具成本（避免封闭落料），现将料片改为图1 1 形状，同时进行压边力计算。压边力按下式进行理论计算：Q =K F q=1.3 1 2 8 8 9 2.2 0.2 5 3 9 4 N 此时可以逼真的模拟板料在此阶段的成形状态 此时拉延凸模已开始介入成形，板料变化状态清晰的显现出来此处已超过板料的强度极限，导致开裂，而紫色区域表示起皱，这可以帮助我们分析起皱部分可能是由于板料流入太快、压料太松导致，而开裂的部分则走料过慢，从而造成板料整体的不均匀变形。A图 1 1凹模料片 压边圈凸模2 0 0 6 年 第 5 期4 4Automobile Die&Mould汽车模具Automobile Die&Mo

12、uldC A E分析在模具行业的发展前景模具行业是工业的基础行业，汽车、电子、电器、仪表、通讯器材、家用电器等产品中6 0%8 0%的零部件是依靠模具完成的。模具是现代工业的基础工业装备，其技术水平决定着产品的质量和市场的开发能力，我国的模具工业虽然起步较晚，但通过近2 0 年来的技术改造、技术引进和创办“三资”企业等，生产能力和技术水平有了很大的提高，我国现有的生产模具的厂点已超过2 0 0 0 0 家，从业人员约 5 0 万人，全年模具产值约5 3 4 亿元，而汽车模具在其中占据着约5 0%的份额。汽车设计的瓶颈是车身覆盖件、内部件的模具设计与制造周期，所关心的主要问题是由拉裂、减薄、起皱

13、与回弹引起的工件缺陷，主要表现在汽车装配质量差，整车几何形状不精确协调。C A E 分析软件的应用，就恰恰能够预见这些缺陷的发生，进而在设计阶段就采取有效措施，大大减少了试模的次数，降低生产成本。例如，奔驰在采用仿真之前每套模具大约需试模3 4 次，现在则1 2 次就足以防止起皱和破裂。丰田汽车公司在引入仿真系统以后，减少了模具设计和制造过程中 4 6%的试验工作。随着 C A E 技术在模具设计中的应用不断增加，需要进行分析的成形情况也越来越复杂，对 C A E 技术的能力也提出了越来越高的要求。为了适应其发展的需要，就需要C A E 软件不断提高分析能力和准确性并具有优化能力，同时与 C

14、A D/C A M 技术的有效集成，使设计、分析、制造一体化也将是一个必然的趋势。当前的成形仿真还主要用作模拟试模来代替实际的模具调试过程，不能作为优化工具。但未来，随着科技的进步、模具从业人员素质的提高，借助数学上敏感度分析实现多参数优化的方法，对板材成形进行优化分析，可以得到最佳的板材形状、压边力、拉伸筋位置等成形参数以及分析模具本身的变形，从而提高在接触区对板料起皱、开裂的预测水平，使 C A E 技术在模具领域的应用真正实现科学化、自动化和准确化。图1 5 试模的结果图1 2 凹模与压边圈压料状态图1 3 距下死点3 5 m m图1 4 闭合状态第二次计算机仿真结束，从分析结果看，采用

15、目前的工艺补充尺寸，拉延完全可以成形，并且修边量符合要求。一些设计、试模必要参数我们也已经积累：采用单动拉延结构，压边力约3 9 2 N，料片尺寸已初步确定，不采用拉延油等，已经为下序C A D 模具设计和试模积累了较为充分的量化依据。模具产成后，调试人员严格按照计算机仿真模拟确定的参数进行首次试模。像这样的冲压件，过去可能要试几十片料，现在以 C A E 分析数据为基础，少走了许多弯路，只用了不到十片料就试冲成功了，大大缩短了整个项目周期。试模结果（见图 1 5）与 C A E 分析的结果（图1 4）也基本吻合，从而证明了C A E 分析数据的实用性和可靠性。第二次模拟试模（基于有限元分析增量法，进行精确模拟），见图 1 2 图1 4。文章查询编号：W0 5 0 8