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北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文
汽車保險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，且已逐漸成為當前和未來汽車技術發(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，人們越來越關注材料本身的重量。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強度、可塑性強的金屬材料，受到了越來越多汽車廠商的青睞。然而，在板料成形技術中，起皺、斷裂、變形不足和回彈等質量問題也越來越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費，還嚴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，成了當前眾多汽車廠商研究的重點。
本文將利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對汽車保險杠中鋁成型組件的沖壓成型進行分析研究，找出導致其出現(xiàn)質量問題的主要因素，并結合分析結果嘗試對現(xiàn)有的沖壓工藝進行合理優(yōu)化，達到提高成品率的目的。
關鍵字 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 汽車保險杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學意義 1
1.3 汽車保險杠鋁成型組件質量問題的國內外研究狀況 1
1.3.1 國外研究情況 2
1.3.2 國內研究情況 2
1.4汽車保險杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢 2
1.5汽車保險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本文研究的主要內容 5
1.7本章小結 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 材料的屈服準則 8
2.3.1 Tresca 屈服準則 8
2.3.2 Von Mises 屈服準則 9
2.4材料的硬化準則 9
2.4.1各向同性硬化準則 9
2.4.2隨動硬化準則 10
2.5 沖壓過程應力加載和卸載法則 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 罰函數接觸算法 12
2.6.3 非線性罰函數接觸算法 12
第3章 保險杠組件沖壓成型工藝 15
3.1 保險杠組件沖壓成型的的工藝特點 15
3.2 保險杠組件沖壓工藝的詳細說明 16
3.3 本章小結 20
第4章 有限元分析過程及結果 21
4.1概述 21
4.2 分析流程及結果 21
4.2.1分析流程 21
4.2.2 分析結果 25
4.3 本章小結 26
第5章 工藝優(yōu)化內容及結果 27
5.1 工藝優(yōu)化的注意事項 27
5.2 工藝優(yōu)化的內容 27
5.3 優(yōu)化效果 30
5.4 本章小結 30
致 謝 31
參考文獻 32
第1章 緒論
1.1 引言
近年來，由于人們人們生活水平的不斷提高，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。據統(tǒng)計，2016年新注冊登記的汽車達2752萬輛，保有量凈增2212萬輛，汽車總保有量已達1.94億輛，均達到歷史新高。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)同時兼顧節(jié)能、環(huán)保和安全三個優(yōu)點為一體的新時代汽車。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，據統(tǒng)計：汽車每減重10%，油耗可降低 6%～8%，車身質量占汽車總質量的 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。當然，減輕車身質量并不是盲目為之，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量。傳統(tǒng)的高強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。隨著材料技術的發(fā)展， 很多輕質材料諸如鋁合金等材料運用越來越廣泛，運用鋁合金等輕質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)的高強度鋼相比相比具有密度小、耐銹蝕易成型等優(yōu)點，因此，鋁合金材料在車身上的使用量越來越多，已經逐漸成為減輕車身質量化技術中取代鋼材的主要材料之一，在汽車輕量化中，鋁合金等輕質材料做出了不可磨滅的貢獻。然而，在實際的生產制造過程中，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驗來解決， 導致實際生產過程中由于零件產生因質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量研究正成為汽車車身成形技術的前沿和熱點。
1.2 汽車保險杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學意義
汽車保險杠是汽車上一個重要的結構部件，承受著汽車碰撞時的巨大沖擊力，對汽車的安全性起著至關重要的作用。其中，保險杠結構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量問題，若能通過合理的工藝優(yōu)化，解決此類質量問題，那么不僅能使車身輕量化的研究更進一步，對于眾多汽車廠商來說，還能大大節(jié)約成本，提高運營利潤。
1.3 汽車保險杠鋁成型組件質量問題的國內外研究狀況
汽車保險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容易出現(xiàn)的常見缺陷問題，自上世紀50年代以來，國內外大量學者針對這些問題進行了深入的理論分析、模擬和實驗研究。
1.3.1 國外研究情況
從上世紀50年代起，R.Hill、F.J.Gardiner 、F.Proska 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展，為后續(xù)的研究奠定了理論基礎。隨后，F(xiàn).Fenoglietto 等人嘗試通過對彈性模量的研究，找出其對板料回彈的影響。A.M.Prior建議將板料成形模擬的靜態(tài)隱式算法和動態(tài)顯示算法結合起，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度鋼等材料大量用于車身上。板材沖壓成型所出現(xiàn)的質量問題也越來越得到人們的重視，由此對其進行了大量的分析和研究。You Ming Huang分析了工藝參數（如凹模圓角半徑 rd、摩擦系數 μ、凸凹模間隙 C 等）對 U 形件成形后質量的影響，其分析結果表明：增加凹模圓角半徑和凹凸模空隙并減小摩擦系數會加重零件的回彈現(xiàn)象。此外，M.Kawka 等人也用汽車輪轂和頂蓋作為研究對象，對其進行了研究分析。還有人通過有限元模擬方法，針對不同形狀配件的模具進行回彈迭代補償，使最后成形后的零件剛好與零件本身的設計要求相符。S.G.Xu研究了板料回彈的影響因數，他認為材料參數的波動變對回彈缺陷的影響化非常敏感，此外，對于高強度板的大回彈問題，他提出了工藝參數優(yōu)化控制和考慮板料變形歷史的模面迭代補償控制方法。
1.3.2 國內研究情況
我國對于此類的板料成形質量題研究時間比較短，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，并將該原理運用于曲梁回彈變形和懸臂梁回彈變形計算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進行數值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質力學及有限元變形理論，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 DEFORM-3D。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-AIA 方法。章婷等人采用 FEM 技術，通過建立正交優(yōu)化試驗對 U 形件進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值模擬參數。
在回彈控制方面，張立力等人針對板材成形中的回彈補償問題，通過采用通用機械軟件 UG 和 CAE 軟件 Pam-Stamp 所開發(fā)的回彈補償的模具設計系統(tǒng)，提出了一個根據工件的幾何形狀和回彈誤差來進行模具補償的方法。
1.4汽車保險杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢
無論汽車技術怎樣發(fā)展，人們在研究汽車輕量化的同時，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，在降低車身質量的問題上，選擇合適的材料十分重要。由于鋁合金具有諸多優(yōu)點，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量，而且在提高汽車的機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降低車身質量，都在不遺余力的研發(fā)鋁合金車身零部件乃至全鋁車身。而保險杠作為汽車上的一個重要零部件，當汽車受到外界撞擊時，它能有效的減緩外界沖擊，保護車內乘客安全，在一定程度上還能保護車身不被嚴重破壞。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，而且因其工作時將承受巨大沖擊載荷，制作材料要求具有高強度、高硬度等特點。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，當然會首先進入人們的視線。因此，用鋁合金材料制作保險杠及其相關組件，將會有很好的發(fā)展趨勢。
1.5汽車保險杠鋁成型組件缺陷分析
由于汽車保險杠鋁成型組件的形狀較為復雜，其幾何尺寸較大，而且在實際生產中，模具總是在不斷的打開和關閉，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量和裝配精度，這些諸如起皺、破裂、回彈等質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)設計工作的難度，以下將針對上述的主要缺陷進行分析。
1.5.1起皺
起皺是保險杠鋁成型組件沖壓成型過程中比較普遍的質量缺陷之一。它是由于材料在塑性變形過程中局部壓應力過大而出現(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。材料內部的壓應力一旦超過材料在厚度方向上的失穩(wěn)極限后，便會產生失穩(wěn)起皺。如圖1-1所示。當然，除此之外，成型過程中往往還跟隨著一些不均勻拉應力、剪應力或板內彎曲應力等，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量要求較高的車身覆蓋件會產生極大影響，若起皺過于嚴重，則零件將直接報廢，造成資源浪費。
圖1-1保險杠組件起皺缺陷
解決此類零件起皺問題時，一般在保證產品使用功能不喪失的前提下通過調整零件的形狀、采用合理的沖壓工藝、改善沖壓條件和材料性能及優(yōu)化模具設計制造等，最終達到改善和消除起皺缺陷的目的。
1.5.2破裂
破裂也是汽車保險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致失穩(wěn)的一種主要表現(xiàn)形式。板料變形過程中在其內部會存在拉應力相對集中區(qū)域，隨著變形的不斷加大，當某處材料所受到的拉應力過大，接近或超過材料本身的最大抗拉強度時，材料就將出現(xiàn)拉裂或拉斷現(xiàn)象，也就產生了破裂的缺陷。保險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度不夠，這種破裂缺一般延伸至零件邊緣，如圖1-2所示。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1-3所示。無論是上述哪種破裂形式，此種缺陷在實際生產中會直接影響著產品的成形質量，導致產品報廢，因此在實際生產中絕不允許出現(xiàn)此種缺陷。
圖1-2保險杠組傳力區(qū)件破裂缺陷
圖1-3保險杠組件塑性變形區(qū)破裂缺陷
在板材沖壓成型過程中，存在很多容易導致板材破裂的因素。為防止此種缺陷的產生，一般采取以下措施：可根據最終產品的具體情況選擇合適的毛坯形狀和尺寸；采用機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，并提供良好的潤滑條件等。
1.5.3回彈
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部應力變化造成的，然而，除了上述兩種常見缺陷外，在保險杠組件實際生產過程中，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發(fā)生的變形形式主要包括兩種：彈性變形和塑性變形。當沖壓成型結束后，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)彈性回復的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象往往導致成形后零件的實際尺寸值與標準值存在偏差，當然，對于零件的實際形狀也會產生很大影響，這種現(xiàn)象就稱之為回彈現(xiàn)象。汽車保險杠組件主要以彎曲變形為主，因此產生回彈現(xiàn)象是不可避免的?；貜棳F(xiàn)象對零件的成品質量影響很大，當回彈的量過大且超過零件允許誤差后，零件就將直接報廢，因此，回彈也是影響零件質量的重要缺陷。
實際生產過程中很多因素都可能導致最終零件產生回彈現(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，要根據零件件的具體形狀、尺寸及成型過程的變形特點等進行具體分析。
1.6本文研究的主要內容
本文將以汽車保險杠鋁成型組件為例，并結合ANSYS Workbench有限元分析軟件，模擬保險杠組件沖壓成型過程，分析現(xiàn)有工藝狀況及實際生產條件，找出其中容易導致產品成形后出現(xiàn)起皺、破裂、回彈等缺陷的因素，并依據分析結果，結合企業(yè)實際生產條件，對沖壓成型工藝做出合理優(yōu)化，力求達到提高最終成品率的目的。具體工作內容如下：
（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，包括相關軟件介紹，材料特性，材料屈服、硬化準則，接觸算法，加載卸載法則以及三維模型建立等內容；
（3） 研究對象的工藝特點及工藝分析；
（4） 對模型進行有限元分析，研究其變形狀況，為工藝優(yōu)化做準備；
（5） 結合有限元分析內容，提出幾點符合企業(yè)實際情況工藝優(yōu)化措施，并對現(xiàn)有工藝適度改進優(yōu)化；
（6） 通過現(xiàn)場實驗，對優(yōu)化后的工藝進行驗證，并與優(yōu)化前的結果作對比，記錄相關實驗數據。
（7） 對研究結果做出總結。
1.7本章小結
本章主要對研究內容做了一個簡要說明，分析了課題研究意義、國內外發(fā)展狀況以及相關技術的發(fā)展趨勢，并從針對本課題的具體對象，簡要介紹其實際生產中常見的缺陷類型。
第2章 板材沖壓有限元分析理論
2.1 ANSYS Workbench軟件介紹
ANSYS軟件由美國ANSYS公司開發(fā)，是一款功能十分強大的大型通用有限元分析（FEA）軟件，同時也是目前全球范圍內增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件。它能與大部分的計算機輔助設計軟件（CAD，computer Aided design）接口，實現(xiàn)數據的共享以及交換。是融合了流體、電場、聲場、磁場、結構分析等于一身的大型通用有限元分析軟件。而自ANSYS 7.0開始，ANSYS公司便推出了ANSYS Mechanical APDL（經典版）和ANSYS Workbench版兩個不同版本，并且目前均已開發(fā)至17.2版本。其中，Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，目的是解決企業(yè)在產品研發(fā)過程中常見的CAE軟件異構問題。它不但繼承了ANSYS Mechanical APDL界面在有限元仿真分析上的大部分強大功能，還提供了CAD雙向參數鏈接互動、項目參數自動更新機制、全新的參數和無縫集成優(yōu)化設計工具等，使得ANSYS在“仿真驅動產品設計”方面達到了前所未有的高度?？梢哉f，ANSYS Workbench真正實現(xiàn)了集產品設計、仿真、優(yōu)化功能于一身，可以幫助設計人員完成在同一平臺上完成產品研發(fā)過程的所有工作，從而大大縮短了產品研發(fā)周期，加快了上市步伐。
本課題研究所用的為ANSYS Workbench 15.0 版本。它是一個集成框架，整合了現(xiàn)有的各種應用并將仿真過程集成在同一界面下，其主要有三個模塊組成，分別是：
? Design Modeler——CAD幾何模型建立模塊，為后續(xù)分析做準備。
? Design Simulation——用ANSYS的分析模塊實現(xiàn)網格劃分，用來求解以及后處理，包括常見的Mechanical、Fluent等。
? Design Exploration——用于研究變量（幾何、載荷等）對響應（應力、頻率等）的影響，可實現(xiàn)優(yōu)化。
除了以上三個主要模塊，ANSYS Workbench 15.0還很多其他模塊，其中比較典型的有：進行全隱性耦合算法的CFX，由于專業(yè)渦輪葉片設計的Blade Modeler，用于爆炸等場合的高度非線性顯示動力學分析的AUTODYN。這些模塊將ANSYS Workbench 15.0打造成了應用極廣的有限元分析軟件。
2.2 材料的特性
本文研究的例子是保險桿組件，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EN-AW1050A。其泊松比μ＝0.32～0.36，彈性模量E＝72GPa,具體規(guī)范如表2-1和所示。
項目
名稱
數值
單位
尺寸（長*寬）
980×380
mm
厚度
0.8±10%
mm
密度
2160±10%
g/m2
滾花高度
2.5±0.5
mm
斷裂伸長率
>=38%
/50mm
抗拉強度
70～80
Mpa
成分
鋁（Al）
>=99.50%
g
硅（Si）
0～0.25%
g
銅（Cu）
0～0.05%
g
鎂（Mg）
0～0.05%
g
鋅（Zn）
0～0.05%
g
錳（Mn）
0～0.05%
g
鈦（Ti）
0～0.03%
g
釩（V）
0～0.05%
g
鐵（Fe）
0～0.40%
g
其他
0～0.03%
g
表2-1原材料基本信息
1050A鋁合金主要成分是工業(yè)純鋁，其含量高達（質量分數）99.50%以上，所以，1050A鋁合金的熔點比較低，不可運用熱處理的方法來加強它本身的硬度。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，1050A鋁合金的導電性和導熱性也十分出色。因此，在制造領域1050A鋁合金被廣泛使用，并應用于各種各樣的產品。
2.3 材料的屈服準則
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力狀態(tài)決定，當金屬材料受力時，材料內部的質點由彈性狀態(tài)逐漸過度到塑性狀態(tài)的準則，稱之為為屈服準則。對于金屬材料而言，常用的屈服準則主要有以下幾種：
2.3.1 Tresca 屈服準則
材料的塑性變形與其受到的最大切應力之間存在某種關系，當最大切應力的值達到某一特定值（即材料單向拉伸或者壓縮時屈服強度值（σs）的一半）時，材料就會發(fā)生屈服。Tresca屈服準則可表示為：
τmax=12(σ1-σ3)=σs2 （2-1）
式中 τmax ——材料的最大切應力（N/mm2）；
σs—— 材料的屈服強度（N/mm2）。
從上式可以看出，當材料的最大切應力達到屈服強度的一半時，材料就將進入并保持塑性變形狀態(tài)，而和另外的兩個差值沒有關系。Tresca屈服準則計算雖然簡單，但只能看出是否發(fā)生屈服與最大主應力和最小主應力的關系，無法反應第二主應力的影響。
2.3.2 Von Mises 屈服準則
Mises屈服準則是在1913 年由德國力學家 Von Mises 針對 Tresca 屈服準則作了進一步的彌補和改進之后提出的，該準則指出，在一定的變形條件下，不管物體處于什么狀態(tài)，一旦其所受應力的三個主應力組合符合某種特定條件，則材料的屈服準則可表示為Mises 屈服準則于。與Tresca 屈服準則相比，凡是通過Mises 屈服準則來描述的材料，都是各向同性的，即當材料內部任意一點的等效應力達到屈服極限時，那么該點就會進入塑性變形狀態(tài)。Mises屈服準則采用三個主應力的函數表達式如下：
F0σij=16σ1-σ22+σ2-σ32+σ3-σ12-13σs2=0 （2-2）
式中 F0——材料內部的等效應力（N/mm2）。
2.4材料的硬化準則
在金屬塑性變形過程中，隨著應變的增加，應力會急劇增大，此時就會發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，而硬化準則 就是用數學表達式來描述材料變形過程中所受應力與自身應變之間的關系。金屬板料塑性變形中的硬化準則主要描述了材料發(fā)生塑性變形后初始屈服準則隨著塑性應變增加的變化規(guī)律。硬化關系式可用如下一個基本方程表達：
Fσij,εijp,k=0 （2-3）
式中 σij——材料所受應力；
εijp——材料應變。
通常，我們根據材料在發(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則簡化為三種形式，分別為：各向同性硬化準則、隨動硬化準則、混合硬化準則。
2.4.1各向同性硬化準則
有的材料在變形過程中，材料內部各個方向上應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。當計算各向同性材料的變形時，需要采用的硬化準則即為各向同性硬化準則。當材料所受應力使其達到屈服極限后，材料的屈服面向各方向擴展時，會基于同一中心勻地向個方向擴展，如圖 2-1所示。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，那么后繼屈服函數的表達形式將與初始屈服函數的表達形式保持一致?？捎萌缦卤磉_式表示材料各向同性硬化準則：
Fσij,k=fσij-k=0 （2-4）
k=13σs2εp （2-5）
εp=23dεijpdεijp （2-6）
fσij=σ23 （2-7）
式中 k ——硬化參數；
εp——等效塑性應變。
圖2-1各向同性強化模型
2.4.2隨動硬化準則
并不是所有材料在成型過程中都保證按各向同性的規(guī)律進行變形，因此各向同性硬化準則對于此類材料并不適用。這些材料在變形時，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剛體移動，如圖2-2所示，這種特性我們可以稱之為隨動性。計算這類材料的變形情況時，我們所用的硬化準則稱為隨動硬化準則。隨動硬化準則的表達式可用如下關系式表示：
F(σij-αij)=0 （2-8）
式中 σij——屈服面中心的位置變化（mm）。
圖2-2隨動硬化準則模型
2.4.3混合硬化準則
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則還是隨動硬化準則都不適用，這種情況下的之為混合硬化準則。顧名思義，混合硬化準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力空間中發(fā)生變化，因此對板料成形過程中的應力與應變之間的關系描述得更加準確。混合硬化準則將塑性應變增量分解為兩部分，適用于各向異性材料，表達式如下：
dεij=dεijm+εijk （2-9）
式中 dεijm——屈服曲面擴張時的塑性應變增量（mm）；
dεijk——屈服曲面移動的塑性應變增量（mm）。
因此，混合硬化準則的函數表示為：
Fσij,αij,k=f-k=0 （2-10）
f=12(Sij-αij)2 （2-11）
k=13σs2(σp,M) （2-11）
式中 M ——材料在發(fā)生塑性行為時的混合硬化參數，一般在-1～1 之間取值。
2.5 沖壓過程應力加載和卸載法則
當板料受壓達到屈服極限并進入塑性變形狀態(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，板料內部的應力和應變都不再是線性關系。材料進入屈服狀態(tài)后，其塑性應變增量的方向可以依靠沖壓過程中應力加載和卸載法則進行精確預測和判定，由此便可確定板料處在不同狀態(tài)下的本構關系。對于硬化材料來說，判斷板料是否會繼續(xù)發(fā)生塑性變形的準則如下：
（1） 如果f(σij)<0，則板料將處于彈性狀態(tài)；
（2） 如果f(σij)＝0，且?f?σijdσij>0 , 則板料將處于繼續(xù)塑性加載狀態(tài) ；
（3） 如果f(σij)＝0，且?f?σijdσij<0 則板料將由塑性狀態(tài)按照彈性卸載；
（4） 如果f(σij)＝0，且?f?σijdσij=0，則材料處于加載的過渡狀態(tài)，此狀態(tài)下板料
不會產生新的塑性流動， 而是始終保持塑性變形狀態(tài)。
2.6 沖壓過程接觸算法
汽車覆蓋件沖壓成型的有限元分析是十分典型的復雜非線性靜力分析求解過程，因為在成型過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、罰函數接觸算法以及非線性罰函數接觸算法。
2.6.1 拉格朗日算法
在拉格朗日算法中，不會發(fā)生從節(jié)點穿透主動面的現(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算結果較為精確，當接觸非常高時，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格形狀的質量要求非常高，在網格劃分時，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，在運算處理過程中，由于所聯(lián)立程組比較復雜，計算消耗量會比較高。
2.6.2 罰函數接觸算法
與拉格朗日算法相比較，用罰函數接觸算法處理接觸問題時，具有穩(wěn)健以及高效的優(yōu)點，罰函數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算。這種算法的具體處理原則為：若出現(xiàn)從動面節(jié)點穿透主動面的現(xiàn)象，那么一個界面法向接觸力就會在主動面和從動面之間產生，而且隨著穿透深度的增加，此接觸力也會隨之增大。罰函數的數值就是表示在模具與板料的接觸過程中相應的接觸力大小。用此種接觸算法模擬過程時，可能在模具與板料之間會出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，因此應力計算的結果不是十分準確。此外，罰函數接觸算法模擬計算的精度以及穩(wěn)定性與接觸剛度比例系數的設置是否合理有很大關系。
2.6.3 非線性罰函數接觸算法
從本質上來說，非線性罰函數接觸算法其實還是屬于罰函數接觸算法。與上述的罰函數接觸算法相比較，這種算法只是在接觸力計算方法和接觸搜索方式上略有所不同。非線性罰函數接觸算法在判斷是否有接觸發(fā)生時，先將從動面的節(jié)點看成是球體，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。在接觸力的計算過程中，衡量懲罰強度的罰因數不再保持不變，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)點穿透主動面的情況，計算精度也就比傳統(tǒng)的罰函數法要高。
2.7 三維數模建立
本文的研究對象是汽車保險杠鋁成型組件，在進行有限元分析之前，必須先建立零件及模具的三維模型。在ANSYS Workbench中，有專門用來建立模型的模塊，及Design Modeler（簡稱DM）模塊，因此可以直接在ANSYS Workbench中建立待分析的模型。當然，模型建立也可以采用常用的繪圖工具來實現(xiàn)，如Solidworks、Auto CAD、Proe、CATIA等。此次分析的模型采用CATIA V5R21建立，分別建立了產品零件圖、模具裝配圖等模型，建立結果如圖2-3和圖2-4所示。
圖2-3保險杠組件零件圖
(a) (b)
(c) (d)
圖2-4模具裝配圖
2.9 本章小結
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備，除此之外，分析過程中需要的三維數模以及分析軟件也在本章做出了說明。
第3章 保險杠組件沖壓成型工藝
3.1 保險杠組件沖壓成型的的工藝特點
此次的研究對象保險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是原材料厚度方向上的變形比起長寬兩個方向的變形來說是十分微小。在實際生產中，板料沖壓成型時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準靜力過程，即在成型過程中，加速度和速度可以忽略不計。此外，與一般的沖壓產品相比，諸如保險杠組件之類的零件都具有形狀復雜、材料厚度薄、多為空間曲面、表面質量高和結構尺寸大等特點，因此，這類零件的沖壓工藝、模具設計以及模具制造工藝也存在其特有的特點：
（1）由于此類零件成型過程中拉延時要求進料阻力必須均勻，所以拉延模的拉延筋應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雜，而且材料在各個方向的變形都不均勻，因此在計算毛坯的拉延可能性及拉延次數時不能直接使用拉延系數進行簡單的判斷和計算。只能通過類比的方法，經生產現(xiàn)場調整并確定。
（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。
（4）為了保證零件在沖壓成型過程中原材料各部分能經受最大程度的變形而不產生破裂現(xiàn)象，針對原材料的金相組織、機械性能、化學成分，厚度精度以及表面質量都提出了很高、很嚴的要求。因此，應將此類汽車覆蓋件作為一類特殊的沖壓件來進行研究。
（5）從三維數模中就可看出，此次的研究對象形狀較為復雜，因此模具的總體設計也較為復雜。大部分諸如此類的汽車覆蓋件的模具都是如此，其工作部分都是復雜的空間曲面，而且對表面粗糙度和尺寸精度的要求也比較高，在模具加工過程中，需要采用特殊的工藝才能達到要求，因此，在磨具設計制造階段，占用的周期會比較長。
3.2 保險杠組件沖壓工藝的詳細說明
本文的研究對象保險杠組件的如圖3-1所示，該零件的沖壓工藝主要包含三個工位，分別為預成型、切邊和沖孔、成型和側沖。其完整的工藝流程圖如圖3-2所示。
圖3-1保險杠組件零件形狀
原材料收貨
進料檢驗
阻止和通知供應商
原材料儲存
原材料轉移至生產現(xiàn)場
預成型
切邊、沖孔
成型、側沖
阻止和內部分析
產品檢驗
完成產品包裝
轉移至庫房儲存
給客戶發(fā)貨
圖3-2保險杠組件工藝圖
以上工藝流程包含了從原材料到廠到最終發(fā)貨的全部流程，而主要的成型步驟及上述所提到的三個工位：預成型、切邊和沖孔、成型和側沖。下面將詳細介紹這三個工位的作業(yè)規(guī)范。
3.2.1 設備設定參數
在生產之前，首先需要將生產設備的各項參數調整到所需狀態(tài)，對于該產品來說，所需設置的的參數項為壓力、速度以及滑塊位置。
（1） 壓力及速度的設定
參數
設定值
公差
單位
一次加壓壓力
135
±15
T
保壓時間
0
sec
模具通氣時間
2
-2
sec
慢速回程
50%
±40%
快速回程
70%
±30%
慢速下行
50%
±40%
加壓
70%
±20%
以上各參數的設定中，速度的百分比表示以電機速度為基數，壓力的百分比表示以設備最大壓力為基數。
（2） 滑塊位置設定
參數
值
公差
單位
初始位置
950
±25
mm
下行快轉慢位置
850
±25
mm
閉合加壓位置
730
±25
mm
開模到位位置
720
±25
mm
快回結束位置
920
±25
mm
以上參數的的設定都是以設備上下平臺之間的最小距離為基準，若兩平臺之間的距離越遠，則數值越大。
3.2.2 操作流程說明
設備參數設置好之后，接下來就是實際生產過程，此處將詳細介紹保險組件沖壓成型部分的生產流程，具體如下。
步驟
圖片
操作說明
1：準備生產用具。
A：準備專用沖壓油。
B：準備克絲鉗、手錘。
C：每生產4小時，清理一次現(xiàn)場的油漬。
D：每次準備鋁板（待沖壓）在工作臺上的數量大于90片。并且盡量和完成品包裝工作一同進行。
操作工A
E：準備噴油壺。特別注意：油壺噴出的油必須是霧狀。這樣才能保證噴灑均勻，并且不會過多。
2：向鋁板上噴灑沖壓油
A：正常情況下每3件產品噴射沖壓油一次。如果遇到特殊情況適當增加噴射次數。為了防止員工漏噴，建議先數出3片，略微斜放置在原料堆上，然后再噴油。這樣循環(huán)操作。
B：油壺噴油時，噴嘴距離鋁板不能近，建議距離300毫米以上。并且保證所噴出的油霧都能噴到需要的區(qū)域，不能滴落。
C：噴油時將鋁片拿起，噴灑在鋁板的下表面。注意油膜的厚度0.2毫米。油膜不能流動和滴下。
D：噴油一定要噴在正確的位置，在產品兩邊變形劇烈的區(qū)域。如圖所示
操作工A
E：噴油后將鋁片反復兩次放在下面的鋁板上，保證下面的鋁板上表面也粘上沖壓油。
3：從模具上取下上一工作循環(huán)的產品
A：將鋁板放到模具左邊的設備下平臺上。
操作工A
B：一個手從模具的OP30(整形+側沖)位置上取下成品，同時另一只手將OP20 上的半成品轉移到OP30上（(整形+側沖)。然后放到組裝卡子的工裝上。（特殊情況下可以先放到組裝卡子工作臺的左側），
操作工B
特別注意：為了更好的保護模具每批產品生產完，需要在模具的每個工步上留一個產品。
4：將原料放到模具上
A：將OP10 上的半成品轉移到OP20（切邊+沖孔)。
B： 放鋁板到 OP10 (成型)。
C：從模具的OP20（切邊+沖孔)位置取下余料，放入到廢料收集箱。出現(xiàn)異常即使通知主管和質量人員。
操作工A
特別注意：員工一定要記住，不能將OP20上的半成品直接放到組裝工作臺上，這樣會造成側孔漏沖和產品形狀不符。一定要完成OP30后才能進行卡子組裝。機長和主管進行培訓和監(jiān)督，質量人員隨時進行抽檢。
5：按下啟動按鈕
A：按下復位按鈕和啟動按鈕，開始壓制產品。
操作工A、B
B：重復2到5步工作，進入下一個生產循環(huán)。
以上過程即為沖壓成型的全部內容。當然，除了此部分的操作外，在整個保險杠組件的生產過程中，還有組裝、檢驗、返修等步驟，由于此次研究的方向集中在對產品成型過程的工藝進行分析，找出導致產品成形后質量有缺陷的原因，并試圖通過可行方案優(yōu)化此部分工藝，達到提高成品率的目的，因此其他步驟的操作流程就不一一介紹。
3.3 本章小結
本章針對研究對象的具體情況對其工藝特點以及沖壓成型工藝做出詳細說明，為后續(xù)工藝優(yōu)化做鋪墊。
第4章 有限元分析過程及結果
4.1概述
通過前面幾章的講解，我們已經知道，保險杠組件的成型過程屬于典型的非線性靜力過程，其主要特征是力和由力帶來的位移程非線性變化，針對此類變形的分析，一般進行操作的基本流程如下：
創(chuàng)建分析項目
定義材料數據
添加幾何模型
定義零件行為
定義初始條件
設置分析選項
劃分網格
定義鏈接
定義邊界條件
求解
查看結果
保存并退出
此外，由于該零件在成形過程應變、撓度都發(fā)生很大變化，而且還伴有應力鋼化的現(xiàn)象，針對此零件應該進行幾何非線性分析，分析時，應注意以下幾點：
（1）打開大變形選項:進行非線性幾何結構靜力分析時，應注意設置分析選型，將大變形選項打開；
（2）添加材料數據：添加材料數據時，用定義彈性材料特性，如楊氏模量、泊松比等，然后給出非線性材料特性。飛線性材料特性的行為主要包括上述章節(jié)中提到的同向強化和隨動強化。
（3）簡化模型：非線性分析需要使用很多次迭代才能最終求出結果，每次迭代所需要的時間與網格的數據成正相關關系，因此，為了節(jié)省求解時間，在進行非線性分析時，盡可能簡化最終模型。
（4）網格劃分：網格劃分首先應提供足夠用于分析應力的網格密度。在進行該模型的分析之前，應該檢查網格形狀，以確定網格質量滿足分析要求。因為在大應變分析的每個子步中，每一次迭代后，網格變得嚴重扭曲，可能產生不良形狀網格單元，影響求解精度，甚至使求解失敗。
4.2 分析流程及結果
4.2.1分析流程
完成上述工作及熟悉相關注意事項后，即可進入分析過程。啟動ANSYS Workbench15.0，進入工作界面，需要按如下步驟進行分析；
（1）創(chuàng)建“Static Structural”項目列表。在ANSYS Workbench工作界面中，雙擊主界面“Toolbox”工具箱中的“Analysis System>Static Structural”選項，即可在項目管理區(qū)創(chuàng)建分析項目A，如圖4-1所示。
（2）定義材料數據。在Static Structural項目列表中雙擊Engineering Data，進入設計數據管理界面。在設計數據管理界面的“Outline of Schematic A2:Engineeing Data”窗口中單擊“Click here to add a new material”單元格，然后輸入材料名“Aluminum Alloy”稱并按Enter鍵確認，此時的窗口如圖4-2所示。
圖4-1Static Structural項目列表 圖4-2材料庫
（3）定義材料密度。在“Toolbox”工具箱中雙擊“physical properties”區(qū)域中的“Density”選項，將其添加到新建材料的屬性窗口。在屬性窗口中單擊“Density”項目后的單元格，然后輸入數值2 700，保持默認的單位不變，此時的窗口如圖4-3所示。
圖4-3材料屬性（1）
（4）定義彈性參數。在“Toolbox”工具箱中雙擊“Linear Elastic”區(qū)域中的“Isotropic Elasticity”選項，將其添加到新材料窗口中，然后設置如圖4-4所示的參數。
圖4-4材料屬性（2）
（5）材料庫添加完畢，退出“Engineering Data”返回Workbench主界面。
（6）添加幾何模型。在“Static Structural”項目列表中右擊“Geometry”項目，在彈出的快捷菜單中選擇“Import Geometry>Browse”命令，彈出打開對話框，選擇產品零件的幾何模型并打開。然后雙擊“Geometry”，此時會進入DM界面。單擊DM界面中的“Generate”按鈕開始生成模型，待生成完畢后，電機“關閉”按鈕，退出DM界面，返回Workbench主界面。
（7）進入分析。在“Static Structural”項目列表中雙擊“Model”項目，進入分析環(huán)境界面。
（8）設置材料屬性，在圖4-5所示的“Outline”窗口中，單擊“Geometry”下的幾何體