一步逆成形有限元法的叉車機罩坯料輪廓優(yōu)化

王 興，陳德生

(浙江工業(yè)大學 教育科學與技術(shù)學院，浙江 杭州 310023)

筆者在某工程機械配件制造企業(yè)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，叉車發(fā)動機罩坯料輪廓由技術(shù)員根據(jù)經(jīng)驗在CAD中畫出，再交由技工在數(shù)控激光切割機中切出輪廓。從生產(chǎn)實際的角度來看，在滿足拉深成形的前提下，節(jié)約原材料，如何科學繪制坯料的輪廓是必須面對的問題。本文運用一步逆成形有限元法(有限元逆算法)，對某型叉車發(fā)動機罩成形面進行分析，得出輪廓的尺寸，與經(jīng)驗法得到的輪廓尺寸進行比較，再加以適當優(yōu)化。最后進行生產(chǎn)性驗證，以證明有限元逆算法可以幫助工程設計人員在短時間內(nèi)合理的設計零件坯料外形。

現(xiàn)代制造業(yè)，對產(chǎn)品外形設計要求越來越高，特別是在航空航天、汽車制造、機械制造、生活用品等領域，都需要計算毛坯的展開形狀及尺寸。合理的毛坯形狀和尺寸對零件的厚度分布，成形極限有著極其重要的影響。另外可以提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。早在20年前，國內(nèi)外就有研究人員開始預測毛坯的形狀，應變的分布，厚度的變化，同時也出現(xiàn)了多種毛坯展開計算方法［1］。國內(nèi)金屬板料成形研究起步較晚，主要集中在幾個重點高校。目前，國內(nèi)外坯料展開算法主要有:經(jīng)驗法、滑移線法、勢場模擬法、幾何映射法、有限元增量法、一步逆成形有限元法［2］。其中一步逆成形有限元法應用場合比較廣泛，能適應多種形變且用時較少，因此，應用前景較好。

1 一步逆成形有限元法簡介

1.1 一步逆成形有限元法的設計思想

對于模具、毛坯和邊界條件不確定的金屬板料問題，僅僅考慮初始的毛坯和變形終了的零件，而不考慮變形的中間狀態(tài)，就形成了與傳統(tǒng)增量法由坯料到?jīng)_壓件的成形順序相反，由零件逆向反推到坯料的一步逆成形有限元法［1］。

一步逆成形的基本思想是:從產(chǎn)品最終形狀C出發(fā)，將其作為變形終了時工件的中面，通過有限元方法確定在滿足一定的邊界條件下工件中各個節(jié)點P在初始板料毛坯C0中的位置P0，比較板料毛坯和零件節(jié)點的位置可得到零件的成形極限和厚度的分布，如圖1所示。

圖1 一步逆成形的設計思想Fig.1 The design ideas of one－ step formability

圖2 圖2凹模表面模型Fig.2 Model of DIE

1.2 一步逆成形有限元法的特點

一步逆成形有限元法的特點在于有限元模型是建立在最終沖壓件形狀之上，表1中列出了一步逆成形有限元法中初始平板毛坯和最終沖壓件中已知量和未知量。

表1 表1一步逆成形的設計要素Table 1 The design elements of one－step formability

2 三維實體建模及凹模表面拾取

利用solidworks，按照1∶1的比例，建立某型叉車機罩的三維實體模型，用等距曲面命令拾取零件的外表面，保存為IGS文件作為凹模表面模型。如圖2所示。

3 成形性分析

3.1 板料參數(shù)

機罩零件采用DC06鋼板，矩形板料長1750mm，寬1250mm，厚1.5mm。主要物理性能:屈服強度142/MPa，密度 2.77/g·cm－3，彈性模量 71/MPa ×103，泊松比 0.33。

3.2 快速成形性分析

設計過程采用dynaform軟件，dynaform軟件是由美國ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形模擬的專用軟件包，可方便地求解板料成形工藝及模具設計涉及的復雜問題，是目前該領域中應用最為廣泛的CAE軟件之一。它可以預測板料成形過程中的破裂、起皺、減薄和回彈，評估板料的成形性能，為板料成形工藝及模具設計提供幫助，可以顯著減少模具設計時間及試模周期，從而提高產(chǎn)品品質(zhì)和市場競爭力［3］。

坯料工程(BSE)是dynaform的一個子模塊，其中包括快速求解模塊，用戶可以在很短的時間對產(chǎn)品進行成形性分析，大大縮短了計算的時間。此外BSE還能準確的預測毛坯的尺寸和幫助改善毛坯外形。

下面導入機罩凹模表面IGS模型，使用BSE的快速展料命令，輸入?yún)?shù)，軟件自動計算完畢后打開后處理模塊。導入模型文件分別得到成形極限圖和厚度變化圖。

圖3 成形極限圖Fig.3 FLD

圖4 厚度變化圖Fig.4 Thickness

圖3中不同顏色表示零件變形所處的不同狀態(tài):結(jié)果顯示機罩頂部圓角處形變處于安全狀態(tài)，靠近底邊處于有起皺的區(qū)域。這時，可以通過修改模具或者工藝參數(shù)予以消除。比如:提高壓邊力，選擇合適的沖壓速度，選擇最佳的毛坯形狀和尺寸，拉深筋的合理布置及形狀等。由于本文采用一步逆成形有限元法對零件的毛坯進行模擬，并不涉及中間過程，所以起皺的消除在正向分析中解決，這里不做具體分析。

從圖4中的厚度變化來看，成形后的零件是可以滿足使用需要的，最厚處1.835763mm，最薄處1.060604mm。

4 MSTEP毛坯生成

MSTEP模塊是改進的有限元逆算法，改進了全量形變理論產(chǎn)生的應變局部過快的現(xiàn)象，采用四邊形薄膜單元與DKQ彎曲單元，能夠保證逆算法的迭代收斂性，采用快速稀疏矩陣求解算法，可以綜合考慮摩擦，壓邊力，拉深筋等工藝因素對沖壓成形的影響，并引入壓料面，壓邊圈，托板等工具模型，可以模擬所有壓機的類型［4］。

4.1 零件網(wǎng)絡劃分

在坯料工程的預處理中對零件曲面網(wǎng)格劃分，劃分自動生成，網(wǎng)格尺寸大小對數(shù)值模擬的結(jié)果有很大影響。

4.2 網(wǎng)格質(zhì)量檢查和修補

雖然網(wǎng)格已經(jīng)劃分完，但是所劃分的網(wǎng)格中可能存在一些潛在的、影響模擬結(jié)果的缺陷，因此需要對網(wǎng)格進行檢查及修補。

依次操作:自動一致法線功能將在所選零件層上的所有單元方向改為指定方向;邊界顯示功能可以檢驗顯示零件層的邊界線，檢查網(wǎng)格上的間隙和孔洞等缺陷單元，并且高亮顯示邊界用來顯示網(wǎng)格缺陷;孔填充(Gap Repair)工具將網(wǎng)格劃分中出現(xiàn)的孔洞或者導入模型中存在的孔進行填充;自動修補(Auto Repair)工具自動修補網(wǎng)格間存在的間隙;自動填補(Auto Fill)工具將網(wǎng)格劃分中出現(xiàn)的孔洞自動填補。結(jié)果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格質(zhì)量檢查和修補Fig.5 Mesh quality inspection and repair

圖6 坯料展開圖Fig.6 Blank development

4.3 坯料展開計算

MSTEP可以快速精確預測沖壓件的毛坯尺寸及工藝切口、沖孔的位置，完成沖壓件的成形性分析。

在Tool Definition(工具定義)選項區(qū)域中，各種工具通過不同顏色表示是否定義好。綠色表示已經(jīng)定義好的工具，紅色表示必須定義但沒有定義好的工具，藍色表示可選擇定義的工具。將所有工具及約束定義完成后，單擊Submit Job(提交計算)按鈕，將開始根據(jù)當前的設置在求解器中進行計算。得到的坯料計算結(jié)果如圖6。

5 尺寸比較優(yōu)化

5.1 板坯邊界設定

在BSE的開發(fā)選項里選擇光順邊界，對毛坯邊界進行擴展，擴展的依據(jù)是拉深工藝需要法蘭承擔壓邊力。結(jié)合壓邊圈上的拉延筋位置及毛坯的定位，向四周擴展50mm。如圖7所示。

圖7 坯料邊界設定Fig.7 Blank border settings

圖8 輪廊比較Fig.8 Contour comparison

5.2 輪廓比較優(yōu)化

如圖8所示，左圖是MSTEP法毛坯輪廓，右圖是經(jīng)驗法毛坯輪廓。兩者比較發(fā)現(xiàn):MSTEP得到的毛坯輪廓最大輪廓尺寸:1677×1035×1.5(mm)，面積為1246563mm2。經(jīng)驗法得到的毛坯輪廓最大輪廓尺寸:1640×1120×1.5(mm)，面積為1341475mm2。同樣滿足成形的前提下，從面積來看，經(jīng)驗法得到的輪廓面積大，不利于節(jié)約原材料。

綜合這兩個輪廓形狀，對毛坯的局部進行優(yōu)化，優(yōu)化的依據(jù)是機罩的一個側(cè)面在成形后需要切除，其他三側(cè)面在成形過程中考慮壓邊的需要和拉深筋對成形的影響。優(yōu)化后得到的形狀如圖9。

優(yōu)化后的毛坯輪廓最大輪廓尺寸:1660×1035×1.5(mm)，面積為1174738mm2。優(yōu)化后的毛坯輪廓比經(jīng)驗法得到的輪廓面積上小了166737mm2。在滿足成形的同時，提高了板材的利用率。

圖9 優(yōu)化后輪廊圖Fig.9 Contour optimization

圖10 生產(chǎn)試驗Fig.10 Pilot production

6 生產(chǎn)驗證

最后我們將優(yōu)化結(jié)果保存為圖形文件，傳輸?shù)綌?shù)控激光切割機床，切制出坯料輪廓，再由5000KN的液壓機拉深成形，得到的半成品沖壓件如圖10所示。

從成形的零件實體看，機罩的優(yōu)化設計是成功的，有效的。說明一步逆成形有限元分析法在分析零件毛坯形狀時可以大大縮短工程技術(shù)人員的分析時間，并且可以靈活的對輪廓形狀進行增減，以適應設計的需要。

7 結(jié)論

一步逆成形有限元法在汽車制造領域分析中較多見，但是在工程機械制造領域還處于發(fā)展階段，眾多生產(chǎn)企業(yè)對有限元分析軟件的應用較少。本文的出發(fā)點是理論聯(lián)系實際，以某型叉車發(fā)動機罩為例，將一步逆成形有限元法數(shù)值模擬的結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)驗法圖形文件相比較，表明在精度允許的范圍內(nèi)，一步逆成形有限元法可以快速簡單的擬合板坯形狀，解決毛坯形狀的確定問題。闡明了合理利用有限元分析軟件，可以幫助工程機械制造企業(yè)提高設計精度，縮短開發(fā)時間，優(yōu)化材料利用率。

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