汽車覆蓋件模具設(shè)計應(yīng)用CAE技術(shù)分析

孫子祥

摘 要：該文在概述汽車覆蓋件特點要求和CAE技術(shù)基本知識的基礎(chǔ)上，給出了汽車覆蓋件模具設(shè)計應(yīng)用CAE技術(shù)的一般過程，并結(jié)合轎車頂蓋形件模具設(shè)計應(yīng)用CAE的實例，具體分析了CAE技術(shù)在汽車覆蓋件模具設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車覆蓋件 模具設(shè)計 CAE技術(shù) 應(yīng)用

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0039-01

1 汽車覆蓋件和CAE技術(shù)概述

汽車覆蓋件是指構(gòu)成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動機和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內(nèi)部零件。汽車覆蓋件模具設(shè)計必須采取較高的尺寸精度，保障焊裝或組裝時的準確性和互換性：形狀上要保證質(zhì)量，不出現(xiàn)壓凹痕、褶皺、擦傷等，棱線應(yīng)清晰、平直，曲線應(yīng)圓滑、過渡均勻；材料要足夠塑性；零件要足夠剛性。

CAE技術(shù)即計算機輔助工程技術(shù)，能夠貫穿汽車開發(fā)全過程，包括結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化；噪聲、振動與不平順分析；汽車碰撞模擬分析；覆蓋件成形性模擬分析等，應(yīng)用十分廣泛，但CAE技術(shù)難度大，深度深。

2 汽車覆蓋件模具設(shè)計應(yīng)用CAE技術(shù)的一般過程

應(yīng)用CAE技術(shù)進行汽車覆蓋件模具設(shè)計制造需要反復(fù)設(shè)計，其一般的理論過程主要是：（1）設(shè)計零件幾何模型。即應(yīng)用CAE技術(shù)，首先要在根據(jù)金屬塑性成形過程的材料流動規(guī)律，在三維CAD軟件中設(shè)計出零件的幾何模型，并設(shè)計出壓料面和工藝補充面。（2）建立有限元模型。根據(jù)上述的成形模具的幾乎模型建立有限元模型，進行有限元計算。（3）分析試運行結(jié)果。如果不滿意分析結(jié)果，就需要重新返回三維CAD軟件中重新修改零件的幾何模型，并將修改或模型再次進行CAE分析，這其中離不開生產(chǎn)有限元網(wǎng)格和設(shè)置成形參數(shù)。

3 應(yīng)用實例介紹

以一輪廓尺寸為164 cm×88.5 cm的轎車頂蓋形件為例，以此來說明如何應(yīng)用材料成形沖壓CAE技術(shù)在汽車覆蓋件沖壓拉深成形數(shù)值模擬仿真過程及其工藝參數(shù)優(yōu)化的應(yīng)用。

3.1 設(shè)計車蓋幾何模型

進行工藝補充面初步設(shè)計，采用平面坯料一次拉伸成形，在UG軟件①中建立蓋形件三維立體模型，后進行抽面處理，并將添加補充面后的曲面模型（見圖1：車蓋曲面模型）導(dǎo)入到?jīng)_壓仿真Dyanform軟件中。

3.2 建立有限元模型并分析

采用自適應(yīng)網(wǎng)格，劃分坯料網(wǎng)格，可以采用自適應(yīng)網(wǎng)格或者曲線劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的單位數(shù)越小，模擬運算板料變形精確度越高，但所需的計算時間也相應(yīng)地增長。通過網(wǎng)格劃分，建立三維零件曲面的有限元模擬模型（見圖2：有限元模型）。

3.3 試運行結(jié)果分析

采用1/2模型模擬，由于采用平面坯料一次拉伸成形，因此坯料在壓邊過程出現(xiàn)深度達10 cm以上的嚴重內(nèi)凹（見圖3：嚴重內(nèi)凹），導(dǎo)致過多材料積聚于坯料中間部位，成形車蓋中間部位材料變量過小，其剛度會受到嚴重影響。

3.4 優(yōu)化設(shè)計

針對汽車頂蓋件設(shè)計出現(xiàn)的上述內(nèi)凹問題，優(yōu)化設(shè)計可以考慮先預(yù)成形，后拉深成形，通過計算，最大主應(yīng)變值為0.72%，預(yù)成形后各板料部位應(yīng)變量較小，對后續(xù)拉深成形影響可以忽略不計，因此，此方案可行。

3.4.1 優(yōu)化工藝補充面

通常，設(shè)計工藝補充面需要相同化板料拉延深度，促使板料均勻流動。針對在此拉深成形模擬中出現(xiàn)的中部板料嚴重變形問題，可考慮增加中部拉延深度，以避免車蓋模具中間位置面積大而曲率小的缺陷，以從其他臨近位置補充中間板料?；蛘邔毫厦嬷虚g位置改為平面，進一步加大中部拉延深度，結(jié)果表明，明顯改善了成形效果，相應(yīng)位置模具圓角的修改也很好地解決了模具出現(xiàn)的開裂問題。

3.4.2 優(yōu)化模具圓角和坯料幾何

要提高汽車覆蓋件成形效果，采用修改模具圓角是常用方式，但要保障覆蓋件的基本性能，本例主要修改了工藝補充面的圓角特征來解決開裂實效問題。而優(yōu)化坯料的幾何形狀，則包括優(yōu)化其尺寸，切開位置，并借助逆向法有限元計算進行估算，以估計出復(fù)雜邊界零件的坯料幾何。轎車頂蓋覆蓋件由于其邊界接近矩形，因此，可以用矩形的板料作為坯料的基本形狀并對其進行局部修改以最終實現(xiàn)成形要求。

結(jié)果證明，案例中的轎車頂蓋覆蓋件在應(yīng)用CAE技術(shù)并進行坯料幾何和模具圓角的優(yōu)化設(shè)計后，明顯改善了轎車頂蓋的成形條件并提高了汽車頂蓋的沖壓成形效果。

參考文獻

[1] 陳劍鶴.汽車覆蓋件沖壓工藝與模具設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2] 曹振雨.淺談汽車覆蓋件模具設(shè)計與制造[J].精密制造與自動化，2013（2）：54-58.

注釋

① 三維建模軟件（如Pro/e，UG、CATIA等）的一種。