基于FASTAMP 的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩?jǐn)?shù)值模擬

黃清海

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福州350003）

0 引言

構(gòu)成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤的異形體表面和內(nèi)部的汽車零件，統(tǒng)稱為覆蓋件。這類制件與一般沖壓件相比，具有材料薄、形狀復(fù)雜、輪廓尺寸大、表面質(zhì)量要求高、剛性好等特點(diǎn)。覆蓋件通常要經(jīng)過落料、拉延、修邊、翻邊、沖孔、整形等多道工序才能成形，其中最關(guān)鍵的工序是拉延工序，因?yàn)橹萍拇蟛糠中螤钍窃诖说拦ば虺尚蔚摹８采w件成形力學(xué)過程復(fù)雜，成形過程中常見質(zhì)量問題有起皺、拉裂、過度減薄、變形不足、回彈等。利用數(shù)值模擬技術(shù)可以模擬覆蓋件變形的全過程，預(yù)測各種缺陷，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)和模具型面結(jié)構(gòu)及尺寸。

數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用對汽車工業(yè)發(fā)展具有重要意義，在國外，板料成形有限元技術(shù)已經(jīng)是很多汽車生產(chǎn)廠和模具生產(chǎn)企業(yè)的必須工序。在國內(nèi)，該項(xiàng)技術(shù)開展的時(shí)間較晚，一些大學(xué)如華中科技大學(xué)、上海交大、吉林大學(xué)等高校開始了這方面的研究，或自主開發(fā)，或與企業(yè)聯(lián)合，開展了一些工作。本文中使用的軟件FASTAMP即為華中科技大學(xué)塑性成形模擬及模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)開發(fā)的，F(xiàn)ASTAMP是一種基于改進(jìn)的逆算法和動(dòng)態(tài)顯示法的快速有限元分析軟件。

本文以某轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩為例，基于彈塑性有限元法，采用FASTAMP有限元分析軟件對其成形過程進(jìn)行模擬分析，依據(jù)成形極限圖（FLD圖），提出合理的沖壓工藝方案，以作為模具型面設(shè)計(jì)的參考和依據(jù)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩工藝性分析

發(fā)動(dòng)機(jī)罩外觀光順平滑，棱線清晰，材料為國產(chǎn)烘烤硬化高強(qiáng)度冷連軋鋼板B180H1，厚度0.8mm。B180H1主要用于沖壓加工，成形性能良好，材料性能參數(shù)見表1。該制件成形時(shí)，坯料和凸模接觸面積很大，板料平面上拉應(yīng)力很低，材料得不到充分的塑性變形，對提高材料剛度不利。為了保證機(jī)罩總成碰撞時(shí)有足夠的剛度，通過加工硬化使材料強(qiáng)度和硬度有所提高，因此板料減薄率一般要＞3%，加之兩側(cè)車身機(jī)蓋內(nèi)外板邊緣采用立體咬合方式，雙管齊下可提高總成碰撞時(shí)的剛度。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩工藝方案除了確定工序數(shù)量、工序順序、進(jìn)料方向和沖壓設(shè)備外，還要重點(diǎn)確定：1）沖壓方向；2）壓料面和工藝補(bǔ)充面形狀；3）拉延筋；4）凸、凹模和壓邊圈的潤滑。

以上4項(xiàng)設(shè)計(jì)的合理與否決定發(fā)動(dòng)機(jī)罩的總體質(zhì)量。

2 數(shù)值模擬中若干技術(shù)問題的處理

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩的CAD設(shè)計(jì)

運(yùn)用UG三維軟件對發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行三維建模，保存成prt格式。通過多次使用鈑金CAE分析軟件發(fā)現(xiàn)，采用不同的三維造型軟件建模，雖然最終可用通用格式導(dǎo)入或?qū)С觯煌浖煨偷奈募诟袷睫D(zhuǎn)換過程中會(huì)有數(shù)據(jù)損失，而修復(fù)這種有數(shù)據(jù)損失的曲面常常需要大量的時(shí)間和精力。所以最好在造型前確定好未來使用的CAE軟件讀取格式，軟件版本高低等細(xì)節(jié)問題，以免事倍功半，因?yàn)镕ASTAMP是基于UG環(huán)境的專業(yè)板料成形模擬軟件，所以使用UG造型能最好地保證被分析曲面的質(zhì)量。如圖1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)罩三維模型。

表1 B180H1機(jī)械性能

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩三維模型

2.2 有限元網(wǎng)格的劃分

高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分才能保證分析結(jié)果的可靠性。用網(wǎng)格劃分工具對導(dǎo)入曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分好網(wǎng)格后還要對網(wǎng)格進(jìn)行檢查，主要檢查模面是否完整，是否有漏洞、重疊，網(wǎng)格的法向是否一致，內(nèi)角檢查，并修復(fù)有缺陷的單元。該發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)左右對稱，曲面形狀并不復(fù)雜，外形類平板，整體拉延深度不大，故網(wǎng)格數(shù)量不宜過多以免運(yùn)算時(shí)間過長，按8 000個(gè)單元生成網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩網(wǎng)格模型及拉延方向

2.3 拉延方向的選擇

汽車覆蓋件在造型時(shí)通常是按裝車位置繪制的，而沖壓過程中制件的拉延方向還要綜合考慮很多因素，導(dǎo)致制件裝車位置和沖壓位置并不一致。本制件形狀中的凸模能順利進(jìn)出凹模，凸模與拉延毛坯的接觸面積也較大，確定本制件拉延方向考慮的主要因素為盡量使拉延深度差最小。將發(fā)動(dòng)機(jī)罩繞Y軸旋轉(zhuǎn)11.57°，保證拉延深度差最小。如圖3所示，為保證拉延深度差最小而對發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)示意圖，圖2中箭頭方向?yàn)槔臃较颉?/p>

圖3 裝車位置和拉延方向

2.4 成形性分析（未添加工藝補(bǔ)充面和壓料面）

對制件本身進(jìn)行成形性分析的目的主要有2點(diǎn)：一是得到坯料輪廓展開線，作為設(shè)計(jì)坯料形狀和尺寸的依據(jù)；二是對沖壓件關(guān)鍵區(qū)域可成形性進(jìn)行快速評估，初步判斷制件本身設(shè)計(jì)是否合理，成形過程中是否有明顯缺陷，以此作為修改制件和處理后續(xù)模擬中相關(guān)技術(shù)問題的參考依據(jù)。例如：一個(gè)拉延件在未添加工藝補(bǔ)充面和壓料面的情況下模擬出現(xiàn)了嚴(yán)重的開裂，那么添加了工藝補(bǔ)充面和壓料面之后坯料輪廓尺寸變大，拉裂將更加嚴(yán)重，這時(shí)應(yīng)根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整制件成形工藝方案，新方案改為對該制件進(jìn)行淺拉延后再通過翻邊達(dá)到制件要求高度。

對劃分好網(wǎng)格后的未添加工藝補(bǔ)充面和壓料面的曲面進(jìn)行成形分析，首先判斷該制件本身成形工藝性的好壞。如圖4所示，分析結(jié)果顯示該制件整體都處于成形不足區(qū)域。變形不充足會(huì)導(dǎo)致覆蓋件剛性差，受振后產(chǎn)生空洞聲，用這樣的覆蓋件裝車，車在行駛中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，造成覆蓋件的早期損壞。分析FLD圖和成形過程可知，產(chǎn)生變形不充足的主要原因是沒有壓邊力和沒有設(shè)置拉延筋。

2.5 工藝補(bǔ)充面及壓料面設(shè)計(jì)

壓料面是位于凹模圓角半徑以外的那一部分坯料，是工藝補(bǔ)充的一個(gè)重要組成部分；工藝補(bǔ)充面是零件邊緣延伸到壓料面的過渡面，工藝補(bǔ)充是為了順利拉延而添加的材料，故在拉延成形后的修邊工序?qū)⑶谐?。大型鈑金件拉延模中，工藝補(bǔ)充面和壓料面的設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及邊界條件以保證順利拉延成形的創(chuàng)造性勞動(dòng)，對覆蓋件的拉延成形起著重要作用，是保證沖件質(zhì)量和防止缺陷的重要途徑。本例要克服變形不足的問題，應(yīng)盡量使毛坯各部分在拉延過程中處于拉伸狀態(tài)，需要增加壓料面、提供合理的壓邊力、設(shè)計(jì)具有一定角度的補(bǔ)充面?zhèn)缺诩肮に噲A角半徑。其中壓料面采用空間曲面形狀，利用UG的曲線延伸功能沿曲面原有的趨向線方向進(jìn)行曲面延伸處理。工藝補(bǔ)充面?zhèn)缺诓荒芴?，過渡圓角半徑盡量取大，可采用UG的面分析和拔模命令完成，如圖5所示為添加了工藝補(bǔ)充面和壓料面的模型。

圖4 制件本身的成形工藝性分析結(jié)果

圖5 工藝補(bǔ)充面、壓料面及拉延筋的設(shè)計(jì)

2.6 拉延筋的設(shè)計(jì)

合理布設(shè)拉延筋是穩(wěn)定、靈活、有效、均勻控制拉延阻力的重要方法，拉延筋的設(shè)計(jì)首先要保證能夠提供足夠的拉延阻力，又要有較大的可調(diào)空間。由于拉延阻力由大向小調(diào)整比較容易實(shí)現(xiàn)，通過減小拉延筋高度或者增大圓角半徑即可，因此在拉延筋的初始設(shè)計(jì)時(shí)一般采用能產(chǎn)生較大阻力的拉延筋。矩形拉延筋可調(diào)整參數(shù)較多，且在相同的筋高和圓角半徑下阻力較大，因此本例的初始形狀采用矩形拉延筋更合適。本例中拉延筋的各圓角半徑為3mm，雖然小的拉延筋圓角會(huì)劃傷板料的表面，但該制件成形時(shí)，材料流動(dòng)不大，劃痕線不會(huì)流入工件，會(huì)在后面切邊工序中切除，不影響制件質(zhì)量。拉延筋布置如圖5所示，圖中高亮顯示的線條為拉延筋的中心線位置，拉延筋的具體尺寸在FASTAMP的拉延筋幾何參數(shù)中定義。

2.7 有限元數(shù)值模擬模型

圖6所示為通過自動(dòng)定位分離出的有限元數(shù)值模擬模型。圖中對象從上向下分別為拉延凹模、坯料、壓邊圈和拉延凸模。

圖6 有限元數(shù)值模擬模型

2.8 確定數(shù)值模擬參數(shù)及數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文各模擬參數(shù)分別為：采用壓力機(jī)類型為雙動(dòng)拉延成形方式，潤滑級別為凸模良好、凹模和壓邊圈粗糙，等效拉延筋阻力158N／mm，壓邊速率3 000mm／s，板料單元類型BT殼單元，摩擦系數(shù)0.125，凸模移動(dòng)速度5 000mm／s，壓邊力1 200kN，完成這些設(shè)置后就可以提交任務(wù)進(jìn)行計(jì)算。

如圖7所示為數(shù)值模擬分析結(jié)果，從圖中可看出板料變形不足的現(xiàn)象得到了明顯改善，整個(gè)機(jī)罩成形都屬于綠色安全區(qū)，零件沒有出現(xiàn)破裂，在補(bǔ)充面尖角處有2處起皺趨勢區(qū)，這是由于轉(zhuǎn)角處扇形變形區(qū)材料轉(zhuǎn)移時(shí)，切向壓應(yīng)力過大所致，不過該區(qū)會(huì)在后續(xù)切邊工序中切掉，所以并不影響覆蓋件的質(zhì)量，覆蓋件絕大部分都得到了充分的拉延，滿足產(chǎn)品的使用要求。

圖7 模擬結(jié)果及FLD圖

3 結(jié)語

本文對發(fā)動(dòng)機(jī)罩拉延工序進(jìn)行了數(shù)值模擬，針對拉延中出現(xiàn)的變形不足問題，提出增加壓邊力和設(shè)置拉延筋的方法，通過合理的潤滑，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)罩的成形工藝。目前，該發(fā)動(dòng)機(jī)罩的表面質(zhì)量和尺寸精度都符合產(chǎn)品要求，按此工藝要求設(shè)計(jì)的模具，調(diào)試周期短，制件質(zhì)量高，鈑金數(shù)值模擬技術(shù)的不斷完善必將促進(jìn)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展。

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