新型高效的Autoform沖壓信息映射方法的研究及應(yīng)用

李 晗

（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧 沈陽 110122）

新型高效的Autoform沖壓信息映射方法的研究及應(yīng)用

李 晗

（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧 沈陽 110122）

通過沖壓成型仿真后得到的鈑金厚度減薄率和塑性應(yīng)變等成形信息，分析碰撞仿真中考慮這些材料屬性的變化將對仿真精度有著顯著影響。目前尚無有效的方法將沖壓成型信息完整的映射到碰撞仿真模型中，通常采用的三節(jié)點局部坐標(biāo)系的映射方法，Autoform實際的沖壓成形信息映射過程中普遍存在沖壓信息偏移失真、成形信息映射不完整等情況，文章提出一種新型有效的Autoform沖壓信息映射方法，可以有效地解決成型信息映射不完整的問題，并制定出汽車成形碰撞集成仿真中沖壓信息映射方法流程圖，為項目前期的沖壓成型碰撞集成映射提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)，提高碰撞仿真的模型精度。

沖壓仿真；整車碰撞仿真；三節(jié)點映射法

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-33-05

概述

通過沖壓仿真可以獲得鈑金厚度減薄率和塑性應(yīng)變等成形信息，碰撞仿真中考慮這些材料塑性的變化將對仿真精度有著重要影響。但是如何將沖壓成型信息有效，準(zhǔn)確的映射到碰撞仿真的模型中去，目前尚無一種有效，準(zhǔn)確的映射方法，通常使用三節(jié)點局部坐標(biāo)系映射法，此映射方法雖然可以通過Autoform進行映射，但是會存在成型信息失真，偏移量過大，映射信息不完整的情況。本文提出一種新型有效的沖壓成型信息-碰撞集成仿真的映射方法，此方法可以有效，準(zhǔn)確的將沖壓成型信息映射到碰撞集成仿真中，提高碰撞仿真的精度。此方法將對新車型的概念設(shè)計階段進行有效而快速的預(yù)測，包括乘員響應(yīng)傷害程度和汽車結(jié)構(gòu)本身耐撞性能在內(nèi)的被動安全性能、對加快新車型開發(fā)速度和提高設(shè)計水平起到重要作用[1]。

1、沖壓成型信息映射

制件通過沖壓成型后，會給材料本身的力學(xué)性能和幾何形狀帶來重大影響，例如會改變材料的屬性，如加工硬化，厚度變化，殘余應(yīng)力，塑性應(yīng)變等[2-6]。沖壓成型信息輸出后的結(jié)構(gòu)文件如圖1所示：可以看到，每個單元都附有單獨的厚度和應(yīng)變信息。

圖1 沖壓成型仿真后的制件的厚度信息

美國通用汽車公司最早提出了把成型過程的影響引入結(jié)構(gòu)分析的思想，在1988年，他們考慮了成型過程的厚度減薄和殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的影響，提出了一種精度分析方法。但由于沖壓成型仿真更多的關(guān)注較小尺寸的幾何特征的成形性，如圓角、小的凸臺、凹槽等，這些區(qū)域的網(wǎng)格尺寸要求較精細(xì)。如果將這些網(wǎng)格直接用于碰撞仿真分析將會帶來碰撞模型自由度過多，計算模型規(guī)模大，計算耗時長等問題，不利于汽車的前期開發(fā)，所以此方法這么多年來并沒有得到推廣應(yīng)用。

1999年到2003年韓國高等工業(yè)大學(xué)Huh.H教授的課題組針對成形過程對車身結(jié)構(gòu)件碰撞特性的影響的問題[7-9]，進行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)如果在碰撞仿真中不考慮成形過程的影響可能會引起高達20%的計算誤差。

圖2 沖壓成型仿真后制件的應(yīng)變信息

因此，將沖壓成形信息準(zhǔn)確有效的映射到整車碰撞仿真模型中的方法至關(guān)重要。

2、目前映射方法存在的問題

目前常用的沖壓成型仿真結(jié)果向碰撞模型的映射過程中首先要求建議局部坐標(biāo)系即參考點，一般選擇在沖壓成型仿真和碰撞仿真建模之前，需要一些關(guān)鍵點，如關(guān)鍵孔的位置（對稱面的位置或其他關(guān)鍵部位）來建立一個映射使用的局部坐標(biāo)系，實現(xiàn)沖壓成型信息向碰撞仿真模型的映射。

由于目前使用的局部坐標(biāo)系映射法，局部坐標(biāo)系的誤差比沖壓成型仿真本身的誤差還要大，因此沖壓成型和碰撞仿真中這些關(guān)鍵部位網(wǎng)格劃分的一致性，局部坐標(biāo)系的準(zhǔn)確性都對計算精度有著重要影響。

圖3 Autoform自適應(yīng)三角形網(wǎng)格與碰撞網(wǎng)格重疊對應(yīng)

圖4 成形信息映射不完整示意圖

沖壓成型仿真在Autoform計算中采用的是自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，為三角形網(wǎng)格，而碰撞分析的網(wǎng)格為四邊形網(wǎng)格，此情況會出現(xiàn)三角形網(wǎng)格節(jié)點與四邊形網(wǎng)格節(jié)點不對應(yīng)，在映射過程中會普遍存在沖壓信息偏移失真，成型信息映射不完整等情況。

3、新型準(zhǔn)確高效的Autoform沖壓信息映射方法

基于局部坐標(biāo)系映射方法存在的成型信息映射不完整的情況，本文以某車型的縱梁為例，進行沖壓成型映射，并對子結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果進行對比分析，整理出一種基于三節(jié)點局部坐標(biāo)系的新型準(zhǔn)確高效的Autoform沖壓信息映射方法。

3.1 映射方法流程圖

新型準(zhǔn)確高效的Autoform沖壓信息映射方法的流程圖如圖5所示：主要包括幾何模型建立模塊，幾何模型處理模塊，沖壓結(jié)果信息模塊，碰撞模型組裝模塊，成型-碰撞仿真模型集成模塊5部分；

其中，幾何模型處理模塊又包括幾何模型添加特征贏點（Point）、幾何模型沖壓仿真計算、幾何模型劃分碰撞網(wǎng)格三個步驟，實現(xiàn)為沖壓歷史映射模塊、碰撞模型集成模塊提供對應(yīng)映射參數(shù)與集成對象。

以下以某車型的縱梁制件為例，進行詳細(xì)說明此映射方法的流程，對映射后的結(jié)果進行分析說明，以此證明此映射方法的有效性及映射信息的完整性。

圖5 新型準(zhǔn)確高效的Autoform沖壓信息映射方法流程圖

3.1.1 幾何模型建立模塊

主要工作為建立幾何模型，以某車型的縱梁為例，幾何模型數(shù)據(jù)如圖6所示：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成IGS格式，并劃分網(wǎng)格，如圖7所示。

圖6 某車型縱梁的幾何模型

圖7 車型縱梁網(wǎng)格數(shù)據(jù)

3.1.2 幾何模型處理模塊

此模塊主要對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行處理，分為三部分，第一部分：將網(wǎng)格數(shù)據(jù)輸出為K文件，用于整車碰撞模型的組裝；第二部分：將網(wǎng)格數(shù)據(jù)輸出為DYN文件，且在mesh中使用Tool→translate功能平移，以避免與K文件中模型的空間位置重合；使用Tool→renumber→all功能對網(wǎng)格進行重新編號，使其Component編號、節(jié)點編號和單元編號均與K文件中的不同；將文件輸出，用于對零件進行沖壓成型仿真；

第三部分：將K文件和DYN文件在mesh中打開，在網(wǎng)格劃分相同但空間位置不同的情況下，選取一步法映射所需要的三組節(jié)點。

圖8 k文件和dyn文件的三組節(jié)點號及位置示意圖

映射所需的節(jié)點的選取原則為：1.選取的三個節(jié)點不在同一直線上；2.節(jié)點的位置盡量選在具有結(jié)構(gòu)特征處，比如圓角，翻邊邊界處；3.三個節(jié)點盡量在制件的兩端，最大程度的囊括制件的結(jié)構(gòu)信息。

3.1.3 沖壓結(jié)果信息模塊

圖9 Autoform分析結(jié)果輸出選項示意圖

沖壓結(jié)果信息模塊是基于Autoform仿真軟件Map Resu lts功能，采用新的映射方法，在不考慮Autoform自適應(yīng)劃分網(wǎng)格與碰撞網(wǎng)格不對應(yīng)的情況下依據(jù)幾何特征硬點與對應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點（Node）完全重合的特性進行完整準(zhǔn)確的映射，生成含有沖壓信息的DYN文件，實現(xiàn)將幾何模型中沖壓仿真結(jié)果映射至劃分好碰撞網(wǎng)格的零件對象中，以作為成型-碰撞集成模塊中成型信息集成的來源。

具體操作是在輸出框中勾選：a）輸入格式選擇Dyna；b）輸出格式選擇與輸入格式相同；c）選擇厚度框；d）選擇塑性應(yīng)變框；e）估讀誤差（Interpolation）選擇Average和Smooth兩個框，點擊OK確定后，選擇導(dǎo)出的Dyna文件，導(dǎo)出即可。

對于增量法沖壓仿真結(jié)果，此時需要對切邊線進行處理后，找出對應(yīng)的三組節(jié)點。

增量法仿真結(jié)果的修邊線的處理方法如圖10所示：在Autoform軟件中，制件的修邊線是由很多節(jié)點組成，在所選特征節(jié)點的位置，將特征節(jié)點的中間點向與沖壓方向垂直的平面拉出，修邊處邊界，在后期映射時即可快速的找到映射所需的節(jié)點。

圖10 前縱梁前端和后部修邊線處理示意圖

3.1.4 碰撞模型組裝模塊

碰撞模型組裝模塊是將幾何模型處理模塊中的碰撞模型進行載荷與約束的設(shè)置，結(jié)果以K文件形式作為成形—碰撞集成模塊中成形信息集成的對象。

圖10 組裝后的碰撞模型結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.5 成型-碰撞仿真模型集成模塊

成形—碰撞仿真模型集成模塊實現(xiàn)將Dyn文件中的沖壓成形信息集成至碰撞仿真模型中，結(jié)果以K文件形式作為碰撞仿真計算的源文件。其采用的是Primer軟件提供的三節(jié)點映射法，即分別選取兩個結(jié)構(gòu)上一一對應(yīng)的三個特征節(jié)點：節(jié)點1、節(jié)點2和節(jié)點3，軟件操作主界面如圖11所示，左邊表示的原始碰撞模型中對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，右邊表示的是經(jīng)過沖壓成形后對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。為了得到最終包含成形歷史信息的碰撞模型，需要把成形后的結(jié)構(gòu)件中的成形歷史信息導(dǎo)入碰撞模型當(dāng)中，圖12表示的是縱梁內(nèi)板前端結(jié)構(gòu)成形歷史導(dǎo)入碰撞模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11 Primer軟件中成形歷史轉(zhuǎn)換操作界面

圖12 前縱梁結(jié)構(gòu)成形信息導(dǎo)入碰撞模型結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.6 映射結(jié)果分析

映射的結(jié)果如圖13、圖14所示，可以使用Primer軟件中的命令檢查映射是否完整，可以看出，映射比較完整，縱梁的塑性應(yīng)變及厚度變薄率信息都很完整的映射到模型上。

圖13 映射后的結(jié)果檢查工具示意圖

圖14 塑性應(yīng)變的映射結(jié)果

4、整車碰撞仿真結(jié)果分析

根據(jù)如上描述的映射方法，將某車型的整車碰撞的安全關(guān)鍵件進行沖壓成型信息映射，其仿真的結(jié)果與實車的結(jié)果關(guān)鍵部件的變形模式非常吻合，從而驗證此沖壓成型信息向整車碰撞仿真模型的映射方法的準(zhǔn)確性。

圖15 實車碰撞后左縱梁的變形模式

圖16 仿真模型中有沖壓信息的左縱梁變形模式

5、結(jié)論

基于三節(jié)點局部坐標(biāo)系的新型準(zhǔn)確高效的Autoform沖壓信息映射方法，操作簡單，只需對映射所需的節(jié)點在沖壓成型仿真中修邊工序進行處理，即可很容易、準(zhǔn)確的捕捉到映射的三組節(jié)點，完整準(zhǔn)確高效的沖壓成型信息的映射，為新車型的開發(fā)設(shè)計階段節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計成本、加快碰撞仿真分析周期、提高碰撞仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用。

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Research and Application of a New High Efficient Mapping Method of Autoform Stamping

Li Han
（Liaoning Provincial College of Communications, Liaoning Shenyang 110122）

The forming information of sheet metal thickness reduction ratio and plastic strain is obtained by the simulation of stamping forming, and the variation of the material properties in the collision simulation will have a significant effect on the simulation accuracy. At present there is no effective methods stamping forming complete information mapped to the crash simulation model in, usually adopts three joint local coordinate system mapping method, AutoForm actual stamping forming information in the process of mapping common stamping offset information distortion, forming mapping information incomplete is proposed in this paper a model of effective AutoForm stamping information mapping method, can effectively solve the problem of the molding information mapping is not complete, and develop a car crash forming integrated simulation stamping information mapping method flow chart, for pre project of stamping forming collision integrated mapping provides a necessary foundation, improve the precision of crash simulation model.

Stamping simulation; the vehicle collision simulation; three point mapping method

U462.2

A

1671-7988 (2017)10-33-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.013

李晗，就職于遼寧省交通高等?？茖W(xué)校。