车身覆盖件冲压成形动态仿真的研究进展

概括了车身覆盖件冲压成形动态仿真所涉及的技术环节,如材料模型、几何模型、有限元方法、接触和摩擦问题、原始坯料现状、模具系统和工艺参数．综述了在这些技术领域的研究进展．简要介绍了国内在车身覆盖件冲压成形动态仿真工业应用研究方面的最新成果,讨论了在应用研究中仍存在的问题和进一步的研究发展方向．     

板材冲压成形有限元数值模拟界面摩擦约束处理方法

基于弹塑性大变形板材冲压成形增量有限元法,采用线性弹簧单元提出一种空间三维板材冲压成形等效界面摩擦力的处理方法.这种方法的优点是可以反映界面摩擦力的同步、被动产生效果,同时它还可以保证约束后刚度矩阵的对称性.将提出的摩擦约束处理算法引入自主开发的板材成形模拟软件FASTAMP,计算了汽车油底壳的成形过程,计算结果的厚度分布与实际冲压件吻合比较好,验证了等效界面摩擦力约束处理方法的有效性.     

冲压板材拉伸筋阻力的一种有效数值计算方法

将弹塑性有限变形的拟流动角点本构理论和厚向各向异性屈服函数引入弹塑性动力显式有限元列式,对板材通过拉伸筋的变形过程及拉伸筋阻力进行了数值模拟,并与有关实验结果进行了比较很好的一致性,表明了该计算方法的有效性。进而,数值研究了拉伸筋形状、界面摩擦状况以及材料的厚向各向异性对拉伸筋阻力的影响,为实际覆盖件冲压成形中拉伸筋的设置提供了重要的定量依据。     

改进的栅格法有限元网格剖分

提出一种改进的栅格法网格剖分算法,该算法综合了栅榕法和Delaunay算法的优点,生成了四边形和三角形混合单元,保证了整体性能与局部性态最优,满足汽车覆盖件冲压成形模拟软件对有限元网格质量的需求.实践证明,本文提出的改进的栅格法网格剖分算法可行有效,生成网格的质量高,程序容易实现.该算法已经成功集成到商业化冲压成形模拟软件KMAS中.     

板材冲压翻边的解析理论模型

基于全量塑性理论及膜应变假设,给出两种新的冲压板材内曲拉伸／外曲收缩翻边坯料尺寸预示解析数学模型。引入板材冲压成形性分析软件KMAS系统中,对铁路客车牵引架实际冲压件的翻边成形坯料尺寸进行了预示,并与其它解析模型的预示结果以及实验及实测数据进行了对比。讨论了板材的面内各向异性对翻边高度的影响。     

6061-T6铝合金动态拉伸本构关系及失效行为

采用HMH-206高速材料试验机开展了6061-T6铝合金在0.001～100 s-1应变率范围内的静、动态拉伸力学性能实验,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对6061-T6铝合金流动应力和应变率敏感性指数的影响,并基于实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正。结合缺口试件的实验结果和模拟数据,得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数,并对模型的准确性和适用性进行了验证。结果表明,在拉伸载荷作用下,6061-T6铝合金表现出明显的应变硬化特征和应变率敏感性,其流动应力随应变率的升高而提高,修正的Johnson-Cook本构模型可以描述材料的动态塑性流动行为,建立的Johnson-Cook失效模型能够表征材料的断裂失效行为。     

板材成形的计算机辅助工程系统

板材成形同时包含大变形、（粘）塑性、接触、摩擦等多种非线性因素耦合,刊用有限元法在计算机上模拟出板材从坯件到成品的全过程并加以图形显示,进而研究影响成形的各种因素,可以为板材成形的设计和生产提供可靠依据．本文介绍板材成形的计算机辅助工程系统（简称ＣＡＥ系统）的组成,并对成形数值模拟中的有限元格式、接触与摩擦问题、拉伸筋的考虑方法以及回弹的计算方法做了简单介绍．      

厚钣金件压弯翻边与回弹的数值研究

在独立研制的板材冲压成形性分析软件KMAS中，组入可有效模拟厚钣金件压弯成形与回弹变形的三维退化曲壳单元模型，简述了考虑凹，凸模间隔可变的基于有限元网格双面接触算法以及回弹的处理技术，数值研究了铁路客车牵引架厚钣金件压弯翻边与回弹变形过程，并将压弯过程模拟结果与国外基于单面接触算法的商品化软件的模拟结果以有实验结果进行比较，最后，给出了该类问题回弹量的预示方法。     

织构可调塑性本构模型标定及其应用

提出了利用率相关晶体塑性模型标定织相可调本构模型的求解步骤,得出了一组依赖于晶粒间相互作用假设而独立于具体板材织构的本构相关系数.以此为基础再结合板材织构系数所得出的本构模型系数可避免出现屈服面非外凸的情形.利用所提求解步骤对在不同热处理条件下产生不同织构的AL5052铝合金板的深拉成形过程进行了有限元模拟.结果再现了典型织构在板材成形过程中所出现的塑性各向异性,从而表明求解步骤的可行性.     

大瓣片高强钢球壳板冲压成形应力测试与分析

为对大瓣片高强钢球罐壳板成形过程进行应力测试与分析,在分析壳板成形工艺特点和力学特征的基础上,提出了在板材上附加随动测试架的测试方法,该测试架可随板材运动,实现对传感元件的保护,保证测试信号的输出,同时不干扰壳板的工艺条件,实现了准确测定冲压加工过程中特定状态下板壳内的应力分布及变化规律的目的。测试表明,压力加工过程中,当模具完全冲压到位时,在模具中心区域出现最大拉伸应变,应力值也最大,而卸载后该区反而出现了很小的压应力,这对容器的安全是有利的。因此在压制过程中只要控制冲压变形量,使得中间部位应力值小于材料的强度极限,就可保证板材不发生工艺性破裂,而且成形完成后该区也无不利的力学因素。     

高强度钢板热成形本构理论与实验分析

热成形(热冲压)过程中硼钢的热、力、相变耦合关系是研究热成形理论的基础, 同时也是决定热成形工艺及数值模拟准确性的关键因素. 对热成形硼钢进行高温拉伸及淬火实验: 硼钢板材试样在奥氏体化(950℃)后保温一定时间, 然后在连续冷却的同时施加拉伸力, 记录此过程中力、位移、膨胀量及温度的变化. 通过对不同冷却速率及不同拉伸力情况下上述物理量的变化规律及微观组织性能的分析, 研究硼钢相变过程中的热、力、相变耦合关系. 建立了硼钢相变过程中的热、力、相变耦合模型. 通过引入混合定律对热成形过程中的多相材料热力学参数和力学性能进行等效分析; 对热成形应变组成及其形成机理进行了分析, 引入了相变体积应力及相变塑性应力等新概念. 硼钢高温流动应力采用修改的Norton-Hoff形式, 并通过实验确定了流动应力的材料常数. 在此基础上将热、力、相变耦合关系引入热成形本构方程中, 分别建立了高强度钢板热成形的全量形式及增量形式本构方程. 对U形零部件热成形过程进行了数值模拟, 并与实验结果进行比较, 结果证明建立的本构理论的有效性.      

滑轨导向式静/动态双轴拉伸实验技术

基于液压伺服高速加载系统,发展了一种材料双轴拉伸力学性能测试技术。利用锥面接触导向驱动方法,把加载锤竖直方向的驱动力转化为水平方向的双轴驱动力,从而实现对十字形试样平面双轴加载。借助有限元数值模拟手段优化了锥面接触角和十字形试样尺寸。当接触锥角为45°时,既有较好的水平驱动转化效率,同时又保持较小的接触力,确保水平驱动加载各组件在弹性变形范围内,可多次重复使用。确定了加载臂狭缝个数、狭缝与减薄区边缘长度和标距段厚度等试样设计关键参数,在十字形试样测试标距段内实现了均匀变形。设计了测力夹持一体化导杆和非接触光学全场应变测试系统,准确获得了试样的应力和应变。利用此平面双轴拉伸加载装置,开展2024-T351铝合金板单轴拉伸实验和激光探测同步性验证实验,验证装置设计的可行性;开展铝合金板材在不同加载速率下的双轴拉伸实验,得到在双轴加载下铝合金板材应力应变曲线,并与单轴加载下实验结果进行了对比分析。     

不同结构含磷极压剂润滑行为研究

针对金属加工润滑中常用的三种不同结构的含磷极压剂,使用SRV研究了其摩擦系数随温度、摩擦条件的变化而变化的过程,并使用SEM和EDX对SRV试验件的磨斑进行了分析.结合其热失重分析结果说明,磷酸酯分子的反应活性和热稳定性决定其抗磨极压润滑性能.使用ERICHSEN金属板材成型试验机模拟评价不同添加剂的冲压性能,提出了高效应用三种不同结构含磷极压剂的方法.     

塑性各向异性板料本构关系及冲压成形的数值模拟

推导了具有一般屈服函数形式的弹塑性速率型本构关系;给出了用于板料成形的Hill塑性各向异性屈服模型下本构关系的具体形式;用有限元动力显式计算程序MSC/DYTRAN模拟了金属板料的冲压成形;通过算例分析,考察了塑性各向异性对凸耳形成和大小以及对成形模拟结果准确性的影响;数值结果和实验结果表明：各向（厚向）异性本构模型比各向同性本构模型更真实地反映了板料的成形性。     

板材三维曲面翻边的逆成形预示与修边线确定

基于全量塑性理论和考虑任意形状压料面影响的一步成形有限元逆算法，提出一 种板材三维曲面翻边成形和三维修边线的快速模拟方法，能够真实模拟三维翻边过程，进而 高精度地确定翻边高度和修边线轮廓形状. 收缩和伸长两种典型的翻边成形模拟结果与基于 增量塑性理论的有限元正算法比较，表明了该方法的有效性和高效率.     

基于应力三轴度和罗德参数的6061和7075铝合金材料断裂失效分析

分别对6061铝合金和7075铝合金材料的缺口圆棒试件和凹槽平板试件进行准静态拉伸试验,并采用ABAQUS软件对拉伸过程进行数值模拟。模拟结果与试验测试结果吻合很好,验证了有限元模型的合理性和可靠性。通过有限元模拟,分别给出了不同试件的应力三轴度和罗德参数随等效塑性应变的变化曲线以及两种材料的失效轨迹,并对它们进行了分析讨论。结果表明:形状相同、材料性质不同的试件,应力三轴度的演化规律不同;材料的失效应变受应力三轴度和罗德参数的影响,并且不同性质的材料对罗德参数的敏感性不同。     

汽车覆盖件工艺补充面参数化设计方法

工艺补充面设计的合理性,是保证覆盖件成形质量的重要条件。工艺补充曲面设计和修改的便利性,是提高设计效率的重要途径。本文提出了建立可修改特征参数的截面线类型库,用双向NURBS蒙皮法分片生成工艺补充面的方法和流程,开发了相应的参数化设计模块。在此基础上可以快速实现基于用户控制的工艺补充面的参数化设计和修改。通过对汽车某些零件等实际覆盖件生成工艺补充面的数值仿真验证了可行性。     

基于球形压入法提取材料的塑性力学参数

基于球形压入的工作方式,重点研究材料塑性力学参数的表征方法. 首先,通过对球压入可测量的综合评价,选取能量比(可释放功和压入总功之比)作为主要分析参数; 其次,利用孔洞模型、量纲分析和数值模拟等工具,定义特定的代表性应变,建立起能量比和材料塑性力学参数之间的关系式, 由此,提出一种能提取材料屈服应力和硬化指数的力学表征方法,该方法避免了对接触半径的测量,确保了方法的可操作性,并通过参数重组提高其稳定性; 最后,选用45号钢和6061铝合金进行压入试验,与拉伸试验结果比对显示: 该方法识别的塑性力学参数能满足工程测试需要.      

材料的双轴拉伸的规律的研究

汽车车身覆盖件是冲压成型的,其覆盖件的高精度回弹量计算非常困难,并少见有研究和报道。由于冲压成型过程是一个大应变和塑性屈服,常规的拉伸试验机无法测出其应力应变曲线,而目前汽车工业领域还没有建立用于修正回弹量的数据库,所以必须通过数值模拟和实验的方法对汽车车身覆盖件进行弹性模量、屈服强度和硬化规律进行研究。本实验研究的目的是通过对规定材料的双轴拉伸试验,应用数字图像处理的光测方法,确定材料屈服强化阶段复杂本构模型的材料特性常数,以达到正确合理描述复杂材料的硬化行为。试验中采用机械式拉伸试验机实现材料的双轴拉伸行为,利用数字相关光测方法获得拉伸材料屈服面屈服过程中大应变全场的数据,通过数字图像相关处理,得到材料在屈服强化阶段复杂本构模型的特性参数。实验研究的设备和仪器包括(1)双轴拉伸试验机;(2)计算机,高分辨率CCD和摄像头,图像卡,图像处理软件;(3)其它辅助设备等。实验研究设备的规范标准根据国家现行实验规范标准对本实验研究设备进行标定和计量审核。     

覆盖件冲压仿真中的网格形态优化技术

覆盖件冲压仿真计算模型中网格密度分布的合理性与网格单元形态的优劣,对仿真结果的准确性有很大的影响.提出了一种改进的全四边形网格细分方法,使网格的密度分布适于覆盖件冲压分析计算要求,可保证细分后网格的协调性,并将算法推广以处理非结构化四边形网格和三角形四边形混合网格的细分.提出的网格细分策略,有助于提高细分后网格的质量.提出了适用于细分后四边形网格和非结构四边形网格的拓扑形态优化操作,可有效的提高网格模型的形态质量.