第一章 绪 论
1.1 课题研究的背景
汽车覆盖件主要是指构成驾驶室和车身的表面零件，也包括覆盖发动机和底盘的某些表面零件，它包括外覆盖件和内覆盖件。车身覆盖件多是尺寸大，形状复杂的三维曲面形状，如下图1-1～图1-3，是某品牌汽车的部分覆盖件。
由于车身覆盖件的精度要求高、生产批量大，汽车制造业均采用冲压成形技术进行生产，如图1-4和图1-5是某汽车零件井子架纵梁拉深工序的冲压模具图。冲压成形的材料利用率高，产品质量稳定，易于实现自动化生产。由车身覆盖件的特点决定了汽车覆盖件模具体积大，型面复杂，加工精度要求高等特点模具CAD／CAE／CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。模具CAD/CAE/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。
国内如湖南大学、吉林大学和华中科技大学等单位近几年来对汽车覆盖件模具CAD／CAE／CAM技术进行了系统而深入的研究，取得了许多可喜的成果。如湖南大学以先进冲压CAE技术为突破口，开发出一套包括冲压工艺设计和汽车覆盖件模具设计和制造的系列化软件。其冲压仿真CAE自动建模系统CADEM—I能够利用模具表面数控轨迹数据作为网格生成的几何数据源，使建模效率成倍的提高，对于汽车覆盖件成形，在同样精度下可使仿真模型网格单元减少近20％ ～40％。冲压仿真CAE系统CADEM-II采用先进的理论和算法，在保证冲压件大变形计算精度的前提下显著地提高了分析速度。冲压工艺分析与设计系统CADEM—III采用壳体失稳理论预测覆盖件成形中的起皱趋势，采用基于仿真的毛坯反算技术，实现了复杂零件的毛坯形状和尺寸的迭代反求。华中科技大学模具技术国家重点实验室最新推出的汽车覆盖件冲压成形快速分析软件FASTAMP，基于改进的有限元逆算法和板壳单元，综合考虑了摩擦、压边力和拉伸筋等工艺条件，将产品设计、材料选择和工艺设计紧密联系起来，能够快速模拟汽车覆盖件成形后的起皱、破裂和成形不足等缺陷，优化压边力、拉伸筋和摩擦等工艺参数、校核压料面和工艺补充面的合理性、提供最优的毛坯形状，从而可以为汽车覆盖件工艺设计和模具设计提供全面的解决方案。
CAE 技术对板料的成形性分析已非常专业和实用，在指导模具设计的过程中效果显著，可以大大提高模具制造质量，缩短调试周期，一次成功率会大大提高。随着新产品推出的速度越来越快，CAE 在汽车行业的应用越来越多，水平也在逐步提高。统计结果表明，应用 CAE 技术后，新车开发期的费用占开发成本的比例从 80%～90%下降到 8%～12%。例如：美国福特汽车公司 2000 年应用 CAE 后，其新车型开发周期从 36 个月降低到 12～18 个月；开发后期设计修改率减少 50%；原型车制造和试验成本减少 50%；投资收益提高 50%。
板料塑性成形是利用金属板料在固体状态下的塑性，通过模具及外力作用而制成零件的一种加工方法。与切削加工等方法相比，板料塑性成形不仅具有更高的生产效率，而且能获得更高的材料利用率，因而在国民经济中得到了极为广泛的应用，特别是在航空、宇航、汽车、造船、电器、五金等工业部门，板料塑性成形都是必不可少的主要加工方法。板料成形过程是一个大挠度、大变形的塑性变形过程，涉及金属板在拉伸和弯曲的复杂应力状态下的塑性流动、塑性强化，以及引起的起皱、破裂和回弹等问题。同时，冲压过程也是一个复杂的多体接触的力学分析问题。因此，对冲压成形过程中板料成形性而言，单凭经验很难预先估计，致使模具设计正确性也难以评价，问题只有在模具加工以后才能暴露出来，给模具调试造成极大的困难，甚至导致模具报废。利用板料成形过程模拟技术可以及早发现问题，改进模具设计，从而大大缩短模具调试周期，降低制模成本。板料成形分析可在多方面对冲压生产提供有力的技术支持：在设计工作的早期阶段，评价成形件及其模具设计、工艺设计放入可行性；在试冲试模阶段，进行故障分析和解决实际发生的问题；在批量生产阶段，用于零件的缺陷分析、改善钣金件的生产质量，同时可用来调试材料的选择，降低成本。
第二章 板料成形过程的分析方法数值模拟
采用一组数学方程（一般是微分方程）和定解条件将实际过程抽象成理论模型，采用计算机求得该理论模型在不同条件下的数值解，以此推测在相应条件下所发生的实际过程。随着计算机技术的发展，数值模拟方法越来越显示出巨大的优越性。数值模拟方法是建立在塑性成形过程力学分析的基础之上的。目前塑性成形的过程分析方法主要可分为两大类：一类是近似的解析计算方、，其中包括主应力法、滑移线法、界限法、公平衡法等。这类方法一般用来计算成形过程所需的力和能。其优点是简便易行并能得到问题的解析解，但只适宜于简单的成形问题。另一类是数值方法，其中包括有限差分法，有限元法和边界元法。这类方法能用于获得金属塑性成形过程中应力、应变、温度分布和成形缺陷等的详尽的数值解，能用于十分复杂的成形过程。有限元法是目前进行非线性分析的强有力的工具，因此也已成为金属塑性成形过程模拟的最流行的方法。有限元是解决多重非线性耦合问题的有效方法，通用新强，可以用来预测成形过程中的载荷、应力、应变的分别及变化、成形过程中的起皱、破裂现象、卸载后的回弹、各种参数对材料塑性流动规律的影响等。
2.1 有限元算法
它是在弹塑性有限元法的基础上，引入 Hill 有限变形理论，采用 Lagrange描述，根据虚功原理，导出速率型平衡方程建立起来的。许多学者在研究过程中又提出了许多方法。如不考虑成形过程中材料外层和内层间变形差异的薄膜理论；考虑成形过程中弯曲效应影响的 Mindlin 曲壳单元和适用于薄壳的 Kinchhoff理论单元等。按照对时间积分的不同， 板料成形有限元软件算法主要有隐式和显式两种算法。由于冲压成形的压床速度较慢，成形过程属于准静态变形的过程，运用隐式算法求解较为合理。隐式算法计算精度较高，但求解的计算量与问题大小的平方成比例，整体刚度矩阵带宽大，内存消耗较大，计算效率低。
第三章 有限元网格划分技术....................... 29-38
3.1 有限元网格划分概述..................... 29-30
3.2 有限元网格划分的常用算法..................... 30-33
3.2.1 映射法 .....................30-31
3.2.2 Delaunay 三角剖分法..................... 31-32
3.2.3 四叉树法..................... 32-33
3.3 复杂曲面的有限元网格划分 .....................33-34
3.4 有限元网格优化方法 .....................34-38
第四章 板料成形过程模拟的应用..................... 38-52
4.1 板料成形缺陷分析..................... 38-41
4.1.1 起皱 .....................38-39
4.1.2 破裂 .....................39-40
4.1.3 回弹..................... 40-41
4.2 成形过程模拟的应用..................... 41-49
4.2.1 起皱的预测与消除 .....................41-42
4.2.2 破裂的预测和消除..................... 42-43
4.2.3 压边力的确定..................... 43-44
4.2.4 回弹的预测 .....................44-49
4.3 板料拉深成形的过程模拟..................... 49-52
第五章 材料模型 .....................52-60
5.1 毛坯尺寸对成形的影响..................... 52-54
5.2 板料成形模拟的材料模型..................... 54-60
结论
利用板料成形过程模拟技术可以及早发现问题，改进模具设计，从而大大缩短模具调试周期，降低制模成本。采用板料成形的数值模拟技术可以很好的预测及消除起皱和破裂，多年来的生产经验证实许多 CAE 软件的模拟结果与现实结果相比较已具备相当高的精度，像 AUTOFORM、DYNAFORM、PAM-STAMP 等已广泛应用于国内的各大汽车模具厂家，本文分别用上述的三种 CAE 分析软件对一些不同造型的零件做了成形过程的数值模拟，并把数值模拟的结果与现实成形结果做了对比，从结果比对中，分析了各个软件的模拟精度和优缺点，同时针对不同零件的成形特性，从参数修改的角度来分析了不同的参数设置对成形模拟精度的影响。对于目前各个板料成形 CAE 分析软件在回弹的计算结果上都与实际结果存在或大或小的误差的问题，本文将多个零件回弹的数值模拟结果与现实回弹结果作比对，根据回弹的特点从中分析误差产生的原因，使得计算的回弹结果更接近现实，并且介绍了一种用 CAE 技术做回弹补偿的方法。通过试验研究分析，取得的进展和成果如下：
1. 相比较而言 DYNAFORM 软件在做板料成形模拟时其计算结果精度更高一些，一般作为精算工具，所以对于一些成形难度较大的零件，通常以 DYNAFORM的计算结果为准，但是其运算耗时较多；AUTOFORM 软件运算速度快，但计算结果相对精度较低，特别是对于起皱的预测上效果较差，通常作为粗算工具；PAM-STAMP 2G 软件在计算板料成形的回弹上结果相对比较准确。
2. 软件中不同的参数设置对计算结果的精度影响较大，主要存在计算速度和精度上的矛盾，即要使得软件的运算速度快，必然会减少计算的精确度，所以在实际计算时参数设置要取一个平衡点，既要控制计算结果的精度，又要考虑运算的速度。同时，计算的速度和精度与有限元网格划分的大小和质量有很大关系。
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