基于DYNAFORM的汽车车身覆盖件冲压成形数值模拟

周小灵

摘 要：汽车车身覆盖件冲压成形过程中时常会出现破裂、起皱、回弹等缺陷。本文以某汽车车身顶盖覆盖件为例，利用DYNAFORM板料成形数值模拟软件模拟了其成形过程，对可能出现的成形缺陷进行了预测，该数值模拟结果对板料冲压模具设计具有指导意义。

关键词：汽车车身覆盖件 冲压成形 数值模拟 DYNAFORM

中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0027-01汽车覆盖件是构成汽车车身的重要组成部分，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量高等特点[1]。覆盖件主要的生产方式是薄板冲压成形，其过程是一个复杂的力学过程。若按照传统的“试错法”设计覆盖件模具，由于反复的试模、修模，将导致覆盖件的开发周期延长，研发成本增加，无法在市场竞争中处于领先地位。

板料成形数值模拟不仅能够保证覆盖件冲压工艺和模具设计的合格率，还可以减少试模次数，避免修模，从而缩短覆盖件的开发周期，降低研发成本，提高覆盖件质量和市场竞争力。本文以板料成形模拟软件DYNAFORM为平台，对某汽车顶盖覆盖件的成形过程进行研究。

1 顶盖冲压工艺分析

汽车顶盖零件是遮盖并保护车厢顶部的车身顶板，结构为空间双曲扁壳状，呈流线型，尺寸较大，厚度较小，圆角半径较小，拉延深度较浅[2]。由于顶盖零件在装配时与其搭接的覆盖件零件较多，使得顶盖成形要求外观光顺平滑，不允许有破裂、起皱、拉痕、凹陷、波纹以及其它对表面质量有影响的缺陷。此外，还对零件的刚性有严格的要求。因此，拟定该零件的冲压工艺方案为拉延、修边冲孔侧冲孔和翻边整形3道工序。其中，最容易出现成形质量问题的是顶盖的拉延工序，其制定的是否合理关系到顶盖零件成形的表面质量和刚性。

1.1 冲压方向确定

确定冲压方向是汽车顶盖拉延工艺设计的关键，即确定冲压件在模具中的空间位置。它不但决定能否生产出合格的冲压件，而且影响到工艺补充部分的多少和压料面的形状[3]。在确定冲压方向时，应保证凸模形状能够进入凹模，不产生负角；要保证拉延深度浅而均匀，凸模与板料应接触良好，且接触部位处于模具中心；压料面各处进料阻力均匀。

1.2 工艺补充设计

汽车顶盖形状复杂，结构对称，直接成形较困难。为了适应拉延工艺的要求，提高顶盖的成形质量，冲压方向确定之后，必须设计工艺补充来改善拉延工艺性。工艺补充设计应遵守内孔封闭补充原则、简化拉延件结构形状原则以及对后序工序有利原则[4]。工艺补充应包括拉延部分的补充和压料面两部分，在Unigraphics NX（UG）软件中可进行设计顶盖的工艺补充。

2 顶盖成形数值模拟

2.1 建立有限元模型

将UG中设计好的板料、带工艺补充的拉延模型以IGES文件格式输出，并导入到DYNAFORM软件中划分有限元网格。为了保证计算精度和计算效率达到平衡，在弯曲变形较大的部位单元划分要密一些，在变形较小或没有弯曲的部位单元划分稀疏一些。顶盖冲压为单动拉延，若对凹模型进行划分网格，则凸模型和压边圈可通过凹模型网格偏置得到。采用网格自适应划分功能，经过板料重力、合拢模拟后建立的有限元模型如图1所示，凸模、凹模、压边圈均视为刚体，板料视为变形体。

2.2 确定成形工艺参数

确定板料参数：顶盖材质为DC04，厚度t=0.7 mm，其性能参数为弹性模量E=207 GPa；硬化系数K=547 MPa；泊松比μ=0.30；应变硬化指数n=0.22；屈服应力σS=168 MPa；抗拉强度σT=303 MPa；各向异性系数r0=1.87，r45=1.30，r90=2.14。板料材料模型选用36号Barlat各向异性材料，单元类型选用BT壳单元。模具与板料之间的接触类型为面面单向接触，接触算法为罚函数法。

确定模拟参数：拉延类型为单动拉延；上、下压边圈间隙设置为1.1 t=0.77 mm（t为板料厚度）；凸凹模间隙设置为1.1 t= 0.77 mm（t为板料厚度）；摩擦系数为0.13；定义凹模的运动曲线及压边圈的力曲线；冲压速度设置为5000 mm/s（凹模和上压边圈运动到下压边圈处时的压合速度）和2000 mm/s（凹模、上压边圈和下压边圈同时运动完成拉延的成形速度）；压边力设置为120T。

2.3 模拟结果与分析

提交有限元模型生成的dyn文件给LS-Dyna求解器进行求解，模拟计算采用动力显式算法，得到顶盖的成形极限图如图2所示。由成形模拟结果可知，零件塑性变形充分，中间大部分区域减薄量较小，在成形过程中不会产生裂纹和起皱。周边区域减薄量较大，但未超出破裂极限，在成形过程中也不会产生破裂。法兰面上有轻微皱纹形成，在后续的切边工序会将这部分板料切去，不会影响制件的表面质量。由主、副应变结果可知，零件上主、副应变值非常接近，均在0.02左右，表明零件的塑性变形均匀，保证了零件的刚性要求。因此，成形模拟结果证实顶盖成形过程中不会出现质量缺陷。

3 结论

利用板料成形模拟软件Dynaform对某汽车顶盖的冲压成形过程在计算机上进行了数值模拟，直观地预测其冲压成形过程中可能出现的成形缺陷。由模拟结果可以判断，汽车顶盖在成形过程中不存在质量问题。通过实际生产得到的顶盖零件可以证实，板料的成形过程与DYNAFORM软件成形模拟基本一致，这表明汽车顶盖拉延工艺设计是合理的，材料参数、冲压工艺参数等设置是合理的，数值模拟结果对板料冲压模具设计具有指导意义。

参考文献

[1] 段磊，蔡玉俊，莫国强，等.汽车覆盖件成形回弹仿真及模面优化研究[J].锻压技术，2010（2）：34-38.

[2] 马韧宾，段磊，张洋，等.汽车覆盖件成形数值模拟与模具型面设计[J].2010，39（301）：102-105.

[3] 段向敏，代荣.汽车覆盖件拉延成形过程分析[J].机械设计与制造，2013（10）：239-241.

[4] 倪昀，黄亚玲，章跃洪.基于DYNAFORM汽车覆盖件冲压仿真分析[J].热加工工艺，2011，40（321）：108-111.endprint

摘 要：汽车车身覆盖件冲压成形过程中时常会出现破裂、起皱、回弹等缺陷。本文以某汽车车身顶盖覆盖件为例，利用DYNAFORM板料成形数值模拟软件模拟了其成形过程，对可能出现的成形缺陷进行了预测，该数值模拟结果对板料冲压模具设计具有指导意义。

关键词：汽车车身覆盖件 冲压成形 数值模拟 DYNAFORM

中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0027-01汽车覆盖件是构成汽车车身的重要组成部分，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量高等特点[1]。覆盖件主要的生产方式是薄板冲压成形，其过程是一个复杂的力学过程。若按照传统的“试错法”设计覆盖件模具，由于反复的试模、修模，将导致覆盖件的开发周期延长，研发成本增加，无法在市场竞争中处于领先地位。

板料成形数值模拟不仅能够保证覆盖件冲压工艺和模具设计的合格率，还可以减少试模次数，避免修模，从而缩短覆盖件的开发周期，降低研发成本，提高覆盖件质量和市场竞争力。本文以板料成形模拟软件DYNAFORM为平台，对某汽车顶盖覆盖件的成形过程进行研究。

1 顶盖冲压工艺分析

汽车顶盖零件是遮盖并保护车厢顶部的车身顶板，结构为空间双曲扁壳状，呈流线型，尺寸较大，厚度较小，圆角半径较小，拉延深度较浅[2]。由于顶盖零件在装配时与其搭接的覆盖件零件较多，使得顶盖成形要求外观光顺平滑，不允许有破裂、起皱、拉痕、凹陷、波纹以及其它对表面质量有影响的缺陷。此外，还对零件的刚性有严格的要求。因此，拟定该零件的冲压工艺方案为拉延、修边冲孔侧冲孔和翻边整形3道工序。其中，最容易出现成形质量问题的是顶盖的拉延工序，其制定的是否合理关系到顶盖零件成形的表面质量和刚性。

1.1 冲压方向确定

确定冲压方向是汽车顶盖拉延工艺设计的关键，即确定冲压件在模具中的空间位置。它不但决定能否生产出合格的冲压件，而且影响到工艺补充部分的多少和压料面的形状[3]。在确定冲压方向时，应保证凸模形状能够进入凹模，不产生负角；要保证拉延深度浅而均匀，凸模与板料应接触良好，且接触部位处于模具中心；压料面各处进料阻力均匀。

1.2 工艺补充设计

汽车顶盖形状复杂，结构对称，直接成形较困难。为了适应拉延工艺的要求，提高顶盖的成形质量，冲压方向确定之后，必须设计工艺补充来改善拉延工艺性。工艺补充设计应遵守内孔封闭补充原则、简化拉延件结构形状原则以及对后序工序有利原则[4]。工艺补充应包括拉延部分的补充和压料面两部分，在Unigraphics NX（UG）软件中可进行设计顶盖的工艺补充。

2 顶盖成形数值模拟

2.1 建立有限元模型

将UG中设计好的板料、带工艺补充的拉延模型以IGES文件格式输出，并导入到DYNAFORM软件中划分有限元网格。为了保证计算精度和计算效率达到平衡，在弯曲变形较大的部位单元划分要密一些，在变形较小或没有弯曲的部位单元划分稀疏一些。顶盖冲压为单动拉延，若对凹模型进行划分网格，则凸模型和压边圈可通过凹模型网格偏置得到。采用网格自适应划分功能，经过板料重力、合拢模拟后建立的有限元模型如图1所示，凸模、凹模、压边圈均视为刚体，板料视为变形体。

2.2 确定成形工艺参数

确定板料参数：顶盖材质为DC04，厚度t=0.7 mm，其性能参数为弹性模量E=207 GPa；硬化系数K=547 MPa；泊松比μ=0.30；应变硬化指数n=0.22；屈服应力σS=168 MPa；抗拉强度σT=303 MPa；各向异性系数r0=1.87，r45=1.30，r90=2.14。板料材料模型选用36号Barlat各向异性材料，单元类型选用BT壳单元。模具与板料之间的接触类型为面面单向接触，接触算法为罚函数法。

确定模拟参数：拉延类型为单动拉延；上、下压边圈间隙设置为1.1 t=0.77 mm（t为板料厚度）；凸凹模间隙设置为1.1 t= 0.77 mm（t为板料厚度）；摩擦系数为0.13；定义凹模的运动曲线及压边圈的力曲线；冲压速度设置为5000 mm/s（凹模和上压边圈运动到下压边圈处时的压合速度）和2000 mm/s（凹模、上压边圈和下压边圈同时运动完成拉延的成形速度）；压边力设置为120T。

2.3 模拟结果与分析

提交有限元模型生成的dyn文件给LS-Dyna求解器进行求解，模拟计算采用动力显式算法，得到顶盖的成形极限图如图2所示。由成形模拟结果可知，零件塑性变形充分，中间大部分区域减薄量较小，在成形过程中不会产生裂纹和起皱。周边区域减薄量较大，但未超出破裂极限，在成形过程中也不会产生破裂。法兰面上有轻微皱纹形成，在后续的切边工序会将这部分板料切去，不会影响制件的表面质量。由主、副应变结果可知，零件上主、副应变值非常接近，均在0.02左右，表明零件的塑性变形均匀，保证了零件的刚性要求。因此，成形模拟结果证实顶盖成形过程中不会出现质量缺陷。

3 结论

利用板料成形模拟软件Dynaform对某汽车顶盖的冲压成形过程在计算机上进行了数值模拟，直观地预测其冲压成形过程中可能出现的成形缺陷。由模拟结果可以判断，汽车顶盖在成形过程中不存在质量问题。通过实际生产得到的顶盖零件可以证实，板料的成形过程与DYNAFORM软件成形模拟基本一致，这表明汽车顶盖拉延工艺设计是合理的，材料参数、冲压工艺参数等设置是合理的，数值模拟结果对板料冲压模具设计具有指导意义。

参考文献

[1] 段磊，蔡玉俊，莫国强，等.汽车覆盖件成形回弹仿真及模面优化研究[J].锻压技术，2010（2）：34-38.

[2] 马韧宾，段磊，张洋，等.汽车覆盖件成形数值模拟与模具型面设计[J].2010，39（301）：102-105.

[3] 段向敏，代荣.汽车覆盖件拉延成形过程分析[J].机械设计与制造，2013（10）：239-241.

[4] 倪昀，黄亚玲，章跃洪.基于DYNAFORM汽车覆盖件冲压仿真分析[J].热加工工艺，2011，40（321）：108-111.endprint

摘 要：汽车车身覆盖件冲压成形过程中时常会出现破裂、起皱、回弹等缺陷。本文以某汽车车身顶盖覆盖件为例，利用DYNAFORM板料成形数值模拟软件模拟了其成形过程，对可能出现的成形缺陷进行了预测，该数值模拟结果对板料冲压模具设计具有指导意义。

关键词：汽车车身覆盖件 冲压成形 数值模拟 DYNAFORM

中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0027-01汽车覆盖件是构成汽车车身的重要组成部分，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量高等特点[1]。覆盖件主要的生产方式是薄板冲压成形，其过程是一个复杂的力学过程。若按照传统的“试错法”设计覆盖件模具，由于反复的试模、修模，将导致覆盖件的开发周期延长，研发成本增加，无法在市场竞争中处于领先地位。

板料成形数值模拟不仅能够保证覆盖件冲压工艺和模具设计的合格率，还可以减少试模次数，避免修模，从而缩短覆盖件的开发周期，降低研发成本，提高覆盖件质量和市场竞争力。本文以板料成形模拟软件DYNAFORM为平台，对某汽车顶盖覆盖件的成形过程进行研究。

1 顶盖冲压工艺分析

汽车顶盖零件是遮盖并保护车厢顶部的车身顶板，结构为空间双曲扁壳状，呈流线型，尺寸较大，厚度较小，圆角半径较小，拉延深度较浅[2]。由于顶盖零件在装配时与其搭接的覆盖件零件较多，使得顶盖成形要求外观光顺平滑，不允许有破裂、起皱、拉痕、凹陷、波纹以及其它对表面质量有影响的缺陷。此外，还对零件的刚性有严格的要求。因此，拟定该零件的冲压工艺方案为拉延、修边冲孔侧冲孔和翻边整形3道工序。其中，最容易出现成形质量问题的是顶盖的拉延工序，其制定的是否合理关系到顶盖零件成形的表面质量和刚性。

1.1 冲压方向确定

确定冲压方向是汽车顶盖拉延工艺设计的关键，即确定冲压件在模具中的空间位置。它不但决定能否生产出合格的冲压件，而且影响到工艺补充部分的多少和压料面的形状[3]。在确定冲压方向时，应保证凸模形状能够进入凹模，不产生负角；要保证拉延深度浅而均匀，凸模与板料应接触良好，且接触部位处于模具中心；压料面各处进料阻力均匀。

1.2 工艺补充设计

汽车顶盖形状复杂，结构对称，直接成形较困难。为了适应拉延工艺的要求，提高顶盖的成形质量，冲压方向确定之后，必须设计工艺补充来改善拉延工艺性。工艺补充设计应遵守内孔封闭补充原则、简化拉延件结构形状原则以及对后序工序有利原则[4]。工艺补充应包括拉延部分的补充和压料面两部分，在Unigraphics NX（UG）软件中可进行设计顶盖的工艺补充。

2 顶盖成形数值模拟

2.1 建立有限元模型

将UG中设计好的板料、带工艺补充的拉延模型以IGES文件格式输出，并导入到DYNAFORM软件中划分有限元网格。为了保证计算精度和计算效率达到平衡，在弯曲变形较大的部位单元划分要密一些，在变形较小或没有弯曲的部位单元划分稀疏一些。顶盖冲压为单动拉延，若对凹模型进行划分网格，则凸模型和压边圈可通过凹模型网格偏置得到。采用网格自适应划分功能，经过板料重力、合拢模拟后建立的有限元模型如图1所示，凸模、凹模、压边圈均视为刚体，板料视为变形体。

2.2 确定成形工艺参数

确定板料参数：顶盖材质为DC04，厚度t=0.7 mm，其性能参数为弹性模量E=207 GPa；硬化系数K=547 MPa；泊松比μ=0.30；应变硬化指数n=0.22；屈服应力σS=168 MPa；抗拉强度σT=303 MPa；各向异性系数r0=1.87，r45=1.30，r90=2.14。板料材料模型选用36号Barlat各向异性材料，单元类型选用BT壳单元。模具与板料之间的接触类型为面面单向接触，接触算法为罚函数法。

确定模拟参数：拉延类型为单动拉延；上、下压边圈间隙设置为1.1 t=0.77 mm（t为板料厚度）；凸凹模间隙设置为1.1 t= 0.77 mm（t为板料厚度）；摩擦系数为0.13；定义凹模的运动曲线及压边圈的力曲线；冲压速度设置为5000 mm/s（凹模和上压边圈运动到下压边圈处时的压合速度）和2000 mm/s（凹模、上压边圈和下压边圈同时运动完成拉延的成形速度）；压边力设置为120T。

2.3 模拟结果与分析

提交有限元模型生成的dyn文件给LS-Dyna求解器进行求解，模拟计算采用动力显式算法，得到顶盖的成形极限图如图2所示。由成形模拟结果可知，零件塑性变形充分，中间大部分区域减薄量较小，在成形过程中不会产生裂纹和起皱。周边区域减薄量较大，但未超出破裂极限，在成形过程中也不会产生破裂。法兰面上有轻微皱纹形成，在后续的切边工序会将这部分板料切去，不会影响制件的表面质量。由主、副应变结果可知，零件上主、副应变值非常接近，均在0.02左右，表明零件的塑性变形均匀，保证了零件的刚性要求。因此，成形模拟结果证实顶盖成形过程中不会出现质量缺陷。

3 结论

利用板料成形模拟软件Dynaform对某汽车顶盖的冲压成形过程在计算机上进行了数值模拟，直观地预测其冲压成形过程中可能出现的成形缺陷。由模拟结果可以判断，汽车顶盖在成形过程中不存在质量问题。通过实际生产得到的顶盖零件可以证实，板料的成形过程与DYNAFORM软件成形模拟基本一致，这表明汽车顶盖拉延工艺设计是合理的，材料参数、冲压工艺参数等设置是合理的，数值模拟结果对板料冲压模具设计具有指导意义。

参考文献

[1] 段磊，蔡玉俊，莫国强，等.汽车覆盖件成形回弹仿真及模面优化研究[J].锻压技术，2010（2）：34-38.

[2] 马韧宾，段磊，张洋，等.汽车覆盖件成形数值模拟与模具型面设计[J].2010，39（301）：102-105.

[3] 段向敏，代荣.汽车覆盖件拉延成形过程分析[J].机械设计与制造，2013（10）：239-241.

[4] 倪昀，黄亚玲，章跃洪.基于DYNAFORM汽车覆盖件冲压仿真分析[J].热加工工艺，2011，40（321）：108-111.endprint