冲压成型仿真在重载铁路货车下侧门板中的运用

柴 林，杨 岳

（1.南车长江车辆有限公司 工艺研究所，武汉 430212；2.中南大学 交通运输工程学院，长沙 410075）

冲压成型仿真在重载铁路货车下侧门板中的运用

柴 林1，杨 岳2

（1.南车长江车辆有限公司 工艺研究所，武汉 430212；2.中南大学 交通运输工程学院，长沙 410075）

在铁路货车零件的产品设计阶段，采用冲压成型仿真软件对冲压件进行成型仿真，可以验证冲压件的成型性能，为产品设计提供重要依据。以铁路货车大轴重货车的下侧门板为例，在零件的设计阶段，通过对零件进行冲压仿真，预测零件可能出现破裂，通过不断修改产品结构，最终确保零件具有良好的成型工艺性。

冲压成型；下侧门板；工艺仿真

重载铁路货车托板的下侧门板产品外形尺寸1 000 mm×796 mm，板厚4 mm，外缘为一圈成型筋，中间部分加两道成型筋，如图1所示。

图1 下侧门板原产品图

下侧门板外缘成型部分面积较大，能参与变形的材料较多，变形趋势平缓，无成型困难。但中间两道小成型筋，尺寸为158 mm×550 mm，距外缘成型筋分别为100 mm、75 mm，拉伸成型时需要周边材料流入，属于拉伸成型。因与外缘成型筋距离较小，同时本身圆弧及相邻成型筋圆弧尺寸均为R15,圆弧成型较为急剧，两道成型筋间距离为80 mm，距离过小，可参与筋拉伸变形的材料有限，拉伸过程中材料流入不足，圆弧部分材料变薄最剧烈，可能会造成成型筋圆弧破裂。

以下将通过成形仿真分析软件验证产品的性能，并优化产品结构。

1 下侧门板冲压成型和回弹仿真

1.1 下侧门板结构及基本参数

图1为重载铁路货车托板的下侧门板零件图，零件材料参数如表1所示。

表1 下侧门板材料参数

1.2 冲压仿真模型的建立

将由I-DEAS软件创建的下侧门板曲面模型以IGES的格式输入到DYNAFORM中，将曲面模型的上、下表面作为模具的上下模面。

对上、下模面进行网格划分，坯料网格单元尺寸以及模面圆角处单元尺寸大小直接影响到仿真的精度。由于模面网格大小直接影响模具形状的描述，对仿真效率影响较小，故可以细化模面网格大小，使网格划分后的模面尽量接近实际模面形状。

下侧门板的仿真模型如图2所示，从上往下分别为上模、毛坯、压边圈、下模。

图2 下侧门板仿真模型

1.3 冲压工艺仿真参数

下侧门板冲压成型仿真的参数应该与实际冲压成型参数相符。采用实际冲压速度将大大降低仿真效率，而且对仿真结果的影响不大，故对于冲压速度的选择为人工动态效应，仿真时采用虚拟速度2 m/s。摩擦系数为0.13。成型仿真采用36号材料模型，材料单元公式为缩减积分壳单元公式，接触方式采用面和面接触方式。

1.4 冲压仿真后处理结果

下侧门板成型极限图如图3所示，主次应变坐标点已经超出成形极限曲线，该零件结构不合理，实际冲压时会出现破裂现象。

图3 下侧门板成型极限图

下侧门板的板厚变化图如图4所示，最大板厚变薄率为63%，故该零件板厚变薄严重，实际冲压会出现破裂现象。

图4 下侧门板板厚变化图

2 产品结构改进方案及仿真

通过以上数值模拟分析结果表明，下侧门板的成型极限图以及板厚变化率均预测零件实际冲压会出现破裂现象。

确保实际冲压不出现破裂现象，需要对零件结构进行改进。由于破裂缺陷出现在内部两个成型筋中，故采用降低内部两个成型筋的高度，来消除破裂现象，外围筋不做改动。

2.1 将中间两个成型筋的高度降低为40 mm

将两个成型筋的高度降低为40 mm，然后对修改的零件重新进行仿真分析，如图5和图6所示。

根据图5与图6的仿真分析结果，将中间两个筋高度降低为40 mm后，仍然出现破裂现象，但是破裂现象得到明显改善，板厚变化率降低到32%。

2.2 将中间两个成型筋的高度降低为30 mm

将中间两个成型筋的高度降低为30 mm，然后对修改的零件重新进行仿真，如图7和图8所示。

图5 筋高40mm下侧门板成型极限图

图6 筋高40mm下侧门板成型板厚变化

图7 筋高30mm下侧门板成型极限图

根据图7与图8的仿真结果，将中间两个成型筋的高度降低为30 mm后，没有出现破裂现象。

3 结束语

由于零件设计阶段的产品结构不合理，仿真时容易产生破裂现象。在不改变外围筋高度的情况下，通过降低中间成型筋的高度，可以改善零件的成型性能。

为避免零件可能出现的破裂现象，通过采用仿真软件验证3种零件结构的成型性能，最后认为采用中间成型筋高为30 mm的零件结构是最合理的，不会出现破裂现象。

通过采用冲压仿真软件，可以有效避免不合理的零件设计结构，在产品早期设计阶段验证零件的成型性能，避免零件生产时出现大批量的报废情况。

图8 筋高30mm下侧门板成型板厚变化

[1] 陈文亮. 板材成形CAE分析教程[M]. 北京：机械工业出版社, 2005.

[2] 张 馨.货车制造业中冲压成形数值模拟系统应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2005.

[3] 何金保，孙东明，肖 阳. DYNAFORM-PC在板材成形的应用[J].昆明理工大学学报（理工版），2004，29（6）：46-49.

[4] 林忠钦. 车身覆盖件冲压成形仿真[M].北京：机械工业出版社，2005.

责任编辑 陈 蓉

Forming simulation of side door plate for heavy-haul railway freight car

CHAI Lin1, YANG Yue2
( 1.Process Institute of CSR Yangtze Co., LTD., Wuhan 430212, China; 2.School of Traff i c and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China )

The forming simulation applying on sheet metal plate could verify the forming property of piece parts and provided the evidence for product design, when the fright car parts were still on the design stage. Taking side door plate of heavy-haul railway freight car for example, simulation on the parts could predict potential crack at the design process, improve the product structure, make sure that the parts had excellent forming character and avoid the forming def i ciency.

forming; side door plate; process simulation

U272∶TP39

A

1005-8451（2014）08-0039-03

2014-02-19

柴 林，工程师；杨 岳，教授。