汽车覆盖件冲压成形中拉延筋模型及其参数反演研究

论文摘要

汽车车身覆盖件成形中,若工艺参数和模具几何参数设置不当则易引起起皱、破裂等成形缺陷。为保证成形质量,通常在拉延模压料面合理设置拉延筋调整拉延阻力大小和分布,以改善板料流动的不均匀性,提高覆盖件成形质量。近几十年来很多学者在拉延筋相关方面开展了较为广泛的研究,并已取得诸多成果,但拉延筋相关研究仍存在较多问题。本文在前人研究的基础上对拉延筋分析模型、数值模拟中的等效拉延筋仿真模型、拉延筋几何参数优化反演以及真实拉延筋仿真模型等方面进行了深入的研究。并将研究成果应用到自主开发的板料冲压成形软件CADEMⅡ中,开发了拉延筋相关功能模块,提高了CAE软件的工程实用性。研究具体内容如下:(1)建立了一种考虑混合硬化的拉延筋分析模型。目前的拉延筋阻力模型大多忽略板料弯曲时中性层的偏移,并假设板料在复杂的循环加载条件下仍然保持等向强化,不考虑包辛格效应的影响。本文将板料经过拉延筋的复杂塑性变形过程简化为一根平面应变板条在拉伸力作用下的反复弯曲与校直过程,根据Love Kirchhoff假设及平面应变假设,建立了一种拉延筋数值分析模型。该模型不仅考虑了板材厚度变化、材料各向异性,而且通过应变记忆因子考虑板料的混合强化,构建一种简易循环加载本构关系,并能够比较准确地描述了板料的加工硬化特性和包辛格效应。通过与试验结果和仿真结果进行对比,验证模型的合理性和有效性。(2)建立了一种基于快速接触搜寻的等效拉延筋仿真模型。将点到块的接触算法应用于等效拉延筋的接触搜寻,快速建立与更新等效拉延筋节点与板料单元的接触对关系,减少仿真过程接触搜寻时间。(3)提出一种基于近似模型的拉延筋几何参数优化反演方法。针对覆盖件的起皱、拉裂等成形缺陷,建立了相应的目标评价函数。采用均匀拉丁方试验设计方法提取适当的设计参数样本构造响应面近似模型,并不断通过移动和缩放设计兴趣域优化响应面模型优化反演拉延筋参数。该方法能有效克服常规响应面法在整个设计空间进行逼近导致精度低的缺陷;大量减少调用有限元正问题模拟调用次数,提高计算效率,而且能够克服板料成形数值模拟中因单元计算或接触计算产生问题而使整个优化过程无法进行的瓶颈问题。此外,将多目标粒子群优化方法应用到了板料成形优化研究,拓展了多目标粒子群优化方法的应用领域,为其它复杂系统的优化研究起到重要的借荐作用。数值算例表明该方法可在设计域内快速寻优,有助于加快模具设计进程,减少生产成本。(4)建立了一种基于自适应和子循环的真实拉延筋仿真模型。目前主要的等效拉延筋模型,对变截面过渡拉延筋、拉延端部效应、斜拉延筋以及材料特性的局部变化未给予考虑,因而需要通过真实拉延筋模型进行有限元仿真分析获取板料经过拉延筋后更为准确的应力应变信息。然而由于流经拉延筋的板料单元尺寸限制,导致临界时间步长过小,极大地降低了真实拉延筋模拟的计算效率。针对该问题,本文建立了一种基于自适应和子循环方法的真实拉延筋模型。自适应方法针对拉延筋的几何尺寸问题,对流经拉延筋的板料单元进行自适应网格划分限制计算单元总数,并将整个板料单元网格按时间步长划分区域;采用子循环算法对不同区域单元采用各自的时间步长进行积分,以提高真实拉延筋模拟的计算效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 拉延筋的研究发展现状
• 1.2.1 拉延筋的实验研究
• 1.2.2 拉延筋阻力计算
• 1.3 优化设计在覆盖件成形中的应用
• 1.4 存在问题及本文研究主要内容
• 第2章 薄板成形数值模拟理论基础
• 2.1 非线性有限元方程的建立及求解
• 2.2 材料弹塑性本构关系
• 2.2.1 常用的屈服准则
• 2.2.2 材料的塑性流动规律
• 2.2.3 加载－卸载准则
• 2.2.4 弹塑形本构关系
• 2.3 接触与摩擦算法
• 2.3.1 接触搜寻算法
• 2.3.2 法向接触力计算
• 2.3.3 摩擦力计算
• 2.4 单元类型选择
• 2.5 小结
• 第3章 基于混合强化的拉延筋数值分析模型
• 3.1 引言
• 3.2 拉延筋的作用机理
• 3.3 拉延筋分析模型
• 3.3.1 局部坐标系的设定
• 3.3.2 基本假设
• 3.3.3 二维板料单元模型
• 3.3.4 纤维层应变分析
• 3.3.5 屈服函数选择
• 3.3.6 循环加载本构关系
• 3.3.7 弯曲力和反弯曲力的计算
• 3.3.8 拉延筋阻力计算
• 3.3.9 算例验证
• 3.4 拉延筋阻力影响因素分析
• 3.4.1 板料厚度的影响
• 3.4.2 润滑条件的影响
• 3.4.3 材料特性的影响
• 3.4.4 拉延筋几何参数的影响
• 3.5 等效拉延筋模型的建立
• 3.5.1 等效拉延筋接触判断
• 3.5.2 拉延阻力等效加载
• 3.5.3 等效拉延筋模型的建立流程及算例模拟
• 3.6 小结
• 第4章 拉延筋参数反演研究
• 4.1 引言
• 4.2 拉延筋参数反演优化设计模型
• 4.2.1 优化问题数学模型
• 4.2.2 目标函数的建立
• 4.2.3 设计参数
• 4.3 基于响应面近似优化基本原理
• 4.3.1 传统响应面方法
• 4.3.2 移动最小二乘响应面方法
• 4.3.3 响应面模型误差的评估
• 4.3.4 试验设计
• 4.3.5 兴趣子域的更新
• 4.4 优化算法的选取
• 4.4.1 传统多目标优化算法
• 4.4.2 关于Pareto 解的重要概念
• 4.4.3 多目标粒子群算法
• 4.4.4 最优解的评价
• 4.5 拉延筋优化设计过程
• 4.6 反演问题求解
• 4.6.1 方形盒拉延筋几何参数反演
• 4.6.2 某车型内板拉延筋参数反演
• 4.6.3 基于多目标响应面的拉延筋参数反演
• 4.7 小结
• 第5章 基于自适应和子循环的真实拉延筋仿真模型
• 5.1 引言
• 5.2 等效拉延筋的不足之处
• 5.2.1 等效拉延筋与真实拉延筋比较
• 5.2.2 拉延筋端部效应
• 5.3 真实拉延筋仿真模型中的自适应方法
• 5.3.1 疏密网格的过渡方式
• 5.3.2 网格单元细分与粗化的判据
• 5.3.3 单元细分过程
• 5.3.4 单元粗化过程
• 5.4 真实拉延筋仿真模型中的子循环方法
• 5.4.1 节点数据更新方式
• 5.4.2 常速度子循环算法
• 5.5 真实拉延筋建模中的关键问题
• 5.5.1 新旧网格历史变量的传递
• 5.5.2 接触对的更新
• 5.5.3 约束从节点的处理
• 5.5.4 区域交界处理
• 5.5.5 稳定性分析
• 5.5.6 真实拉延筋建模的算法流程
• 5.6 真实拉延筋仿真数值算例
• 5.6.1 跑道形冲压件真实拉延筋模拟
• 5.6.2 斜拉延筋模拟
• 5.7 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表和已投稿的学术论文目录
• 致谢