面向冲压产品设计的快速仿真与优化技术的研究

论文摘要

基于有限元增量法的模拟技术已广泛应用于模具工艺设计的后期阶段,用于工艺校核。而在汽车产品的设计阶段和模具早期工艺设计阶段,数值模拟方法的技术水平还很低。随着汽车产品的更新周期越来越短,汽车企业和模具制造企业越来越重视产品和工艺的设计能力,提高自身的核心竞争力。作为产品设计阶段的一个关键方法——有限元逆算法,由于计算精度较低,应用范围还比较窄,还很难满足应用要求。论文结合国家自然科学基金等项目(5057508, 2006BAF01A43, 2006AA04Z140),全面分析了传统逆算法优缺点,采用四边形DKQ壳单元,结合实际冲压工艺,改进了逆算法模型,提高了计算精度,并拓展了其应用范围。主要包括以下几个方面的内容:基于有限变形理论,采用DKQ壳单元模型,建立了初始构形和最终构形两个状态下,物质点的几何运动关系。考虑板材面内各向异性,结合Hencky的形变理论和Hill屈服准则,推导了逆算法的本构方程,提出了改进的逆算法。在计算法模型中,根据实际冲压工艺条件,考虑了压边圈、托料块和拉深筋等工具对板料成形的影响。提出了修边线展开与翻边成形仿真算法,不仅可以考虑了翻边成形过程中的展开面模型(工艺补充面)、压边圈模型和摩擦等工艺条件,还可以考虑了实际板料的材料性能参数对模拟精度的影响。基于UGS/NX平台开发了汽车覆盖件修边与翻边工序的快速仿真系统,在模具设计阶段为工艺设计人员提供一个快速的修边线设计和翻边成形分析工具。提出了一种多步展开方法,可以辅助复杂的三维级进模零件中间构形的展开,尤其是包含自由曲面的中间构形的展开。根据零件的冲压工艺特征,按照冲压工步的顺序,在局部区域建立有限元逆算法模型,依次在局部区域逆向展开,得到中间关键构形。算法在展开坯料时,可以根据特征面自动确定板料展开参考面,并可以考虑搭桥、压边力、摩擦以及弯曲时板料应变中性层偏移等实际工艺条件的影响,分析连续冲压过程中板料的成形性及可能的工艺缺陷,优化各个成形步的中间构形和工艺条件,最终求得初始坯料形状。提出了一种基于混合单元模拟冲压成形件回弹。算法先采用有限元逆算法评估冲压件的成形性,再采用无旋转壳单元模拟产品的回弹。由于无旋转自由度壳单元在单元每个节点只有三个位移自由度,回弹计算时间较短。算法可以作为产品设计阶段快速的回弹评估工具。基于有限元逆算法和灵敏度优化方法,建立了综合考虑板料厚向应变分布、破裂、起皱以及成形不足等多目标的拉深筋工艺优化算法。文中以实际零件为例,验证了上述算法的可靠性和精确性,证明了作者提出的方法不仅增强了冲压件产品的设计的稳健性,同时也大大缩短了设计和制造周期,为产品设计人员和模具设计人员提供了一个实用的定量分析工具。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景和来源
• 1.2 模拟技术在钣金产品设计和成形中的应用
• 1.3 有限元逆算法的研究现状
• 1.4 有限元逆算法的应用前景
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 逆算法基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 逆算法的基本思想
• 2.3 逆算法的几何关系
• 2.4 单元模型
• 2.5 本构关系
• 2.6 真实冲压工艺条件的处理
• 2.7 逆算法的求解计算
• 2.8 典型计算实例
• 2.9 本章小结
• 3 三维修边线的设计和三维翻边成形模拟
• 3.1 引言
• 3.2 基于逆算法的修边展开和翻边成形模型
• 3.3 三维修边线设计方法的比较
• 3.4 复杂修边线展开的分区处理
• 3.5 翻边成形分析
• 3.6 翻边回弹的早期预测
• 3.7 基于 UGS/NX 平台的修边/翻边系统集成
• 3.8 某汽车翼子板的修边线展开及翻边成形模拟
• 3.9 本章小结
• 4 级进模三维条料设计和成形性分析
• 4.1 引言
• 4.2 级进模三维条料设计和基于工艺特征的多步展开
• 4.3 多步展开的过程
• 4.4 本章小结
• 5 产品早期开发阶段的快速回弹模拟
• 5.1 引言
• 5.2 在产品设计阶段的板料回弹模拟
• 5.3 基于无旋转自由度壳单元（RFS）的回弹模拟
• 5.4 回弹模拟
• 5.5 应用实例
• 5.6 本章小结
• 6 基于逆算法的拉深筋工艺优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 拉深筋优化设计目标的建立
• 6.3 拉深筋优化设计方法的选择
• 6.4 等效拉深筋的初始布置
• 6.5 拉深筋优化的过程
• 6.6 设计实际拉深筋工艺参数
• 6.7 应用实例
• 6.8 本章小结
• 7 全文总结和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的学位论文