多目标优化的汽车覆盖件的设计

             ——汽车顶盖模具设计

摘要

本文以建模软件Pro/E和冲压仿真分析软件Dynaform为工具，以典型汽车覆盖件（车顶盖）为例，应用计算机对产品进行三维建模及仿真计算冲压模具工作过程，通过分析结果，验证模具设计是否合理，防止起皱、拉裂等不良现象。实践证明，采用冲压仿真分析软件DYNAFORM对汽车覆盖件成形过程进行模拟，并根据仿真结果进行冲压工艺规划和模具的设计，可以降低成本，缩短生产周期，提高模具的设计质量。主要讲述仿真分析技术在汽车覆盖件模具制造中的实际应用。探讨了虚拟制造技术在汽车模具制造中的重要性和优势，提出了虚拟制造技术在汽车模具开发领域的应用。在简单介绍了虚拟制造的原理及其组成部分后，对其在汽车覆盖件模具制造中的应用给出了详细说明，重点介绍了在汽车覆盖件模具制造中如何使用虚拟制造技术，给出了应用的一般流程，并对其中的关键技术和难点技术给予了详细说明。

关键词：冲压；仿真；Dynaform；覆盖件；模具设计

Mold Design of Automobile Covering Based on

 Multi-objective Optimization——Car Roof Die Design

ABSTRACT

     In this paper we use modeling software Pro/E and simulation software Dynaform as a tool, take the typical automobile cover (car roof) as an example, use the computer to model the product and simulate the stamping process，through result analysis, we confirm the mold is designed reasonably. Such design would prevent such bad phenomenon as wrinkle and fracture and so on. It has been proved, using the stamping simulation analysis software Dynaform to make the simulation of automobile cover forming process, and making the stamping process plan and the mold design according to the simulation results, can reduce the cost, shorten production cycle, enhance the mold design quality. In order to explain the Simulation Analysis Technology's application in automobile covering mould manufacturing, discusses the importance of the virtual manufacturing technology used in mould manufacturing, the application of virtual manufacturing technology was put forward in the field of auto mould development. After virtual manufacturing is simply introduced, a detailed explanation was given in the mould manufacturing application. Additionally, we also introduced how to use the virtual manufacturing technology in the mould manufacturing, and gave the general process, the key technology and some other technical.

Key words: Stamping; Simulation; Dynaform; Covering; Mould design

目录

1绪论

1.1汽车覆盖件的概念与特点

1.1.1汽车覆盖件的概念

1.1.2汽车覆盖件的成形特点

1.1.3 覆盖件的特殊要求

1.1.4 Dynaform 有限元模拟软件的应用

1.2 冷冲压模具发展现状及CAE技术的前景

1.2.1我国冷冲压模具的发展现状

1.2.2 CAE技术的发展前景

1.3论文的提出及研究意义

1.3.1论文的提出

1.3.2研究意义

1.4研究的主要内容

2汽车覆盖件拉延模冲压工艺分析

2.1产品的工艺分析

2.1.1覆盖件冲压工艺的特点

2.2冲压工艺的确定

2.2.1冲压方向的确定

2.2.2 工艺补充部分设计

2.2.3压料面的确定

2.2.4工艺孔及工艺切口

2.2.5 增加拉延筋或拉延槛

2.2.6加工方案的确定

3对汽车覆盖件的拉延工艺的有限元分析

3.1 DYNAFORM软件的三大组成部分

3.1.1 DYNAFORM前处理

3.1.2 DYNAFORM求解器

3.1.3 DYNAFORM的后处理

3.2 DYNAFORM软件在板料成形过程中的分析流程

3.3采用仿真技术的优点

3.4模具设计的有限元分析与仿真

3.4.1参数初步确定

3.4.2模型的建立

3.4.3对零件进行网格划分

3.4.4 冲压方向的调整

3.4.5创建压料面和工艺补充部分

3.4.6对压料面进行裁剪

3.4.7毛坯的确定

3.4.8 Draw Die模块参数设置

3.4.9成形缺陷的分析判断

3.4.10解决起皱的方法

3.4.11解决开裂的方法

4模具结构设计的确定及ISIGHT分析

4.1对DYNAFORM仿真结果进行多目标优化

4.1.1 iSIGHT简介

4.1.3 响应面法的简单介绍

4.1.4 多目标优化的基本思路

4.1.5 目标函数对产品的影响与控制

4.2选用模具的类型及结构

4.2.1三种拉延模的比较

4.2.2确定拉延模的类型

4.2.3 压力机的选择

4.3汽车覆盖件冲压成形的冲压方式

4.3.1拉延模的主要组成部分

4.4结构尺寸参数

4.4.1凸模结构

4.4.2空气孔的设计

4.4.3导向板

4.4.4压边圈和凹模的导向

4.4.5 压料筋和压料槛

4.4.6 升降机顶件器

4.4.7 模具总体装配图

总结

参考文献

致谢

1绪论

1.1汽车覆盖件的概念与特点

1.1.1汽车覆盖件的概念

汽车覆盖件（以下简称覆盖件）是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件。轿车的车前板和车身、载重车的车前板和驾驶室等都是由覆盖件和一般冲压件构成的。覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状，它既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受力零件。覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。

覆盖件的分类：   

（1）按功能和部位分类：可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三类。外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求，内部覆盖件的形状往往更复杂。

（2）按工艺特征分类：

（a）对称于一个平面的覆盖件。诸如发动机罩、前围板、后围板、散热器罩和水箱罩等。这类覆盖件又可分为深度浅呈凹形弯曲形状的、深度均匀形状比较复杂的、深度相差大形状复杂的和深度深的几种。

（b）不对称的覆盖件。诸如车门的内、外板，翼子板，侧围板等。这类覆盖件又可分为深度浅度比较平坦的、深度均匀形状较复杂的和深度深的几种。
    （c）可以成双冲压的覆盖件。所谓成双冲压既指左右件组成一个便于成型的封闭件，也指切开后变成两件的半封闭型的覆盖件。

（d）具有凸缘平面的覆盖件。如车门内板，其凸缘面可直接选作压料面。
    （e）压弯成型的覆盖件。
    以上各类覆盖件的工艺方案各有不同，模具设计结构亦有很大差别。本论文研究的是外部覆盖件，属于对称于一个平面的覆盖件。

1.1.2汽车覆盖件的成形特点

    与一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点。覆盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺都具有特殊性。因此，在实践中常把覆盖件从一般冲压件中分离出来，作为一各特殊的类别加以研究和分析。

在板材冲压成形中，汽车覆盖件是最复杂的冲压件。零件上经常有许多局部的凸起、筋条等形状，且零件尺寸大，毛坯相对厚度小。往往要经过拉延、切边、翻边等多道工序甚至十几道工序才能得到一个汽车覆盖件的成品件。

1.1.3 覆盖件的特殊要求

1、表面质量

覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美观，因此覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美感的缺陷。覆盖件上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡均匀，覆盖件之间的棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。总之覆盖件不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。

2、尺寸形状

覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确地表达出来，因此覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述。主模型是覆盖件的主要制造依据，覆盖件图上标注出来的尺寸形状，其中包括立体曲面形状、各种孔的位置尺寸、形状过渡尺寸等，都应和主模型一致，图面上无法标注的尺寸要依赖主模型量取，从这个意义上看，主模型是覆盖件图必要的补充。

3、刚性

覆盖件拉延成型时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。刚性差的覆盖件受至振动后会产生空洞声，用这样零件装车，汽车在高速行驶时就会发生振动，造成覆盖件早期破坏，因此覆盖件的刚性要求不可忽视。检查覆盖件刚性的方法，一是敲打零件以分辨其不同部位声音的异同，另一种是用手按看其是否发生松驰和鼓动现象。

4、 工艺性

覆盖件的结构形状和尺寸决定该件的工艺性。覆盖件的工艺性关键是拉延工艺性。覆盖件一般都采用一次成型法，为了创造一个良好的拉延条件，通常将翻边展开，窗口补满，再加添上工艺补充部分，构成一个拉延件。工艺补充是拉延件不可缺少的组成部分，它既是实现拉延的条件，又是增加变形程度获得刚性零件 的必要补充。工艺补充的多少取决于覆盖件的形状和尺寸，也和材料的的性能有关，形状复杂的深拉延件，要使用08ZF钢板。工艺补充的多余料需要在以后工序中去除。拉延工序以后的工艺性，仅仅是确定工序次数和安排工序顺序的问题。工艺性好可以减少工序次数，进行必要的工序合并。审查后续工序的工艺性要注意定位基准的一致性或定位基准的转换，前道工序为后续工序创造必要的条件，后道工序要注意和前道工序衔接好。

1.1.4 Dynaform 有限元模拟软件的应用

汽车覆盖件多为空间自由曲面，具有结构尺寸大，形状复杂，材料薄等特点，成形过程涉及几何非线性，材料非线性和复杂的接触摩擦问题。传统的模具设计方法难以预先估计板料成形过程中板料的成形性和模具设计的正确性。利用板料冲压成形有限元模拟软件Dynaform可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕和回弹，评估板料的成形性能。    

1.2 冷冲压模具发展现状及CAE技术的前景

1.2.1我国冷冲压模具的发展现状

由于冷冲压模具有表面质量好、重量轻、成本低的优点,它还是一种经济的加工方法,这是其他加工方法不能与之竞争的。因而冷冲压工艺在机械制造业中得到广泛应用,它在现代汽车、拖拉机、电机、电器、仪器、仪表以及飞机、导弹、枪弹、炮弹和各种民用轻工业中已成为主要的工艺之一。目前,大量产品均可以通过钢板冲压直接生产,有些机械设备往往以冲压件所占的比例作为评价结构是否先进的指标之一。

其中，汽车、摩托车行业的冷冲压模具需求占国内冷冲压模具市场的一半左右。汽车、摩托车行业的发展将会大大推动冷冲压模具工业的高速增长,特别是汽车覆盖件冷冲压模具、塑料冷冲压模具和压铸冷冲压模具的发展，对中国冷冲压模具工业和技术的发展产生巨大的推动作用。

从1997年开始对部分冷冲压模具企业实行了增值税返还 70%的优惠政策。所有这些国家对冷冲压模具工业采取的优惠政策也将对其发展提供有力支持。虽然我国的冷冲压模具工业和技术在过去的十多年得到了快速发展,但与国外工业发达国家相比仍存在较大差距,尚不能完全满足国民经济高速发展的需求。

1.2.2 CAE技术的发展前景

为了加快产品更新换代的速度,克服模具设计周期长等缺点。应大力开展模具计算机辅助设计和制造(CAD/CAM/CAE)技术的研究。因为利用CAE技术，可以有效地降低对模具设计人员的技术和经验要求，对模具设计中常出现的起皱、拉裂等现象制止于设计阶段，提高模具的设计精度，降低模具的生产成本，缩短模具的设计开发周期。

中国冷冲压模具工业和技术的主要发展方向包括:(1)在冷冲压模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术；(2)研究和应用冷冲压模具的高速测量技术与逆向工程；(3)开发新的成形工艺和冷冲压模具。

1.3论文的提出及研究意义

1.3.1论文的提出

目前国外汽车覆盖件模具CAD/CAM技术的发展已进入实质性的应用阶段，不仅全面提高了模具设计的质量，而且大大缩短了模具的生产周期。近些年来，我国在汽车覆盖件模具CAD技术的应用方面也取得了显著的进步，但传统的冲压模具加工工艺依然占据着主导地位。从理论上说，模具设计是CAD/CAE技术最能发挥优越性的领域。但我国目前模具CAD的成果并不十分显著，尤其是在汽车覆盖件模具CAD技术应用方面，这项技术的巨大潜力还未充分发挥出来，解决这个问题的关键就是要提高CAD/CAE技术在模具设计领域的应用水平。  

欧美推出一种新车型需要48个月，日本则只需30个月。我国在对汽车新车型，尤其是轿车车型的开发设计技术方面比较落后，其中一个重要的原因就是覆盖件模具的设计效率低。国内传统的模具设计方法已适应不了汽车工业的发展需要，而引进国外的覆盖件模具产品不仅要花费大量的外汇，而且会严重阻碍汽车产品的更新换代。要解决上述问题，就必须研究开发我国自己的模具CAD技术。同时引进国外先进的通用造型软件进行二次开发无疑是一种必要而又有效的手段。本论题就是在这样的背景下提出的。

1.3.2研究意义

在传统的汽车覆盖件模具开发过程中，当模具设计及制造完成后，需要经过反复的调试修改，才能得到满意的汽车零件。在调试过程中，一些成形缺陷，如破裂、起皱、回弹、翘角等问题，主要是凭借模具钳工师的经验，通过试模、修模、再试模、再修模的循环过程才能解决。这种方法不但降低了生产效率，而且生产出的模具精度往往达不到预期的要求，还会加长模具的开发周期。在汽车覆盖件设计过程中,由于技术能力、开发周期和开发成本等诸多因素的限制,技术人员不可能仅依靠大量的传统试错分析对覆盖件的成形方案进行改进。因此,基于成形过程数值模拟,寻求适用于汽车覆盖件成形过程的优化方法,具有重要的工程意义和研究价值。

通过CAD和CAE集成设计了汽车覆盖件模具、压料面以及工艺补充部分，在有限元分析软件内部实现了覆盖件模具设计， 解决了模拟后的模具形状参数化调整问题，不但节省了大量时间，而且也能保证模拟顺利进行，提高了设计可靠性。

1.4研究的主要内容

本论文主要研究内容包括以下几个方面：1.用PRO/E软件对产品（汽车顶盖）进行三维建模并生成AotoCAD格式的图纸，同时也转换成IGES格式的文件。2.通过有限元软件DYNAFORM对冲压成形过程的仿真选择适合的材料。3.利用DYNAFORM的BSE模块精确的计算毛坯的外形尺寸。4.分析车顶盖在冲压成型过程中可能会出现的局部减薄破裂、增厚起皱现象。通过分析预测，可以有效的提高产品的生产效率，减少单件的生产成本。

本课题选用DYNAFORM软件对车顶盖冲压成形进行数值模拟，因为DYNAFORM对用户的工程背景及理论知识要求并不高，具有界面友好和方便以及操作流程自动的特点。图1.1是应用DYNAFORM进行车门冲压成形模拟分析的方法过程。

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