试析基于有限元分析的汽车覆盖件模具设计方法

摘要:计算机硬件性能和软件设计能力的提高,信息技术的发展特别是弹塑性有限元模拟技术的进步,让CAE技术(计算机辅助工程技术)在汽车工业中获得了广泛地应用,该技术主要以数值模拟技术为核心,它在促进产品设计的不断改进中发挥中了非常重要的作用。基于有限元分析的汽车覆盖件模具设计不仅具有非常好的设计可靠性,还具有很好的模具设计效率。

关键词:有限元 汽车覆盖件 模具设计 1 有限元

有限元有效融合了计算方法、力学理论以及计算机技术等三门学科的理论知识,但是它不是三者的简单相加,而是具有自己理论基础与解题方法的新学科。有限元特别适合用于解决工程技术问题,因为相对于其他方法具有高效、快速、灵活等优点,因而获得了非常快的发展。最开始,有限元主要的目的是分析飞机结构中的应力问题,但是随着它逐渐被其他领域所认可,其应用范围已经囊括了生物力学、流体场、固体力学、电磁场、声场以及温度场等诸多领域的数理方程;同时,它的计算机程序基本上可以对数理方程中的所有问题进行求解。目前,有限元已经成为一种非常通用的解数理方程的数值计算方法。

在进行实际工程技术问题求解的过程中,构建基本方程和确定边界条件不是很苦难,但是因为材料特点、外部荷载以及不规则的几何

形状,求解的过程则比较麻烦。所以,选择求近似解则是比较恰当合理的。其中有限元方法便是一种应用非常广泛的近似算法。有限元法将求解区域视为由众多在节点部位连接的较小单元(子域),数学模型会提供基本方程的单元(子域)近似解。同时,每一个单元(子域)均能够被划分为形状各异、大小不同的区域,因而有限元法对复杂材料特性、边界条件以及几何形状等均有着非常好的适应能力。更为重要的是,有限元方法背后有着成熟稳定的大型的软件系统作为平台,使其具有高效、快速、灵活等优点,因而获得了非常快的发展。

2 汽车覆盖件成形的模拟及其模具设计

汽车覆盖件成形的模拟及其模具设计的大体流程如下:①利用CAD软件对覆盖件进行造型设计→②将vda、iges、stl、fs等格式的文件传入到软件中,利用CAE技术(计算机辅助工程技术)进行如下操作,第一,对修改圆角补充孔、网格、缝隙等进行划分;第二,确定汽车覆盖件的冲压方向,并对模具、设计工艺补充面以及设计压料面等进行确定;第三,布置拉伸筋、明确工艺切口;第四,对拉伸工步以及有关工艺参数进行分析确定;第五,进行有限元模拟,如果成形有缺陷,则再返回第一步重新进行操作,如果成形没有缺陷则进行第③步→③将模具的几何信息以数据文件的形式传入CAM软件当中,同时编制出NC代码用来制造模具。

假如模拟的结果告知汽车覆盖件的拉伸不成功,则一般情况由于以下两种原因,即,第一,不合理的工艺参数设计会导致汽车覆盖件的

拉伸不成功;第二不合理的模具设计也会导致汽车覆盖件的拉伸不成功。如果是因为第二种原因,则我们通过对模具工艺补充部分参数以及压料面参数的重新调整来实现,而后继续进行模拟,如果还是拉伸不成功,则可以重复以上操作,直到覆盖件成功拉伸为止。

3 覆盖件成形过程的有限元分析

在利用有限元对板料成形进行模拟的过程中,常用的算法主要有三种,即静态显式、静态隐式以及动态显式等这三种算法。目前应用比较多的是前两种方法。动态显式算法没有收敛性问题,但它的最大缺陷在于求解结果是有条件稳定的,分析时每步时间增量必须小于由系统最高固有频率所确定的临界时间步长,对于冲压这样的准静态问题,临界时间步长通常要比成形时间小几个数量级。由于动态显式算法要求很小的时间步长,所以工件卸载后的回弹计算量将是巨大的,利用其计算回弹几乎是不可行的。汽车覆盖件成形速度较小,因而是一个静力问题,静态隐式算法比较适合解决这类问题,但由于存在收敛问题,所以一度影响了它的应用。本文的有限元分析采用的是改进的静态隐式算法,它解决了收敛性差的问题,计算时间也大大缩短,一般的复杂覆盖件在工作站上用1-2h就可模拟完毕,常规的形状规则的工件成形仅需要几分钟。

在覆盖件成形中,一般来讲翻边是最后一道工序,翻边前切边线的

确定一直是困扰设计人员的难题。一些通用CAD软件虽然也有钣金设计功能,能够将规则的弯曲类工件展开,但是对于覆盖件这样的复杂件,通用CAD软件就为力了。在CAE软件中通过有限元分析和优化设计相结合,可以确定切边线的位置,能够比较准确地确定翻边前的坯料形状。

4 结语

随着计算机硬件性能和软件设计能力的日益提高,信息技术的发展特别是弹塑性有限元模拟技术的不断进步,CAE技术(计算机辅助工程技术)在汽车工业中获得了广泛地应用。该技术主要以数值模拟技术为核心,它在促进产品设计的不断改进中发挥中了非常重要的作用。本文显示,利用CAD技术和CAE技术,实现了对汽车覆盖件模具、压料面与工艺补充部分的集成设计,充分发挥了两者的技术优势。利用限元分析软件来进行汽车覆盖件设计,不仅能够实现模拟后模具形状调整的参数化,还节省了时间,提高了工作效率,确保了模拟顺利进行,最终提升了设计的可靠性水平。

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