【中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng)】導(dǎo)讀：現(xiàn)如今，沖壓件在機(jī)械行業(yè)占據(jù)著相當(dāng)大的比例，并隨著機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，其對(duì)沖壓件的需求也逐漸增加，同時(shí)對(duì)其成形質(zhì)量也有較高的要求。本文通過(guò)HyperForm軟件實(shí)現(xiàn)了沖壓件的沖壓工藝仿真和工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，zui終獲得成形良好的沖壓件產(chǎn)品。
　　
　　0前言
　　
　　*，汽車沖壓件的生產(chǎn)是汽車制造中十分重要的部分，如轎車的車身、車架、車廂等都是由鋼板沖壓制造而成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，制造一輛普通轎車平均需要約1500個(gè)沖壓件。近年來(lái)，汽車沖壓件領(lǐng)域，隨著新車型的引進(jìn)、舊車型的換代以及國(guó)內(nèi)外整車及零部件生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，需求也不斷增加。因此，圍繞獲取新的供貨渠道，擁有*技術(shù)的世界沖壓件制造商和具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的國(guó)內(nèi)沖壓件制造商，都在強(qiáng)化各自的事業(yè)領(lǐng)域，加快沖壓件生產(chǎn)體制的構(gòu)建。
　　
　　隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨強(qiáng)烈，人們對(duì)沖壓件成形質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。本文通過(guò)Altair的HypeForm軟件對(duì)沖壓件的成形工藝過(guò)程進(jìn)行研究。
　　
　　1軟件介紹
　　
　　Hyperworks軟件是美國(guó)Altair公司的產(chǎn)品，是世界的、功能強(qiáng)大的CAE應(yīng)用軟件包，也是一個(gè)創(chuàng)新、開放的企業(yè)級(jí)CAE平臺(tái)，它集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具，具有的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。它包括了多種模塊，在本文中主要使用HyperMesh與HyperForm模塊來(lái)對(duì)模型進(jìn)行前處理，RADIOSS進(jìn)行沖壓過(guò)程的仿真計(jì)算，然后通過(guò)HyperView模塊進(jìn)行結(jié)果的查看。
　　
　　HyperMesh是一個(gè)高性能的有限元前處理器，它能讓CAE分析工程師在高度交互及可視化的環(huán)境下進(jìn)行仿真分析工作。與其他的有限元前處理器比較，HyperMesh的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí)，特別是它支持直接輸入已有的三維CAD幾何模型（UG，Pro/E，CATIA等）已有的有限元模型，并且導(dǎo)入的效率和模型質(zhì)量都很高，可以大大減少很多重復(fù)性的工作，使得CAE分析工程師能夠投入更多的精力和時(shí)間到分析計(jì)算工作上去。
　　
　　在處理幾何模型和有限元網(wǎng)格的效率和質(zhì)量方面，HyperMesh具有很好的速度、適應(yīng)性和可定制性，并且模型規(guī)模沒有限制。其他很多有限元前處理軟件對(duì)于一些復(fù)雜的，大規(guī)模的模型在讀取數(shù)據(jù)時(shí)候，需要很長(zhǎng)時(shí)間，而且很多情況下并不能夠成功導(dǎo)入模型，這樣后續(xù)的CAE分析工作就無(wú)法進(jìn)行；而采用HyperMesh，其強(qiáng)大的幾何處理能力使得HyperMesh可以很快的讀取那些結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，規(guī)模非常大的模型數(shù)據(jù)，從而大大提高了CAE分析工程師的工作效率，也使得很多應(yīng)用其他前處理軟件很難或者不能解決的問(wèn)題變得迎刃而解。
　　
　　HyperMesh前處理的功能非常強(qiáng)大，而且可操作性強(qiáng)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
　　
　　1、它是一個(gè)高性能的有限元前處理軟件，可以降低工程分析的時(shí)間和成本；
　　
　　2、具有直觀的圖形用戶界面和*的功能，從而減少學(xué)習(xí)時(shí)間，提高生產(chǎn)率；
　　
　　3、可以直接使用CAD幾何數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的有限元模型數(shù)據(jù)，降低模型開發(fā)的成本；
　　
　　4、可以快速自動(dòng)地生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，從而大大簡(jiǎn)化復(fù)雜幾何模型的建模過(guò)程。
　　
　　AltairHyperForm集成了性能優(yōu)異的HyperMesh和高精度、率的RADIOSS求解器，是使用增量法的高性能金屬板材成形仿真軟件，HyperForm可以讓工程師，零件設(shè)計(jì)人員，以及沖模設(shè)計(jì)人員快速比較沖壓零件的多種設(shè)計(jì)方案。
　　
　　使用HyperForm設(shè)計(jì)人員能夠發(fā)現(xiàn)并改正潛在的沖壓工藝和零件設(shè)計(jì)問(wèn)題，這樣使試驗(yàn)的時(shí)間縮短至zui少
　　
　　HyperForm軟件具有以下特點(diǎn)：
　　
　　1、易于使用的圖形用戶界面；
　　
　　2、快速、準(zhǔn)確、強(qiáng)大的仿真功能；
　　
　　3、在設(shè)計(jì)的初始階段即可檢查出沖壓?jiǎn)栴}；
　　
　　4、設(shè)計(jì)更輕，效率更高的零件；
　　
　　5、減少試驗(yàn)的時(shí)間，獲得更高質(zhì)量的零件。
　　
　　整個(gè)仿真過(guò)程中，我們首先對(duì)零件的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，決定其成形工藝，然后通過(guò)HyperMesh前處理對(duì)其幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，再由HyperForm/OneStep一步法獲得其初始毛坯形狀，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的沖壓工藝方案，生成沖壓模具的有限元模型，zui后使用RADIOSS對(duì)沖壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真分析。
　　
　　2零件的結(jié)構(gòu)分析及所使用的材料參數(shù)

　　
　　如圖一所示零件的幾何模型，該支架件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，基本屬于純彎曲件。從圖中我們還可以看出，該零件模型存在很大的沖壓負(fù)角，所以采用一次成形是不可能實(shí)現(xiàn)的，故采用二次成形。
　　
　　根據(jù)對(duì)支架件模型的分析我們可以看出該零件采用簡(jiǎn)單的二次沖壓成形而成，其中一次成形為主要拉伸成形過(guò)程，二次成形為簡(jiǎn)單的彎曲成形，不會(huì)存在成形缺陷，所以我們只對(duì)*步拉伸成形行研究。
　　
　　該零件使用的材料為B510L，其材料參數(shù)如表一所示：

　　
　　除了以上所使用的材料參數(shù)意外，我們還要用到自然對(duì)數(shù)e=2.718，利用以上參數(shù)我們可以在軟件中建立新的材料模型，以便于我們?cè)诜治鰰r(shí)使用。
　　
　　3有限元模型的建立及原始毛坯成形
　　
　　3.1有限元模型的建立
　　
　　在所有的前期準(zhǔn)備工作完成之后，開始建立有限元分析模型，本次分析是采用RADIOSS軟件進(jìn)行仿真分析。
　　
　　在建立模型之前，我們要使用HyperMesh前處理功能對(duì)零件進(jìn)行簡(jiǎn)化，針對(duì)此零件而言，我們首先要將其形成負(fù)角的部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而達(dá)到消除負(fù)角的效果，然后消除零件上面的孔特征。在前處理完成之后，我們開始建立其有限元模型。在建立完整的有限元分析模型之前，首先要求得零件的原始毛坯形狀，其原始毛坯我們可以通過(guò)軟件自身所帶功能中的一步法（HyperForm/OneStep）來(lái)獲得，這樣所得的毛坯形狀比較準(zhǔn)確，并且簡(jiǎn)單方便。得到簡(jiǎn)化后的幾何模型和原始毛坯的形狀之后，我們開始建立模型，zui終得到的凹模與原始毛坯的有限元模型如圖二所示。

　　
　　之后我們通過(guò)軟件自身的功能來(lái)建立凸模以及壓邊圈（在建立模型的時(shí)候我們可以同時(shí)將壓邊圈建立出來(lái)，但是在分析的時(shí)候我們根據(jù)實(shí)際需要來(lái)決定是否使用壓邊圈，壓邊圈的建立對(duì)zui終的分析結(jié)果影響不大），如圖三所示為我們完整的有限元分析模型。
　　
　　3.2零件成形仿真分析
　　
　　模型建立完成后利用RADIOSS對(duì)該零件的成形工藝進(jìn)行成形仿真分析，分析結(jié)果如圖四所示：

　　
　　如圖所示，零件在成形過(guò)程中其應(yīng)力zui大值為871MPa,其應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)了材料的許用應(yīng)力，因此，零件在成形時(shí)會(huì)在應(yīng)力zui大的地方發(fā)生開裂的現(xiàn)象，與實(shí)際零件成形缺陷位置相符，使得零件的成形性能降低，并且進(jìn)一步降低了成形后零件的表觀質(zhì)量及機(jī)械性能。
　　
　　4毛坯優(yōu)化
　　
　　原始毛坯的成形分析結(jié)果顯示出零件在成形過(guò)程中存在缺陷，影響了零件的質(zhì)量，針對(duì)此零件，在成形工藝上基本上沒有優(yōu)化的空間，因此我們只能對(duì)其毛坯進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得*的成形質(zhì)量。
　　
　　在零件的成形過(guò)程中，影響其成形過(guò)程的主要因素為材料的流動(dòng)方向以及材料在流動(dòng)過(guò)程中所受到的阻力的大小及方向，所以在毛坯的優(yōu)化中我們可以通過(guò)兩方面來(lái)分析其成形過(guò)程：
　　
　　1、方案一：通過(guò)改變?cè)济鞯男螤钍沟昧慵诔尚芜^(guò)程中材料受到的應(yīng)力趨于均勻。
　　
　　2、方案二：改變材料的流動(dòng)方向；
　　
　　4.1均勻應(yīng)力
　　
　　材料在成形過(guò)程中受到各方向的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，在拉應(yīng)力的作用下容易使得材料發(fā)生開裂的現(xiàn)象，在壓應(yīng)力的作用下容易使得材料發(fā)生起皺的現(xiàn)象，這些都是在沖壓成形過(guò)程中所不希望出現(xiàn)的結(jié)果。該支架件在成形過(guò)程中，由于受力不均勻而使得材料局部應(yīng)力過(guò)大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)了材料的需用應(yīng)力，zui終發(fā)生開裂。
　　
　　我們通過(guò)補(bǔ)充材料來(lái)對(duì)毛坯進(jìn)行優(yōu)化，使得零件在成形過(guò)程中受到的應(yīng)力趨于均勻化，從而達(dá)到更好的成形效果，如圖五所示為優(yōu)化后所得的毛坯形狀：
　　
　　如圖五所示，在毛坯成形過(guò)程中受到zui大應(yīng)力的地方進(jìn)行補(bǔ)充材料，從而達(dá)到均勻應(yīng)力及均勻變形的效果，使得零件成形之后能夠獲得更好的成形質(zhì)量。

　　
　　使用優(yōu)化后的毛坯重新進(jìn)行成形分析，得到結(jié)果如圖六所示，從圖中我們可以看出，優(yōu)化后的毛坯在成形時(shí)以前開裂的地方現(xiàn)在得到了優(yōu)化，但是同時(shí)使得零件的邊緣位置出現(xiàn)了缺陷，優(yōu)化不*，由此可以看出優(yōu)化毛坯1仍然存在不合理的地方，不能達(dá)到我們想要的優(yōu)化效果，所以我們排除這種優(yōu)化方案。

　　
　　4.1改變材料流動(dòng)方向
　　
　　沖壓件的成形過(guò)程其實(shí)是材料的塑性變形過(guò)程，是通過(guò)材料的不斷流動(dòng)從而獲得zui終的成形結(jié)果，而材料在流動(dòng)時(shí)，均是朝著阻力比較小的方向或者是向強(qiáng)度比較大的方向流動(dòng)，所以在沖壓成形的過(guò)程中，我們可以優(yōu)化毛坯的形狀，通過(guò)改變材料的強(qiáng)度分布來(lái)改變材料的流動(dòng)方向。
　　
　　通過(guò)適度的增加原始毛坯的材料，從而改變毛坯的形狀及強(qiáng)度分布，優(yōu)化后的毛坯如圖七所示，與原始毛坯相比較增加了兩部分的材料，一部分主要是為了增加毛坯的強(qiáng)度，另一部分則是為了在成形過(guò)程中補(bǔ)充材料的不足，增加材料的兩個(gè)部分存在著一定的強(qiáng)度差異，增加材料的相應(yīng)位置其強(qiáng)度增加，而處于毛坯內(nèi)部的部分強(qiáng)度比較大，材料流動(dòng)就比較困難，所以直接發(fā)生塑性變形，而邊緣部分的強(qiáng)度與內(nèi)部相比較稍微弱點(diǎn)，故邊緣材料在成形過(guò)程中起到補(bǔ)充材料的作用，向零件的內(nèi)部進(jìn)行流動(dòng)，補(bǔ)充成形過(guò)程中由于材料流動(dòng)而產(chǎn)生的材料不足。

　　
　　對(duì)優(yōu)化毛坯2進(jìn)行成形仿真分析，其分析結(jié)果如圖八所示：

　　
　　從云圖中我們可以看出零件成形完成之后，其zui大延伸率為18%，在材料的許用范圍內(nèi)，成形結(jié)果不存在裂紋等缺陷，提高了零件的成形質(zhì)量。
　　
　　5結(jié)論
　　
　　本文通過(guò)HyperForm軟件對(duì)支架件的成形過(guò)程進(jìn)行仿真分析，可以得知零件在成形過(guò)程中存在的不足，然后對(duì)其進(jìn)行改善。因此，在零件設(shè)計(jì)階段，使用HyperForm軟件進(jìn)行成形仿真分析大大的減少了零件在設(shè)計(jì)完成之后的試模時(shí)間，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，并且能夠獲得較好的成形質(zhì)量，從而增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
　　
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　　（文章作者：中國(guó)長(zhǎng)安汽車集團(tuán)    成永平）