摘 要：介绍了热成型仿真模拟分析的方法，基于实际工况和分析需求提出物理模型，通过三维建模将物理问题转化为几何模型，结合模拟关心要素，对CAD模型进行必要的结构简化，建立有限元单元模型。将有限元单元网格模型导入分析软件，设置模拟仿真的边界条件，调用求解器进行成型分析的数值模拟，最后根据分析结果对模具设计进行循环优化，解决产品开裂、起皱等问题。通过反复模拟分析及优化，建立了成熟的分析模型，指导热成型模具设计及产品优化。
关键词：热成型；仿真分析；模具结构；摩擦因数
热冲压成型技术是一种既满足汽车轻量化需求，又兼顾汽车安全法规的新兴技术。其主要原理是将高强度钢板加热到奥氏体温度后快速冲压成型，在保压阶段，通过模具实现淬火，并达到所需的冷却速度，从而得到均匀马氏体组织，且抗拉强度达到1 500 MPa左右的超高强度零件。该技术解决了高强度钢板成型易开裂、回弹大和复杂形状不易成型等难题[1-2]。
在热成型零件冲压模具的设计过程中，零件冲压成型性的预分析和热冲压加工工艺方案，将直接影响到后续具体模具的加工制造，现场调试时间以及最终模具的试模次数，即影响模具的生产调试周期，因此非常重要。随着热冲压CAE技术[3]的飞跃发展，冲压CAE软件可以对冲压件成型性进行很好的分析；通过CAE软件的反复模拟仿真分析及工艺方案的优化，建立成熟的分析模型，对于指导热成型模具的设计起到了重要作用。
本文通过热成型仿真分析方法的研究，最终得到典型热成型零件成型性仿真分析模型。该分析模型的应用，使热成型产品在前期的开发中大大缩短了计算时间，并且可进行多次的循环优化，解决产品开裂、起皱等问题，为热成型模具的设计和优化提供便利的条件。
通过热成型仿真技术的研究，保证热成型模具制件的材料减薄率、增厚率≤20%，即热成型产品不会出现开裂及增厚现象。
为研究影响热成型零件成型性的因素，现以中横梁产品为例(见图1)，分别从模具结构和摩擦因数等2个方面对热成型零件成型性进行仿真分析。
图1 中横梁产品
2.1 模具结构对热成型零件成型性的影响
中横梁产品是热成型件中结构较简单的一种，其模具结构一般包括上活动块(即压料板Pad)、上模(Die)和下模(Punch)。在该模具中，上活动块的形状对该模具的结构影响较大，故分别通过2种不同的压料方案，即三点式压料方案及整体式压料方案，对零件成型性进行仿真分析。
2.1.1 三点式压料方案
中横梁产品三点式压料方案如图2所示，中横梁产品三点式压料分析成型过程如图3所示。
图2 中横梁产品三点式压料方案
图3 中横梁产品三点式压料分析成型过程
由图3可知，在到底20和8 mm处时明显存在波浪现象，到产品成型到底时，这些波浪处被强行压平。从其减薄率及增厚率结果(见图4)来看，减薄率为21%(>20%)，增厚率为11.5%(<20%)，减薄率不符合要求。可以看出，被强行压平部位的圆角处减薄率>20%，此处拉裂严重，在实际生产中也会出现产品开裂现象。该压料方式的产品成型性不好，需重新优化。
图4 中横梁产品三点式压料分析结果
2.1.2 整体式压料方案
中横梁产品整体式压料方案如图5所示，中横梁产品整体式压料分析成型过程如图6所示。
图5 中横梁产品整体式压料方案
图6 中横梁产品整体式压料分析成型过程
由图6可知，在各处均无明显叠料或起皱现象，成型结果良好。从其减薄率及增厚率结果(见图7)来看，减薄率为18%(<><>
图7 中横梁产品整体式压料分析结果
2.2 摩擦因数对热成型零件成型性的影响
在热成型零件成型性的仿真分析中，摩擦因数的大小会影响金属流动方向。随着摩擦因数的增加，板料的成型极限将下降[4]。
为研究摩擦因数对热成型零件成型性的影响，将摩擦因数分别设置为0.12、0.2、0.35、0.45和0.5，其分析结果(减薄率及增厚率)见表1。
表1 产品的减薄率和增厚率
摩擦因数最大减薄率/%最大增厚率/%0.1218.746.60.220.721.80.3521.120.60.4522.418.10.522.617.2
由表1可知，随着摩擦因数的增加，减薄率在逐渐增加，而增厚率在逐渐减小。说明当摩擦因数较小时，由于金属流动阻力减小，导致产品料多的地方逐步叠料，而料少的地方则不会产生较大减薄现象。反之，料少的地方，叠料会越来越小，而减薄处的减薄率则会越来越大。
综上所述，经过热成型产品不同影响因素的CAE模拟分析及验证，为方便热成型新产品CAE模拟，特建立成熟的分析模型(见图8)，使其适用于所有热成型零件，用以指导热成型零件的模具设计及产品优化。此模型的出现，大大简化了分析中参数设置的过程，也为产品进行循环优化提供了很好的条件。
在实际分析时，导入CAE分析模型(见图9)。可根据产品的实际情况，添加所需要的结构，如Pad、Die或者Punch等。在运动步骤中，可添加所需的步骤，如Pading、Holding或者Stamping等。
图8 热成型零件CAE分析模型
图9 热成型零件CAE分析过程设置
在后续热成型产品的成型性仿真分析模拟中，充分利用和实践此分析模型的实用性，使其不断完善以适用于更多的热成型产品。通过此分析模型的应用，使热成型产品在前期的开发中大大缩短了计算的时间，并且可进行多次的循环优化，使产品的模拟结果更接近实际结果，为热成型模具的设计和优化提供了便利的条件。
参考文献：
[1] 马宁, 申国哲, 张宗华, 等. 高强度钢板热冲压材料性能研究及在车身设计中的应用[J]. 机械工程学报, 2011, 47(8):60-65.
[2] Merklein M, Lechler J. Investigation of the thermo-mechanical properties of hot stamping steels[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2006, 177(s1-3):452-455.
[3] 李泷杲. 金属板料成形有限元模拟基础[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2008.
[4] 孙国华. 超高强度硼钢板高温成形极限研究[D]. 上海：同济大学, 2009.
责任编辑 郑练
Study on Formability Simulation Analysis of Typical Thermoforming Parts
YANG Xiangyu, AN Baoqin, LI Yanbo, CHEN Dongjian
(Ling Yun Industrial Corporation Ltd., Zhuozhou 072761, China)
Abstract：The method of thermoforming simulation analysis is introduced and the physical model is put forward based on the actual working condition and analysis requirement. Through the three-dimensional modeling the physical problem is transformed into the geometric model. Combining the concerned essential factors, the CAD model is simplified and the finite unit model is built. The finite element mesh model is imported into the analysis software. The boundary condition of the simulation is set up. The solver is used to simulate the forming analysis. Finally, the mold design is optimized according to the result of the analysis to solve the cracking and wrinkling problems. Through repeated simulation analysis and optimization, a mature analytical model is established to guide the design of hot-formed molds and product optimization.
联系客服
