一、前言

　　当代汽车和现代模具设计制造技术都表明，汽车覆盖件的设计制造离不开有效的板料成形性仿真分析。国内外大的汽车集团，其车身开发与模具制造都要借助于一种或者几种板料成形性分析软件来提高其成功率和确保模具制造周期。

　　对于汽车界广泛认可的HyperWorks 软件平台，作者经过一段时间的学习和应用，实现了：汽车冲压零件产品的成形性分析，判定成形难点和关键区域;汽车冲压零件产品的毛坯展开计算;对模具和工艺方案的确认进行有选择性和针对性地模拟分析，给模具调试提供量化的分析判断数据;对多种模具和工艺方案进行反复模拟，对有欠缺的设计提出优化改进方案。

　　二、HyperWorks 平台概述

　　HyperWorks系列软件是Altair公司开发的一套功能强大的、完整的、构架开放的CAE软件平台，在汽车相关行业有着广泛的应用，也可以很方便地实现与主流的CAD系统和CAE求解器协同工作。在本文中，使用该平台构架下的HyperMesh作为模型的前处理工具，HyperForm 作为板料成形分析工具，HyperView 作为后处理工具;求解器使用的是业界常用的LS-Dyna。

　　针对使用冲压工艺的汽车外覆盖件，核心软件HyperForm 在其设计周期的不同阶段，包括从最初的概念化设计到成品设计的整个过程都非常方便实用，它提供了独特的可测试生产可行性的反算法环境，同时，还提供了一套强有力的模具曲面生成工具，以及全冲压过程的增量求解方法。HyperForm 能把很多HyperWorks 独特的功能应用在复杂的板料成形仿真中，从最初的产品几何开始，可以优化模具曲面、板料外形等多种变量，比如：板料尺寸、成形压力、拉延筋的位置形状以及其他冲压过程所需要的条件。

　　三、前处理

　　3.1 模型介绍

　　轿车翼子板件是车身中典型的较难成形的冲压件，在某新车型的前翼子板件模具的设计与制造工作中，为了保证模具的制造质量和周期，作者对其进行了成形性分析模拟。由于左右前翼子板件完全对称，故而只选取了左前翼子板件进行分析，其原始设计结构如图1 所示。

　　图1 左前翼子板正-侧视图

　　板料厚度：0.7mm;材料：H180BD+ZF ;坯料尺寸：0.7×1700×1700mm ;冲压工艺：开卷落料，拉延成型，修边成型，翻边冲孔，斜楔翻边冲孔。此模型的特点是曲面复杂、工序多，有较复杂的立体曲面，其表面质量要求光洁美观，刚性好。本文针对其容易出现成形困难的拉延成形工序，通过模面设计等对其拉延过程进行精确的增量法模拟。

　　3.2 划分网格

　　模型以catia 的model 格式导入到HyperMesh 中，首先进行必要的几何清理(geom cleanup)，其中包括查找和删除重面(find duplicates) 、消除自由边(toggle)、删除需要在后续成形的特征(也可以在CAD 软件中完成)、填充孔(pinholes) 等操作。然后有两种方法对模型进行有限元处理，分别是手动和自动化分(batch mesher)，本文采用相对灵活的手动划分，采用5mm 四边形网格作为标准，逐面完成划分和调整，保证网格的高质量——没有大的翘曲(warpage) 和雅克比值(jacobian) 等，具体过程不再详述。

　　四、成形性仿真分析

　　4.1 生成模具

　　从HyperForm 中打开有限元模型(其与HyperMesh 之间为无缝的数据传输)，在1Step 页面进行单元法向的检查调整、自动定位(autotipping) 、负角检查(undercut chk) 等，在保证没有冲压负角的情况下，遵循平均法向原则确定冲压方向。

　　生成模具的过程中，首先进行压料面的设计，遵循平顺光滑原则，在具体设计思路上重点考虑拉延深度、压料面截面线轮廓的处理等，设计生成压料面;之后是工艺补充面的设计，需要重点考虑到后续工序(如修边、翻边)的衔接和模具结构上的实施可行性与简便性，然后就是考虑材料的局部流动情况及其对拉延成形的影响，工艺补充面设计的两个重要参数是凸模圆角半径和凹模圆角半径。生成的凹模如图2 所示。

　　图2 翼子板件凹模

　　然后是拉延筋的设计和布置。为了保证得到比较均匀的或者符合要求的径向拉应力，以及防止拉深起皱，最常用的办法就是采用带有拉延筋的冲模。拉延筋在调节局部进料阻力、改善毛坯在压边圈下的流动条件上有着非常直接的作用，可使各部分的金属流动趋于均匀，同时还要考虑到后序修边和拉延时很可能产生的拉毛问题。

　　4.2 工具设定

　　关于毛坯形状，应该优先采用方形或者方形切角，这样可以减掉落料模具;其次选用有一定规则形状的毛坯，这样既可以简化落料模具结构，又给优化毛坯排样、提高材料的利用率提供了良好的基础。本文的分析中采用后者，用不同形状的较规则的毛坯进行分析计算，最后得出最理想的毛坯形状。

　　按照HyperForm 增量算法的分析流程，设计完凹模模面和毛坯之后，依次进行部件定义(Section definition)、毛坯材料定义(Material definition)、工具设定(Tool build) 、运动设定(Tool motion) 、约束和力的设定(Tool load) 等。其中，凸模是由凹模偏置一定距离(一般取1.1倍料厚)得到的，压边力取100kN，压边圈速度不宜太快，该件计算中取500mm/s。

　　各工具如图3 所示

　　图3：拉延模模具模型装配图

　　4.3 仿真计算

　　各工具及其参数设定完之后，设置拉延筋(Drawbeads)，本题选择在金属流动容易的地方布置三条拉延筋，附在压边圈上(attached to binder)。之后就可以进行分析了(run analysis)，HyperForm 会自动调用求解器，本文设定选用LS-DYNA 求解器。

　　计算完成后，得出该方案的分析结果。多次仿真分析中，除了重点关注非方形毛坯的形状变动外，通过调节压边力和摩擦系数等冲压成形工艺条件和参数，经过多次模拟分析的对比，直至得到此条件下的最佳拉延成形效果的板料毛坯和成形参数。

　　五、后处理

　　在HyperForm 中，载入分析结果(load result) ，选择分析得到的d3plot 文件即可自动运行HyperView ，进入到后处理模块。HyperView 支持多种CAE 求解器的数据格式，可以方便的显示各种云图，如张量图、向量图、等值面显示等，同时也支持多种动画显示。对比了各种坯料形状和成形参数条件下的拉延仿真结果后，得出较为理想的方案如下图。

　　 　 　　图4 坯料减薄率及成形极限图(FLD)

　　六、结论

　　从上述过程中可以看出，采用数值模拟技术来进行拉延成形分析，进而在模具制造调试时提供量的数据和判据，指导模具调试，这是缩短制模周期、提高冲压件成形质量的一个非常重要的手段，如果在模具加工制造前就进行充分的模拟分析，研讨模面设计的可行性和可靠性，进而提出改模方案，无疑将大大减少现场实际试模量，HyperWorks 软件平台正是提供了这样一个较为完善可靠的仿真环境，便于在模具设计初期对全过程实施预分析及做出必要的工艺改进，对实践有很强的指导意义;但板料的冲压成形过程和模具的设计制造是一个十分复杂的系统过程，单对某一个工序及其模具调试做出分析、判断及修改还是不够的，还需要对许多关键技术作进一步的探索和研究，才能最终大大减少现场模具调试的工作量。