李靖谊   毕大传  张中元
南京航空航天大学， 210016

[摘 要]  薄板冲压成形数值模拟是金属塑性加工领域的热门课题之一。运用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA对汽车落地骨架零件进行冲压成形的数值模拟，预测成形过程中板料壁厚变化和可能出现的起皱、破裂现象，回弹趋势，获得该类零件成形所需的工艺参数，对汽车薄板冲压成形实际生产具有一定的指导作用。

[关键词]  数值模拟；薄板冲压成形；非线性有限元；汽车薄板结构件

Numerical Simulation for Sheet-Metal Forming
 of Skeleton- Grounded Parts of Automobiles
                          Li Jingyi    Bi Dachuan    Zhang Zhongyuan
Mechanical Engineering Institute,
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 210016

[Abstract] The numerical simulation technology of metal forming is one of the pop domain in metal plastic forming. Using non-linear finite element software ANSYS/LS-DYNA to simulate the forming of a skeleton- grounded part of an automobile, the change of the thickness, probable wrinkling, cracking, and the spring-back are predicted to obtain technology parameters which are inextricable to forming the production. All these will pose great significant to production in theory and reality.

[Keyword]  Numerical simulation; Sheet metal forming; No-finite element; skeleton parts of automobiles

1 前言
　　薄板冲压成形技术的真正发展，始于汽车的工业化生产。冲压成形技术的优劣不仅影响汽车车身的制造成本，而且还影响一个新产品的开发周期；可以说，目前汽车技术的竞争就是薄板冲压成形技术的竞争[1]。运用ANSYS/LS-DYNA对汽车落地骨架的冲压成形过程进行动态数值模拟，可预先了解和分析毛坯在冲压成形中的变形过程和壁厚变化分布、制品起皱和破裂等成形缺陷的表现，最终确定实际加工所需的工艺参数：例如，拉延筋和工艺补偿的确定；对生产可起定量的指导作用。

图1模具、压边圈、坯料的有限元模型爆炸图

2有限元模型

2.1模型描述
　　有限元模型的几何模型必须准确地反映模具型面，保证过渡面和工艺补充面的高阶连续性；坯料的造型满足实际情况，模具间、模具与坯料间的相对位置符合冲压定位和过程。对于LS-DYNA，模型上的小锐角不会导致求解失败，但会使计算结果产生较大的偏差。因此，在建立几何模型时，必须检查模型有无小的锐角，以予修补。

        网格划分质量是有限元建模的关键之一。对于这类骨架零件，根据构形特征将板料表面划分成若干区域，变形剧烈区域的网格划分较细，变形较小区域的网格划分较粗；实现自适应网格划分，通过LS-DYNA关键字*PART参数ADPOPT实现。由图1可知，模具、压边圈均为刚性体；板料为变形体。有限元模型中的单元和节点数见表1。

表1 有限元模型的节点和单元数

2.2单元类型选择
        目前，薄板冲压成形有限元分析中应用最为广泛的壳元是Hughes-Liu壳元(HL)和Belytschko-Tsay壳元(BT)。BT壳元相对HL壳元而言，有很高的计算效率；在同时考虑成形和回弹的数值模拟时，HL壳单元优于BT壳单元。对于骨架零件的加载成形，本文采用LS-DYNA单元库中的弹塑性材料壳元SHELL163；考虑卸载回弹，取Belytschko-Wong-Chiang算法显式计算。与Belytschko-Tsay算法相比，Belytschko-Wong-Chiang算法在时间上慢25%[2]，但能很好地满足后续的回弹模拟要求。

　　单元SHELL163的积分方案：壳元层面内采用单点高斯积分，壳厚度方向采用5个积分点；为避免沙漏现象，运用LS-DYNA关键字*HOURGLASS、*DAMPING_GLOBAL对其加以控制。

表2 材料参数

 
   （a） 冲头行程曲线                   （b） 拉延筋压边圈行程曲线
图2 冲头及拉延筋压边圈行程曲线

表3 工艺参数列表

2.3材料参数和工艺参数
　　板料选用弹塑性 (Plasticity)材料模型，即LS-DYNA材料库中的BISO(Bilinear Isotopic)——双线性各向同性硬化材料（表2）。工艺参数的确定是通过多次模拟实验得到的（表3）。冲压过程中冲头和压边圈的时间-位移曲线见图2。

2.4 接触和摩擦处理
　　ANSYS/LS-DYNA定义了众多接触类型：变形体与变形体之间、变形体与刚体之间的单面接触、点面接触和面面接触；主从接触面间固连、固连失效、接触滑动和分离等[2]。本文采用变形体与刚体间的面面接触的自动接触类型，罚函数接触算法。罚函数法的计算精度依赖于所取的罚因子。罚因子的选取决定成形模拟精度和回弹模拟的可行性及其精度；对于两个刚性相近的边界，罚参数采用系统默认参数。为避免穿透现象，可修改LS-DYNA关键字*CONTROL_CONTACT参数SHLTHK。
摩擦采用库仑(Coulomb)摩擦模型。假定摩擦系数在整个冲压过程中保持不变，忽略冲压过程的热效应，摩擦只发生在模具和工件的界面。

3 模拟分析
　　骨架零件的冲压成形过程是，压边圈将板料压在凹模上，压出拉延筋形状；凸模的向下运动，同时拖动毛坯移动，将毛坯压入凹模型腔成形。在整个加载过程中，凸模以一个固定的速度向下运动，压边通过给定压边圈与凹模之间的间隙实现。卸载时去掉冲头和压边圈对制品的接触，板料经回弹后得到最的形状。

3.1塑性应变分析
　　由图3可知，冲压时，冲头的端头凹槽与板料首先接触并发生变形，中部长圆形凸台凹槽的弯折处应变较大，侧壁与成形件端头的交界处应变最大；在侧壁与成形件端头的交界处，流入凹模的材料较多，板料变形剧烈，塑性应变最大；中部长圆形凸台侧面与上表面的交界处，曲率和冲程较大，应变也较大；上端圆形凸台、S形轨道处的塑性应变发生在整个成形过程的后半期，板料贴模后塑性应变变小。显然，破裂有可能发生的部位是侧壁与成形件端头的交界处。

图 3 成形结束时板料塑性应变云图                 图4 板料厚度变化率云图
 
   图 5 成形结束时板料成形极限图

3.2 壁厚变化和破裂
　　图4为板料减薄率云图——成形件下端与侧壁交界处的变薄较大，减薄率达19.28%，压边圈外缘增厚，最大增厚处达3.861%。总体而言，成形过程冲程不大(39.84mm)，故零件变薄正常、增厚不明显。图5为板料在最后成形时刻的成形极限图；在整个成形过程中，有效成形区的各单元无破裂现象发生；逼近成形极限边缘的若干单元位于侧壁与成形件下端的交界处，对成形结果无影响。

　　　
（a）成功算例的右上角起皱 （b）缺陷算例的右上角起皱
图6 起皱现象

3.3 起皱现象
　　压边力或压边圈与凹模间隙的大小是影响起皱的主要因素。在取压边圈与凹模间隙为0.2mm时，制品成形部分的内部无起皱现象，侧壁与成形件下端的交界处有轻微起皱现象。由图6所示的两个算例可知，它们的右上角均局部起皱：成功算例模具的4个边角处有过渡圆角，毛坯的四角为圆形，压边圈与凹模间隙取0.2mm；缺陷算例模具的4个边角处无过渡圆角，毛坯为矩形，压边圈与凹模间隙取0 mm。

图7 脱模回弹趋势

3.4 脱模回弹分析
　　不可避免的回弹现象使成形模具设计变得复杂——零件的最后形状不仅取决于模具的轮廓形状，还取决于坯料部分在塑性变形时存储在该部分的弹性变形能。回弹包括冲压件的脱模回弹和切边后回弹两方面。本文以隐式算法对成形件进行脱模回弹分析，给出回弹的趋势；图7为截面的脱模回弹趋势图。

4结论
　　运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，通过对汽车落地骨架零件进行加载成形和卸载回弹数值模拟，研究了汽车落地骨架零件在冲压成形中可能出现的缺陷，所进行的预测能够有效地指导这类零件的生产实践，对缩短生产周期和降低成本有积极意义。

[参考文献]
[1] 钟志华，李光耀. 薄板冲压成形过程的计算机仿真与应用. 北京：北京理工大学出版社，1998.
[2] ANSYS/LS-DYNA中国技术支持中心. ANSYS/LS-DYNA算法基础和使用方法.北京：北京理工大学出版社，1999.