汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)含三維5張CAD圖紙+帶任務(wù)書+開(kāi)題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+答辯ppt+外文翻譯】

汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝

摘    要

近年來(lái)，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問(wèn)題的日趨嚴(yán)重以及國(guó)家政策的支持和鼓勵(lì)，汽車輕量化已越來(lái)越被人們所重視，且已逐漸成為當(dāng)前和未來(lái)汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向?；诖?，在汽車車身及其零配的件的材料選擇上，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注材料本身的重量。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強(qiáng)度、可塑性強(qiáng)的金屬材料，受到了越來(lái)越多汽車廠商的青睞。然而，在板料成形技術(shù)中，起皺、斷裂、變形不足和回彈等質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費(fèi)，還嚴(yán)重制約了鋁合金板材在汽車制造中的使用。因此，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優(yōu)秀工藝，成了當(dāng)前眾多汽車廠商研究的重點(diǎn)。

本文將利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)汽車保險(xiǎn)杠中鋁成型組件的沖壓成型進(jìn)行分析研究，找出導(dǎo)致其出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的主要因素，并結(jié)合分析結(jié)果嘗試對(duì)現(xiàn)有的沖壓工藝進(jìn)行合理優(yōu)化，達(dá)到提高成品率的目的。

關(guān)鍵字 有限元分析 鋁成型 工藝優(yōu)化

Finite Element Analysis and Process Optimization of Aluminum Brackets for Automobile Bumper

Abstract

In recent years, with the environmental pollution, energy depletion and other issues become increasingly serious and national policy support and encouragement, automotive lightweight has been more and more attention, and has gradually become the current and future development of the main direction of automotive technology The Among them, the aluminum alloy sheet as a low-density, high strength, plasticity of the metal material, by more and more car manufacturers of all ages. However, in the sheet metal forming technology, wrinkling, rupture, deformation and rebound and other quality problems are more and more prominent, which not only caused a lot of material waste, but also seriously restricted the use of aluminum alloy sheet in the automotive industry The Therefore, to explore a suitable for aluminum alloy sheet stamping of the excellent process, has become the focus of many car manufacturers.

In this paper, the finite element analysis software ANSYS Workbench is used to analyze the stamping of aluminum forming components in automobile bumper, and the main factors leading to its quality problems are found out. Combining with the analysis results, the existing stamping process is optimized reasonably, To achieve the purpose of improving the yield.

Key words  Finite element analysis  aluminum forming   process optimization

目錄

第1章 緒論 1

1.1 引言 1

1.2 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學(xué)意義 1

1.3 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件質(zhì)量問(wèn)題的國(guó)內(nèi)外研究狀況 1

1.3.1 國(guó)外研究情況 2

1.3.2 國(guó)內(nèi)研究情況 2

1.4汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢(shì) 2

1.5汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件缺陷分析 3

1.5.1起皺 3

1.5.2破裂 4

1.5.3回彈 5

1.6本文研究的主要內(nèi)容 5

1.7本章小結(jié) 6

第2章 板材沖壓有限元分析理論 7

2.1 ANSYS Workbench軟件介紹 7

2.2 材料的特性 7

2.3 材料的屈服準(zhǔn)則 8

2.3.1 Tresca 屈服準(zhǔn)則 8

2.3.2 Von Mises 屈服準(zhǔn)則 9

2.4材料的硬化準(zhǔn)則 9

2.4.1各向同性硬化準(zhǔn)則 9

2.4.2隨動(dòng)硬化準(zhǔn)則 10

2.5 沖壓過(guò)程應(yīng)力加載和卸載法則 11

2.6 沖壓過(guò)程接觸算法 11

2.6.1 拉格朗日算法 12

2.6.2 罰函數(shù)接觸算法 12

2.6.3 非線性罰函數(shù)接觸算法 12

第3章 保險(xiǎn)杠組件沖壓成型工藝 15

3.1 保險(xiǎn)杠組件沖壓成型的的工藝特點(diǎn) 15

3.2 保險(xiǎn)杠組件沖壓工藝的詳細(xì)說(shuō)明 16

3.3 本章小結(jié) 20

第4章 有限元分析過(guò)程及結(jié)果 21

4.1概述 21

4.2 分析流程及結(jié)果 21

4.2.1分析流程 21

4.2.2 分析結(jié)果 25

4.3 本章小結(jié) 26

第5章 工藝優(yōu)化內(nèi)容及結(jié)果 27

5.1 工藝優(yōu)化的注意事項(xiàng) 27

5.2 工藝優(yōu)化的內(nèi)容 27

5.3 優(yōu)化效果 30

5.4 本章小結(jié) 30

致  謝 31

參考文獻(xiàn) 32

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第 1 頁(yè) 共 7 頁(yè) 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化的文獻(xiàn)綜述 摘要： 近年來(lái)，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問(wèn)題的日趨嚴(yán)重以及國(guó)家政策的支持和鼓勵(lì)，汽車輕量化已越來(lái)越被人們所重視，且已逐漸成為當(dāng)前和未來(lái)汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強(qiáng)度、可塑性強(qiáng)的金屬材料，受到了越來(lái)越多汽車廠商的青睞。然而，在板料成形技術(shù)中，起皺、破裂、變形不足和回彈等質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費(fèi)，還嚴(yán)重制約了鋁合金板材在汽車制造中的使用。因此，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優(yōu)秀工藝， 成了當(dāng)前眾多汽車廠商研究的重點(diǎn)。 本文將利用有限元分析軟件 汽車保險(xiǎn)杠中鋁成型組件的沖壓成型進(jìn)行分析研究，找出導(dǎo)致其出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的主要因素，并結(jié)合分析結(jié)果嘗試對(duì)現(xiàn)有的沖壓工藝進(jìn)行合理優(yōu)化，達(dá)到提高成品率的目的。 關(guān)鍵字： 有限元分析；鋁成型；工藝優(yōu)化 In of of as a of by of in a of of in to a of of In is to of in to 第 2 頁(yè) 共 7 頁(yè) is To of 、 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學(xué)意義及目的 汽車保險(xiǎn)杠是汽車上一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)部件，承受著汽車碰撞時(shí)的巨大沖擊力，對(duì)汽車的安全性起著至關(guān)重要的作用。其中，保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)中的部分組件采用鋁合金板材沖壓成型，而在成型過(guò)程中極易出現(xiàn) 起皺、破裂、變形不足和回彈等質(zhì)量問(wèn)題，若能通過(guò)合理的工藝優(yōu)化，解決此類質(zhì)量問(wèn)題，那么不僅能使車身輕量化的研究更進(jìn)一步，對(duì)于眾多汽車廠商來(lái)說(shuō)，還能大大節(jié)約成本，提高運(yùn)經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)。 二、汽車保 險(xiǎn)杠鋁合金板材沖壓成型組件質(zhì)量問(wèn)題的國(guó)內(nèi)外研究狀況 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件屬于板材沖壓成型件，而對(duì)于板料沖壓成形后容易出現(xiàn)的彈性恢復(fù)問(wèn)題，自上世紀(jì) 50 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)板料回彈問(wèn)題進(jìn)行了深入的理論分析、模擬和實(shí)驗(yàn)研究。 （一）國(guó)外研究情況 等人經(jīng)過(guò)多年研究，為板料成形及回彈分析奠定了理論基礎(chǔ)。 人研究了變彈性模量對(duì)板料回彈的影響。 比較板料成形模擬的靜態(tài)隱式算法和動(dòng)態(tài)顯示算法的特點(diǎn)時(shí)指出，將二者結(jié) 合起來(lái)求解回彈問(wèn)題是一種更加有效的手段。 隨著汽車輕量化的不斷發(fā)展，鋁板和高強(qiáng)度鋼板等輕量化材料在車身制造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨之帶來(lái)嚴(yán)重的回彈問(wèn)題也引起研究人員的極大重視，并對(duì)其進(jìn)行了分析和研究。 過(guò)數(shù)值模擬討論了沖壓工藝參數(shù)（如摩擦系數(shù) μ、凹模圓角半徑 凹模間隙 C 等）對(duì) U 形件成形后回彈的影響，模擬結(jié)果表明：減小 μ，增大 C 會(huì)使回彈更加嚴(yán)重。 用汽車復(fù)雜零件－頂蓋和輪轂作為研究對(duì)象，分別對(duì)其進(jìn)行全工序成形及回彈模擬。 回彈會(huì)影響零件 的形狀和尺寸精度，因此一些學(xué)者對(duì)回彈控制方法進(jìn)行了相關(guān)研究。人討論了柱形彎曲回彈的模具補(bǔ)償算法，使零件形狀得到有效控制。 人采用有限元模擬方法，針對(duì)不同形狀零件的模具進(jìn)行回彈迭代補(bǔ)償，使最終成形后的零件正好符合其形狀設(shè)計(jì)要求。 論了影響板料回彈的因素，并認(rèn)為回彈對(duì)材料參數(shù)的波動(dòng)變化非常敏感，針對(duì)高強(qiáng)度板的大回彈問(wèn)題，提出了工藝參數(shù)優(yōu)化控制和考慮板料變形歷史的模面迭代補(bǔ)償控制方法。 （ 二 ） 國(guó)內(nèi)研究情況 國(guó)內(nèi)的板料成形回彈問(wèn)題研究時(shí)間比較短，但也取得了一定成果。 付寶連建立了金屬成形過(guò)程的回彈最小勢(shì)能原理和最小余能原理，最后將該原理用于懸臂梁和曲梁回彈變形 第 3 頁(yè) 共 7 頁(yè) 計(jì)算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對(duì)板材回彈進(jìn)行數(shù)值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動(dòng)力顯式算法，并開(kāi)發(fā)了有限元分析程序 光等針對(duì)板材成形后的切邊回彈問(wèn)題，發(fā)明了基于大變形彈塑性有限元理論的切邊處理技術(shù) 法。章婷，單以才等采用 術(shù)，通過(guò)建立正交優(yōu)化試驗(yàn)對(duì) U 形件進(jìn)行沖壓回彈仿真研究，得出影響鋁合金板料成形和回彈精度的數(shù)值模擬參數(shù)。 在回彈控制方面，李延平，朱東波，盧秉恒對(duì)板料回彈進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，建立了能對(duì) 3D 復(fù)雜形狀沖壓件回彈誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制補(bǔ)償系統(tǒng)。張立力，曹飛等針對(duì)于板材成形中的回彈補(bǔ)償問(wèn)題，通過(guò)采用通用機(jī)械軟件 件 開(kāi)發(fā)的回彈補(bǔ)償?shù)哪＞咴O(shè)計(jì)系統(tǒng)，提出了一個(gè)根據(jù)工件的幾何形狀和回彈誤差來(lái)進(jìn)行模具補(bǔ)償?shù)姆椒ā? 三、汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢(shì) 隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問(wèn)題的日趨嚴(yán)重以及車輛技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車輕將逐漸成為當(dāng)前和未來(lái)汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)然，汽車 的安全性仍會(huì)被人們放在首位。在汽車車身上用鋁合金板代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼板可使白車身減重約 40%因此車身的鋁合金化對(duì)汽車質(zhì)量的減重效果是立竿見(jiàn)影的。同時(shí)，鋁合金材料的使用不僅能使車身減重，而且有助于提高汽車的機(jī)動(dòng)性能，提高乘客的舒適性和安全性。鋁的密度僅為鋼鐵的 1/3 左右，但其具有抗沖擊性好、耐蝕性高、散熱快、比強(qiáng)度和比剛度高等特點(diǎn)。因此當(dāng)今世界各大汽車公司為了追求輕量化同時(shí)兼顧汽車安全性，都大力開(kāi)發(fā)鋁合金車身零部件甚至全鋁車身。保險(xiǎn)杠組件作為汽車上的一個(gè)重要部件，且因其工作時(shí)將承受巨大沖擊載荷，當(dāng)然會(huì) 首先進(jìn)入人們的視線。 四、 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件缺陷分析 由于汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件形狀較為復(fù)雜，幾何尺寸較大，沖壓成形過(guò)程中板料與模具不斷接觸，其所受載荷路徑極為復(fù)雜，導(dǎo)致變形過(guò)程中可能出現(xiàn)起皺、破裂、擦傷以及成型后回彈大等多種缺陷。為了保證零件表面質(zhì)量和裝配精度，這些缺陷是不允許出現(xiàn)在零件上的，這就使得零件成型模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)這項(xiàng)工作變得十分棘手，下面針對(duì)上述的主要缺陷進(jìn)行分析。 （一） 起皺 起皺是保險(xiǎn)桿鋁成型組件等此類汽車覆蓋件沖壓成型過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷之一，它是由于板料在塑性變形過(guò)程中受到復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)而出現(xiàn)的不均勻變形 。由于受壓成型的板料較薄，在成型過(guò)程中厚度方向上的變形極不穩(wěn)定。板料內(nèi)部的壓應(yīng)力一旦超過(guò)材料在厚度方向上的失穩(wěn)極限后，便會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)起皺。當(dāng)然，板料受到一定程度的不均勻拉應(yīng)力、剪應(yīng)力或板內(nèi)彎曲應(yīng)力也可能導(dǎo)致板材出現(xiàn)起皺缺陷。起皺缺陷會(huì)對(duì)尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高的車身覆蓋件產(chǎn)生極大影響，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致沖壓件報(bào)廢。 第 4 頁(yè) 共 7 頁(yè) 解決此類零件起皺問(wèn)題時(shí)，一般可以從改變零件的形狀、采用合理的沖壓工藝、改善沖壓條件和材料性能及模具設(shè)計(jì)制造等方面入手，最終達(dá)到改善和消除起皺缺陷的目的。 （二） 破裂 除起皺缺陷外，破裂也是汽車保險(xiǎn)杠鋁成 型組件沖壓成型過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷之一，它是板料在成型過(guò)程中拉伸失穩(wěn)的一種主要表現(xiàn)形式。板料變形過(guò)程中內(nèi)部存在拉應(yīng)力集中區(qū)域，隨著變形的不斷發(fā)展，當(dāng)某處材料所受到的拉應(yīng)力接近或者超過(guò)材料本身的最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生拉伸失穩(wěn)，進(jìn)一步發(fā)展成為縮頸，從而出現(xiàn)裂紋或拉裂。保險(xiǎn)桿鋁成型組件拉延過(guò)程主要在以下兩種區(qū)域出現(xiàn)破裂：一種是出現(xiàn)在板料傳力區(qū)，主要由于材料強(qiáng)度不夠所引起；另一種破裂出現(xiàn)在零件大的塑性變形區(qū)，由于材料的塑性性能較差所導(dǎo)致。但是不管哪種破裂形式，拉裂在實(shí)際生產(chǎn)中直接影響著產(chǎn)品的成形質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)中 絕不允許出現(xiàn)此種缺陷。 在沖壓成型過(guò)程中，很多因素都有可能引起板料破裂。為防止，可以采取以下措施：根據(jù)零件的具體情況選用合適的毛還形狀和尺寸；采用機(jī)械性能較好的材料作為零件材料；在條件允許的情況下，增大拉裂區(qū)域的凸凹模圓角半徑；修正模具參數(shù)、提供良好的潤(rùn)滑條件；選擇優(yōu)化的壓料面形狀和合適的壓邊力；合理設(shè)置拉延筋及參數(shù)等。 （三） 回彈 板料在沖壓成型時(shí)發(fā)生的變形形式主要包括兩部分：彈性變形和塑性變形。成形結(jié)束后由于模具和零件逐漸分離，板料會(huì)發(fā)生彈性回復(fù)，導(dǎo)致零件尺寸和形狀與標(biāo)準(zhǔn)的沖壓件產(chǎn)生偏離的現(xiàn)象稱之為回彈。對(duì)于 以彎曲變形為主要成形方式的保險(xiǎn)杠來(lái)說(shuō)，回彈現(xiàn)象是不可避免的，它嚴(yán)重影響著零件的形狀和尺寸精度。當(dāng)回彈量超過(guò)允許誤差后就成為影響零件質(zhì)量的成形缺陷，這就增加了模具調(diào)試及成型后校形的工作量，為后續(xù)裝配帶來(lái)麻煩。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高汽車整車水平及質(zhì)量，許多汽車公司對(duì)此類汽車覆蓋件的成形精度都有嚴(yán)格的要求。 影響零件產(chǎn)生回彈的因素有很多，與成形材料的性能、模具的間隙和零件本身的形狀、壓邊力、摩擦接觸等因素都切實(shí)相關(guān)。解決回彈問(wèn)題，要根據(jù)沖壓件的具體形狀、尺寸及成型過(guò)程的變形特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。 五、總結(jié) 汽車保險(xiǎn)杠 鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化的課題，是汽車制造領(lǐng)域前言性課題，其研究成果不僅適用于汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件，還適用于諸如此類零件的諸多汽車覆蓋件。隨著相關(guān)學(xué)科及汽車制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們汽車零配件上的缺陷越來(lái)越重視。另一方面，環(huán)境污染、能源枯竭等問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，汽車輕量化的問(wèn)題逐漸成為汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。鋁合金板材由于具有高強(qiáng)度、低密度、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛的使用在汽車上。因此，若能通過(guò)合理的分析研究，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優(yōu)秀工藝，對(duì)于汽車制造業(yè)來(lái)說(shuō)，將會(huì)受益無(wú)窮。 第 5 頁(yè) 共 7 頁(yè) 六、 參考文獻(xiàn) [1]蘭博 D]吉林大學(xué) ,2015. 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