采用iSIGHT進(jìn)行車身沖壓件成形自動優(yōu)化設(shè)計

2016-10-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1. 項目簡介

在汽車工業(yè)中, 70%的零部件是采用沖壓成形的方法制造的,尤其是車身沖壓件。當(dāng)前,汽車工業(yè)在車身沖壓件開發(fā)過程中已經(jīng)廣泛地采用板料成形數(shù)值模擬技術(shù),并在一定程度上降低開發(fā)費用、縮短設(shè)計周期。在產(chǎn)品的設(shè)計階段,用于判斷產(chǎn)品的幾何成形性;在模具開發(fā)階段,進(jìn)行沖壓過程的仿真來預(yù)測成形缺陷等,從而不斷地優(yōu)化工藝參數(shù)以達(dá)到最大化的效率、質(zhì)量以及可靠性。

然而,車身沖壓成形工藝受到許多因素的影響,如模具幾何型面、毛坯輪廓形狀、壓邊力、拉深筋阻力、摩擦力等。因此,合理地確定這些參數(shù)具有至關(guān)重要的作用。但目前的設(shè)計手段令人十分沮喪:設(shè)計過程往往基于直覺式的經(jīng)驗,通過不斷地修改工藝參數(shù)以及模具型面,并反復(fù)地進(jìn)行數(shù)值模擬過程來實現(xiàn)[3~5]。這種方法,對于小型的設(shè)計或局部的修改尚可采用,而面對復(fù)雜產(chǎn)品的大量工藝參數(shù)時,顯然既耗費時間又耗費精力,而且對專業(yè)知識的要求也非常高,根本無法準(zhǔn)確地確定最優(yōu)的設(shè)計值,也無法保證生產(chǎn)過程的質(zhì)量穩(wěn)定性。

因此,為了更有效地利用數(shù)值模擬技術(shù),更好地解決沖壓工藝設(shè)計問題,項目采用iSIGHT 優(yōu)化技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的方法,開發(fā)工藝并智能地確定優(yōu)化結(jié)果,為工藝優(yōu)化設(shè)計提供了一條實用的解決途徑。

2. 項目實施

2.1 問題描述

在沖壓成形過程中,常常需要控制金屬板料流入凹模的速度,保證基本均勻的變形條件,防止成形缺陷的產(chǎn)生。這種控制往往可以通過改變壓料面形狀、調(diào)整拉深筋阻力等來實現(xiàn)。然而,人們發(fā)現(xiàn)在模具調(diào)試過程中,鉗工反復(fù)修改拉深筋形狀、尺寸達(dá)到控制拉深筋阻力的工作量很大,因此,確定優(yōu)化的拉深筋阻力成為車身沖壓件成形的關(guān)鍵。

針對以上問題,項目研究了拉深筋阻力優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù),采用增量有限元軟件,結(jié)合”三維板料成形工藝數(shù)值模擬”國際會議( NUMISHEET’93)的一個 Benchmark 標(biāo)準(zhǔn)實例給出了優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。圖 1 所示為該標(biāo)準(zhǔn)實例的有限元模型。

圖 1 Nissan’s Infiniti J30 前翼子板模具結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 優(yōu)化模型

1. 設(shè)計變量

計算采用等效拉深筋模型,定義各段拉深筋所對應(yīng)的阻力及變化范圍,如圖 2 所示為拉
深筋布置情況:

B1:0<DBF1<=100 (N/mm)

B2:0<DBF1<=100 (N/mm)

B3:0<DBF1<=100 (N/mm)

B4:0<DBF1<=100 (N/mm)

B5:0<DBF1<=100 (N/mm)

B6: 0<DBF1<=100 (N/mm)

圖 2 拉深筋布置及分段

2. 目標(biāo)函數(shù)

沖壓成形中主要避免產(chǎn)生以下形式的缺陷:破裂(材料局部過渡減薄)、起皺(材料局部堆積增厚)、暗坑(變形量不足)、回彈(幾何形狀不準(zhǔn)確)。為了避免以上沖壓成形缺陷的產(chǎn)生,需要建立一個可靠的成形性評價標(biāo)準(zhǔn)。雖然在有限元分析中,破裂與起皺等缺陷無法直接測量得到,但與板料變形后局部極度地減薄或增厚有關(guān),因而板料各處厚度的變化情況以及應(yīng)力、應(yīng)變情況可以間接反映沖壓件的成形性,可以建立成形厚度的分布程度作為評價指標(biāo),采用如下形式的目標(biāo)函數(shù):

其中:

t0 為初始板料厚度;

ti 為最終板料厚度;

λ為減薄(增厚)變形系數(shù);

p 為影響因子,可取 p=2;

n 為變形板料總節(jié)點數(shù)。

2.3 優(yōu)化策略

1. DOE 初步探索
iSIGHT 提供多種試驗方法,由于拉丁方法具有高效、自由探索的能力,可以作為優(yōu)化的初步工具。采用 LH 得到的最佳試驗方案,破裂區(qū)域明顯減小。

表 1 試驗前后對比結(jié)果

圖 3 試驗前與LH 試驗設(shè)計值的成形極限結(jié)果對比

通過LH 試驗的研究結(jié)果,發(fā)現(xiàn)各設(shè)計變量對目標(biāo)函數(shù)的影響程度如下:

2. 混合求解

基于問題的復(fù)雜性,考慮直接采用優(yōu)化方法將消耗大量的計算時間?？梢愿鶕?jù)拉丁方試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果建立響應(yīng)表面模型( RSM),完成近似的內(nèi)部循環(huán)。同時,結(jié)合數(shù)學(xué)優(yōu)化算法,對響應(yīng)表面法得出的近似解進(jìn)行外部的精確計算。數(shù)學(xué)優(yōu)化算法采用序列二次規(guī)劃法( NLPQL)與混合整數(shù)規(guī)劃( MOST)結(jié)合的方法,優(yōu)化流程如圖。

圖 4 優(yōu)化設(shè)計流程

2.4 優(yōu)化結(jié)果對比

優(yōu)化后,成形性得到明顯改善。

表 3 優(yōu)化前后結(jié)果對比

圖 5 混合求解計算成形極限圖

3 . 結(jié)束語

目前,該方向的國內(nèi)外研究還處于剛剛起步,原因是多方面的,但手段與支撐技術(shù)的匱乏是目前主要的局限。令人欣喜萬分的是, iSIGHT 軟件通用的集成手段,豐富的優(yōu)化算法,高效的優(yōu)化策略,為實現(xiàn)車身沖壓件自動優(yōu)化設(shè)計提供了強大而有力的軟件支持。研究開展半年來,采用 iSIGHT 軟件成功實現(xiàn)了板料成形過程變量的自動優(yōu)化設(shè)計,工藝變量優(yōu)化如壓邊力、拉深筋阻力,材料參數(shù)的選擇如 n 值,板厚等。隨著研究的不斷深入,將復(fù)雜幾何型面納入優(yōu)化變量的范圍,將大大提高研究的水平和實用性。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才