汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化.docx
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汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化
汽车保险杠铝成型组件有限元分析及工艺优化
摘要
近年来,随着环境污染、能源枯竭等问题的日趋严重以及国家政策的支持和鼓励,汽车轻量化已越来越被人们所重视,且已逐渐成为当前和未来汽车技术发展的主要方向。
基于此,在汽车车身及其零配的件的材料选择上,人们越来越关注材料本身的重量。
其中,铝合金板材作为一种低密度、高强度、可塑性强的金属材料,受到了越来越多汽车厂商的青睐。
然而,在板料成形技术中,起皱、断裂、变形不足和回弹等质量问题也越来越突出,这不仅造成了大量的材料浪费,还严重制约了铝合金板材在汽车制造中的使用。
因此,探索出一种适合铝合金板材冲压成型的优秀工艺,成了当前众多汽车厂商研究的重点。
本文将利用有限元分析软件ANSYSWorkbench对汽车保险杠中铝成型组件的冲压成型进行分析研究,找出导致其出现质量问题的主要因素,并结合分析结果尝试对现有的冲压工艺进行合理优化,达到提高成品率的目的。
关键字有限元分析铝成型工艺优化
FiniteElementAnalysisandProcessOptimizationofAluminumBracketsforAutomobileBumper
Abstract
Inrecentyears,withtheenvironmentalpollution,energydepletionandotherissuesbecomeincreasinglyseriousandnationalpolicysupportandencouragement,automotivelightweighthasbeenmoreandmoreattention,andhasgraduallybecomethecurrentandfuturedevelopmentofthemaindirectionofautomotivetechnologyTheAmongthem,thealuminumalloysheetasalow-density,highstrength,plasticityofthemetalmaterial,bymoreandmorecarmanufacturersofallages.However,inthesheetmetalformingtechnology,wrinkling,rupture,deformationandreboundandotherqualityproblemsaremoreandmoreprominent,whichnotonlycausedalotofmaterialwaste,butalsoseriouslyrestrictedtheuseofaluminumalloysheetintheautomotiveindustryTheTherefore,toexploreasuitableforaluminumalloysheetstampingoftheexcellentprocess,hasbecomethefocusofmanycarmanufacturers.
Inthispaper,thefiniteelementanalysissoftwareANSYSWorkbenchisusedtoanalyzethestampingofaluminumformingcomponentsinautomobilebumper,andthemainfactorsleadingtoitsqualityproblemsarefoundout.Combiningwiththeanalysisresults,theexistingstampingprocessisoptimizedreasonably,Toachievethepurposeofimprovingtheyield.
KeywordsFiniteelementanalysisaluminumformingprocessoptimization
目录
第1章绪论1
1.1引言1
1.2汽车保险杠铝成型组件工艺优化的科学意义1
1.3汽车保险杠铝成型组件质量问题的国内外研究状况1
1.3.1国外研究情况2
1.3.2国内研究情况2
1.4汽车保险杠铝成型组件的发展趋势2
1.5汽车保险杠铝成型组件缺陷分析3
1.5.1起皱3
1.5.2破裂4
1.5.3回弹5
1.6本文研究的主要内容5
1.7本章小结6
第2章板材冲压有限元分析理论7
2.1ANSYSWorkbench软件介绍7
2.2材料的特性7
2.3材料的屈服准则8
2.3.1Tresca屈服准则8
2.3.2VonMises屈服准则9
2.4材料的硬化准则9
2.4.1各向同性硬化准则9
2.4.2随动硬化准则10
2.5冲压过程应力加载和卸载法则11
2.6冲压过程接触算法11
2.6.1拉格朗日算法12
2.6.2罚函数接触算法12
2.6.3非线性罚函数接触算法12
第3章保险杠组件冲压成型工艺15
3.1保险杠组件冲压成型的的工艺特点15
3.2保险杠组件冲压工艺的详细说明16
3.3本章小结20
第4章有限元分析过程及结果21
4.1概述21
4.2分析流程及结果21
4.2.1分析流程21
4.2.2分析结果25
4.3本章小结26
第5章工艺优化内容及结果27
5.1工艺优化的注意事项27
5.2工艺优化的内容27
5.3优化效果30
5.4本章小结30
致谢31
参考文献32
第1章绪论
1.1引言
近年来,由于人们人们生活水平的不断提高,对衣食住行的要求也越累越重视。
汽车最为一种最常见的交通工具,为人们的出行提供了极大的方便,因此汽车的保有量近年来出现了持续增长的趋势。
据统计,2016年新注册登记的汽车达2752万辆,保有量净增2212万辆,汽车总保有量已达1.94亿辆,均达到历史新高。
另一方面,由于环境污染、空气恶化等社会问题日趋严重,节能环保的问题也开始得到人们的重视。
在汽车制造领域,越来越多汽车厂商开始重视汽车的减排问题,都致力与研发同时兼顾节能、环保和安全三个优点为一体的新时代汽车。
研究发现,通过减轻汽车自重来减少能源消耗效果可谓说是立竿见影,据统计:
汽车每减重10%,油耗可降低6%~8%,车身质量占汽车总质量的40%-60%,因此,可以说,减轻车身重量对于节约能源减少排放有着十分重要的作用。
当然,减轻车身质量并不是盲目为之,而是必须在保证不影响汽车安全和性能的前提下,最大可能地减轻车身的质量。
传统的高强度钢材料尽管有许多优良性能,但对于减轻车身重量而言,显然不尽人意。
随着材料技术的发展,很多轻质材料诸如铝合金等材料运用越来越广泛,运用铝合金等轻质制造车身及汽车配件不仅为车身轻量化提供了巨大的发展空间,而且与传统的高强度钢相比相比具有密度小、耐锈蚀易成型等优点,因此,铝合金材料在车身上的使用量越来越多,已经逐渐成为减轻车身质量化技术中取代钢材的主要材料之一,在汽车轻量化中,铝合金等轻质材料做出了不可磨灭的贡献。
然而,在实际的生产制造过程中,由于铝合金板与传统钢板的冲压成形特性并不完全相同,尤其是汽车车身覆盖件冲压成型工艺中常见的起皱、破裂、回弹等问题,根本无法完全借鉴钢板成形方面的经验来解决,导致实际生产过程中由于零件产生因质量问题而无法满足外观使用、装配性等要求,所以,对铝合金车身覆盖件的质量研究正成为汽车车身成形技术的前沿和热点。
1.2汽车保险杠铝成型组件工艺优化的科学意义
汽车保险杠是汽车上一个重要的结构部件,承受着汽车碰撞时的巨大冲击力,对汽车的安全性起着至关重要的作用。
其中,保险杠结构中的部分组件采用铝合金板材冲压成型,而在成型过程中极易出现起皱、破裂、变形不足和回弹等质量问题,若能通过合理的工艺优化,解决此类质量问题,那么不仅能使车身轻量化的研究更进一步,对于众多汽车厂商来说,还能大大节约成本,提高运营利润。
1.3汽车保险杠铝成型组件质量问题的国内外研究状况
汽车保险杠铝成型组件属于板材冲压成型件,而对于此类由板料冲压成形的零件容易出现的常见缺陷问题,自上世纪50年代以来,国内外大量学者针对这些问题进行了深入的理论分析、模拟和实验研究。
1.3.1国外研究情况
从上世纪50年代起,R.Hill、F.J.Gardiner、F.Proska等人通过多年探索研究,在板料成形及回弹分析方面取得了初步进展,为后续的研究奠定了理论基础。
随后,F.Fenoglietto等人尝试通过对弹性模量的研究,找出其对板料回弹的影响。
A.M.Prior建议将板料成形模拟的静态隐式算法和动态显示算法结合起,以此来求解回弹问题是一种十分的方法。
随着人们不断的追求车身轻量化并将铝和强度钢等材料大量用于车身上。
板材冲压成型所出现的质量问题也越来越得到人们的重视,由此对其进行了大量的分析和研究。
YouMingHuang分析了工艺参数(如凹模圆角半径rd、摩擦系数μ、凸凹模间隙C等)对U形件成形后质量的影响,其分析结果表明:
增加凹模圆角半径和凹凸模空隙并减小摩擦系数会加重零件的回弹现象。
此外,M.Kawka等人也用汽车轮毂和顶盖作为研究对象,对其进行了研究分析。
还有人通过有限元模拟方法,针对不同形状配件的模具进行回弹迭代补偿,使最后成形后的零件刚好与零件本身的设计要求相符。
S.G.Xu研究了板料回弹的影响因数,他认为材料参数的波动变对回弹缺陷的影响化非常敏感,此外,对于高强度板的大回弹问题,他提出了工艺参数优化控制和考虑板料变形历史的模面迭代补偿控制方法。
1.3.2国内研究情况
我国对于此类的板料成形质量题研究时间比较短,但也取得了一定成果。
首先由付宝连等人创立了金属成形过程的回弹最最小余能原理和小势能原理,并将该原理运用于曲梁回弹变形和悬臂梁回弹变形计算。
蔡中义教授等提出采用静力隐式算法对板材回弹进行数值分析。
刁法玺,张凯锋基于连续介质力学及有限元变形理论,给出了V形弯曲回弹的动力显式算法,并开发了有限元分析程序DEFORM-3D。
杨光等针对板材成形后的切边回弹问题,发明了基于大变形弹塑性有限元理论的切边处理技术-AIA方法。
章婷等人采用FEM技术,通过建立正交优化试验对U形件进行冲压回弹仿真研究,得出影响铝合金板料成形和回弹精度的数值模拟参数。
在回弹控制方面,张立力等人针对板材成形中的回弹补偿问题,通过采用通用机械软件UG和CAE软件Pam-Stamp所开发的回弹补偿的模具设计系统,提出了一个根据工件的几何形状和回弹误差来进行模具补偿的方法。
1.4汽车保险杠铝成型组件的发展趋势
无论汽车技术怎样发展,人们在研究汽车轻量化的同时,汽车的安全性仍会被人们放在首位。
如果一辆汽车车身重量很轻,节能减排的效果十分出色,但也丧失了其基本的安全保障能力,那么,这样的汽车也必将不会被人们接受,因此,在降低车身质量的问题上,选择合适的材料十分重要。
由于铝合金具有诸多优点,使用铝合金材料代替传统钢材在汽车车身上使用,不仅能最大限度的降低车身质量,而且在提高汽车的机动性能和高乘客的舒适性及安全性的方面,也具有这显著效果。
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- 汽车 保险杠 成型 组件 有限元分析 工艺 优化