第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
汽车制造业是我国国民经济几大支柱产业之一，所以，汽车工业的发展水平也是评价一个国家工业水平的重要标志之一。汽车主要有三大部件构成，即：发动机、底盘以及车身。汽车覆盖件（简称覆盖件），是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的异形体表面和内部的汽车零件。汽车覆盖件既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受力零件。汽车覆盖件是汽车产品最重要的组成部分之一，它包括车身和底盘所有用厚度t≤3mm的板料冲压而成的冲压件。在制造费用上，汽车覆盖件占整个汽车制造费用的70％以上。全球很多汽车制造名企都非常看重车身的设计与制造，因为这在一定程度上反映汽车车型的发展水平。从汽车车型一开始的设计调试一直到后期投产制造，在这整个过程中模具的设计及制造占用绝大多数的时间，约占整个周期的三分之二。而汽车车身生产中非常重要的工艺装备就是覆盖件模具，因此，覆盖件模具的设计与制造在整个汽车的开发周期中也起到了至关重要的作用。所以，如何提高覆盖件模具的设计与制造能力这一关键问题也已经成为我国汽车工业急需解决的重要课题之一。自上世纪70年代以来，我国虽然在汽车工业方面取得了长足的进步，但是从整体上来看，其在开发能力上仍缺乏独立性以及完整性，主要还是从国外引进，然后再进行改进，与国外的差距依然很大。作为我国支柱产业之一的汽车工业，为了能够及早的形成独立自主的研发设计能力，就必须尽快的提高覆盖件及其模具的设计与制造的能力。
汽车覆盖件相较于一般的冲压件有很大的不同，主要包括以下几方面：尺寸非常大、曲面相当多、材料薄且结构形状异常复杂、精度要求相当的高等，此外，还要求车身覆盖件在能承受一定载荷的同时，表面美观大方、焊接十分准确、总体设计精确，所以，其模具制造技术不仅难度相当大，成本异常高，而且其开发周期和质量都是难以控制的。在实践的生产中，并不把车身覆盖件作为一般的冲压件看待，将其划分为一个特殊的类别来加以研究和分析。覆盖件的以上这些特点也就决定了它的特殊要求。汽车覆盖件的冲压成形过程是一个非常复杂的过程，在这个过程中涉及大变形、大挠度的塑性变形，且板料在不同塑性成形工序中其应力、应变状态也是不同的，而不同的应力应变状态下材料产生不同的塑性流动，与此同时引起起皱、破裂以及回弹等成形缺陷问题，而且由于板料的冲压成形过程是一个复杂的动态力学分析问题，所以在实际的板料冲压过程中，仅凭经验一般很难对板料冲压成形性能做出合理预测，进而加大了覆盖件及其模具的设计、制造、调试的难度和成本，甚至，如果出现工艺上的判断错误，还可能会导致模具的报废。为准确把握板料冲压成形性能，就要对实际冲压件的成形过程有非常充分的认识，并利用先进的计算机辅助工程（CAE）分析技术对具体冲压件的冲压成形过程进行数值模拟，这样可以及早的发现问题，并改进模具设计，进而很大幅度的缩短模具调试周期，降低制模的成本等。因此，近几十年板料的冲压成形 CAE 分析技术一直是板料成形领域的研究热点。我国业已加入世界贸易组织(WTO)以来，汽车工业面临着巨大的机遇和挑战，为了提高我国企业汽车产品的独立开发与制造能力，保护民族工业，提高汽车产品质量,降低产品成本，提高国际竞争力，进行汽车覆盖件冲压成形的数值模拟研究具有重大的学术价值和经济意义。本课题通过对板料冲压有限元理论的探讨和研究，以有限元模拟软件 Dynaform 为工具首先对简单板料冲压件——盒形件进行模拟研究，然后进一步对以具体汽车覆盖件——行李箱盖外板的成形工艺进行模拟分析，探讨了板料冲压成形模拟尤其是覆盖件成形工艺模拟分析的一般思路与规律。使设计者，尤其是经验不丰富的设计者也能也能够很好的完成覆盖件及其模具的设计与优化，提高一次试模成功率，缩短覆盖件设计制造周期。这也是本课题的意义与目的所在。
1.2 车身覆盖件冲压成形数值模拟技术的研究现状及发展
1.2.1 车身覆盖件冲压成形数值模拟技术的发展
20世纪60年代，最早出现的方法是“有限差分法”，该方法仅限于解决诸如空心球胀形等轴对称问题，对复杂边界条件处理存在困难，因而未能得到广泛应用和普及。20世纪70年代，有限元法的应用使板料成形仿真技术获得了突破。相继出现了刚塑性、弹塑性理论，以及运用这些理论进行的成形模拟，单元类型以膜单元和实体单元为主，这些研究工作极大地推动了板料成形理论的发展，但在实际生产中的应用并不成熟。实际上，在相当长一段时间内，板料成形有限元仿真技术的研究多是停留在试验和测试阶段。对冲压工艺设计师而言，早期的板料成形仿真效率低，且由于受冲压成形理论研究的限制，仿真结果也不可靠，因此，该项技术未能得到广泛应用。20世纪80年代，动力显式有限元法在板料成形仿真技术中的应用使该项技术得到真正发展，并逐渐投入实际应用。同时，基于静态隐式增量法的板料成形仿真技术也得到了进一步发展。到1989年，动力显式有限元法因其对动态接触摩擦、大变形、大平移、大转动等问题的较强的处理能力，在板料成形仿真领域获得了广泛应用。经过20多年的发展，板料成形仿真技术已经从实验室走向设计室。
第二章覆盖件冲压成形有限元基本理论
车身覆盖件冲压成形过程是一个同时包括几何非线形、材料非线形和边界条件非线性的非常复杂的弹塑性大变形力学过程。因此需要同时对几何非线性、材料非线性以及接触非线性问题进行分析，建立材料本构方程对应力应变进行描述，由此应正确模拟和分析在各种不同边界条件作用下的板料成形过程，并对几何参数和加工工艺参数进行合理有效地修正和调整，最终得到合理的计算结果。汽车覆盖件虽然是一个非线性的大位移、大转动、大应变的复杂应变过程。但其成形过程仍然遵循金属塑性变形规律。本章即对反映金属塑性变形的一些基本有限元理论做一简要分析探讨。
2.1 板料成形性能
板料冲压成形的方式有很多，为了分析板料对各种成形方式的适应能力，人们引用了板料冲压成形性能的概念。板料冲压成形性能可简单的定义为：金属板料通过塑性变形改变形状的能力。尽管自动化技术已应用于制造各种薄板金属零件、模具和模具零件之中，但这些工艺技术的应用主要还是依赖于人的经验和判断。之所以如此是因为与板料加工相关的可变因素非常多，而且这些因素的相互作用极为复杂，所有这些因素都相互依存，以不同的等级决定零件加工的成败。因此，薄板加工时的成形性能不会决定于一个单一的参数，而是决定于所有因素的综合。板料成形性能是一项复杂的特性，因为它是与非常复杂的成形环境相关的。一般来说，板料成形性能依赖于压力、拉力、拉伸速率、温度等于金属抵抗伸长断裂有关的因素，金属材料的尺寸、形状、第二项微粒的分布状况等对其性能影响也很大。板料成形过程不是稳定不变的，而是一个逐步变化的过程。压力和拉力的分布，决定于许多重要的工艺参数，可增加金属材料在断裂之前的塑性变形程度。
第三章 基于 Dynaform 的盒形件拉深成形.......... 26-36
3.1 Dynaform 软件在板料成形过程......... 26-27
3.2 几何模型的建立......... 27-28
3.3 影响盒形件成形工艺的主要参数......... 28-34
3.3.1 压边力 .........30-31
3.3.2 摩擦系数......... 31-32
3.3.3 模具间隙......... 32
3.3.4 凹模圆角半径......... 32-33
3.3.5 拉深筋 .........33-34
3.4 小结......... 34-36
第四章 基于 Dynaform 的行李箱盖外板......... 36-48
4.1 覆盖件冲压成形仿真系统......... 36
4.2 CAD 模型的生成......... 36-38
4.3 建立有限元模型......... 38-43
4.4 影响成形工艺的各参数的确定 .........43-45
4.4.1 材料模型的选择......... 43
4.4.2 模具间隙 .........43-44
4.4.3 压机工艺参数的处理......... 44-45
4.5 后处理 .........45-46
4.6 本章小结 .........46-48
第五章 行李箱盖外板拉深成形工艺参数优化......... 48-60
5.1 正交试验简介......... 48
5.2 信噪比 .........48-49
5.3 正交试验各因素以及水平的确定......... 49-50
5.4 正交试验结果分析......... 50-55
5.5 基于多目标函数 Y 的拉深工艺方案.........55-57
5.6 实例验证......... 57-58
5.7 本章小结......... 58-60
结论
自改革开放以来，我国汽车工业取得了很大的发展，但仍未形成独立而完整的自主开发能力，与国外仍存在很大的差距。现在汽车工业已成为我国的支柱产业之一，早日形成我国汽车工业的自主开发能力，也是我们现在面临的一个重要问题。车身覆盖件是汽车的主要部件，因此，覆盖件及其模具的设计与生产成为汽车生产及更新换代的重中之重。由于汽车覆盖件本身形状就非常复杂，且表面质量要求很高，从而导致其生产研发周期特别长，成本也很高。随着有限元技术及计算机技术的发展这一问题逐渐得到解决，尤其是各种 CAE 软件逐渐成功地应用于实践生产，大大地缩短了产品研发周期，并保证了产品的质量。本文利用 Dynaform 有限元模拟软件对盒形件及某行李箱外板进行了模拟研究，并取得以下成果：
（1）本文通过对盒形件的模拟，研究了压边力、圆角半径、摩擦系数、拉延筋高度对成形结果的影响规律。得出最大减薄率与压边力、摩擦系数、模具间隙、拉延筋高度都成正相关关系，而与圆角半径成负相关关系。针对本文中的该盒形件圆角半径取7mm 较合适，压边力不超过 40KN，摩擦系数取 0.1-0.15，模具间隙取 0.12mm-0.15mm，拉延筋高度取 2mm-3mm。
（2）本文在 UG 中建立了行李箱盖外板的三维模型，并对其进行了必要的工艺补充，构成一拉延件，最后将该拉延件转换格式后导入到模拟软件 Dynaform 中，经过单元离散化等处理最后建立了有限元仿真模型。
（3）在以上建模的基础上，利用正交实验，对压边力、摩擦系数、凸凹模间隙、拉延筋高度四个参数进行了优化组合，得出各因素影响程度排序为：压边力＞摩擦系数＞拉延筋高度＞模具间隙。优化的参数组合为：压边力 FBHF=300KN，摩擦系数 FC=0.1，拉延筋高度 H=6mm，模具间隙 MG=1.1mm。根据对优化后工艺方案的分析，又提出多目标分析函数 Y，并对工艺进行进一步的优化，得出最终优化组合为：压边力FBHF=400KN，摩擦系数 FC=0.125，拉延筋高度 H=7mm 模具间隙 MG=1.1mm。最后与实际冲压件进行对比分析，证明模拟情况与实冲情况的吻合度还是比较高的。
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