基于CATIA平臺的汽車覆蓋件翻邊成形過程同步模擬

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

關鍵字:汽車覆蓋件 CATIA自定義特征同步模擬結構行程圖

引言

翻邊是汽車覆蓋件沖壓工藝中非常重要的一種成形工藝,然而,在生產過程中,翻邊工藝很容易引起破裂、起皺、回彈等缺陷,這直接影響到產品制件的成形精度和美觀性,以及裝配、焊接的質量等。

AUTOFORM、DYNAFORM和PAMSTAMP2G等CAE軟件在汽車覆蓋件翻邊成形模擬(flanging simulation,FS)中發揮了重要作用,但是這些主流CAE軟件在翻邊模擬時只考慮了翻邊塊的成形速度與距離,不能真實地反映實際翻邊運動關系。為了真實地模擬翻邊成形,有必要將結構設計中模具結構行程圖思想引入翻邊成形模擬過程中。翻邊成形過程受翻邊方向、斜邊行程、驅動角等因素的影響,運動關系非常復雜,翻邊運動仿真的應用有助于正確把握裝配關系,保證運動關系的合理性。隨著數值模擬技術發展的不斷深入,CAD與CAE的無縫集成已經成為一種發展趨勢,它可以有效地避免傳統CAE分析過程中數據轉換帶來的精度損失。

本文以華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室開發的板料成形模擬仿真系統MSFA為基礎,在其上增加了翻邊成形模擬(FS)模塊,使其成為真正的全工序仿真系統,該系統突破了國內軟件僅能實現單工序拉延成形的局限,實現了真正意義上的面向模具校核的虛擬試模。FS系統將結構設計中模具結構行程圖的思想引入翻邊成形模擬中,可真實地反映翻邊運動關系,并可以通過動畫演示的方式進行翻邊運動仿真,以正確把握裝配關系,保證運動關系的合理性。同時FS系統從底層開發創建完全符合CATIA自身風格的自定義特征,將翻邊CAE模型作為CAD特征集成于CATIA平臺上,實現了同步更新,避免了因CAD模型的頻繁變更而引起的CAE模型的反復建立問題,大大提高了設計人員的工作效率。

一、FS系統設計

CATIA-FS作為全工序模擬系統MSFA中一個重要的子系統,主要功能是完成翻邊工序的定義,并集成基于動力顯示算法、1T殼單元和1WC殼單元的FASTAMP求解器,精確模擬翻邊成形過程,通過獨立的后處理程序快速預測翻邊件的厚度分布、應變分布和破裂起皺位置等。圖1為系統流程圖。首先,創建翻邊工序并定義工具體。為了適應復雜的、多翻邊區域零件的模擬,系統可支持同時定義十個翻邊斜楔。然后,根據實際工藝條件,分別定義各斜楔的運動方向、驅動角、行程和摩擦因數等參數,并對其進行裝配。在動畫演示驗證工藝設置合理后即可提交求解器計算,最后通過后處理模塊顯示結果。如果零件設計和工藝方案合格,則模擬流程結束,否則可修改CAD模型或工藝參數,CAE模型會自動同步更新,直接提交計算即可。

圖1 系統流程圖

考慮到操作的人性化和簡單化,該系統界面具有以下特點:①與CATIA一致的自上而下的向導式操作風格;②智能化的參數處理。當用戶驅動角度定義有問題時,系統自動判斷,并將工作角賦值給驅動角,避免因角度定義出錯而模擬失敗;③交互式指導性的操作界面,如當前工具體未涉及的參數都處于灰化狀態,避免誤操作。

二、關鍵技術

2.1 翻邊斜楔垂直行程圖

翻邊一般是在拉深或修邊工序后對成形不到位的局部區域進行修正的工藝。根據翻邊模結構形式可將翻邊分為直翻、側翻、內翻等,如圖2所示。

圖2 翻邊模結構運動簡圖

有些零件可能同時存在上述幾種翻邊,模具結構非常復雜,但在模擬過程中都可以轉化為壓力機驅動一定角度的斜楔機構完成翻邊動作的形式。圖3所示為翻邊斜楔的運動原理,壓力機向下驅動滑塊運動,滑塊與驅動角為α的斜楔配合,在沿工作角為β的斜面分力的驅動下,帶動翻邊模口使板料成形。

圖3 斜楔運動原理圖

一道翻邊工序可能存在多個斜楔,各斜楔的運動關系直接影響到實際運動的真實性及模擬的準確性。結合實際工藝及推導,翻邊斜楔的垂直行程H與驅動角α、工作角β及斜邊行程D存在以下關系:

H=dsinβ+dcosβtanγ(1)

γ=α-β(2)

β=π/2-arccosθ(x1y1+x2y2+x3y3)(3)

式中,(x1,x2,x3)為沖壓方向單位法向量;(y1,y2,y3)為斜楔運動方向單位法向量。

由式(1)可知,驅動角、斜楔的運動方向等參數變化直接影響斜楔的垂直行程,繼而改變斜楔的運動順序。為了在制定翻邊工藝時直觀正確地把握各斜楔的啟動時刻,FS系統時刻更新各斜楔的垂直行程并利用CATIA提供的可視化顯示技術繪制斜楔垂直行程圖,同時利用CATIA的高亮機制,高亮顯示被選中的CAE模型所對應的行程值,方便用戶觀察。圖4為翼子板翻邊成形模擬中CAE模型及垂直行程圖。

圖4 翼子板翻邊CAE模型及垂直行程圖

2.2 翻邊運動仿真

翻邊成形過程受翻邊方向、斜邊行程、驅動角等因素影響,運動關系非常復雜,而且翻邊求解計算時間也較長,一旦計算完成后發現工具運動關系不合理,需重新裝配,再提交計算,這將造成極大不便。針對以上問題,FS系統通過動畫演示的方式進行翻邊運動仿真,使用戶可以正確把握裝配關系,即時檢驗翻邊工藝設置的合理性。

FS系統使用創建臨時圖形代表(REP)的方法進行工具模型的顯示,通過每隔一定時間顯示工具模型REP的位置來呈現連續動畫。由于無需創建特征片體來顯示視圖,所以系統響應速度非常快。

視圖顯示時每個REP相當于動畫中的每一幀。FS系統將工具體實時行程L轉化為沖壓方向的位移矢量,然后在很小的時間步長下將已經構建的REP按位移矢量進行重新定位并顯示,即實現動畫效果。其中工具體的實時行程L與時間步、步長、垂直行程、斜邊行程存在如下關系:

L=(H-ns/H)*t(4)

式中,N為已運動的步數;S為步長;T為工具體斜邊行程。

FS系統可通過設置上下壓料芯的力及每個工具體的行程來進行多方案的翻邊成形動畫演示。如果工序定義不合理或運動出現干涉,則在動畫演示中就會以工具模型穿透或者壓不到位的形式顯示,用戶可以直觀地發現工藝設置的問題所在。圖5為某汽車前翼子板OP40翻邊工序中翻邊運動仿真動畫。此過程分兩個階段:第一階段,上壓料芯與下壓料芯壓合下行至死點,如圖51所示;第二階段,各斜楔依次進入并壓至死點完成翻邊動作,如圖5C所示。

圖5 翻邊成形動畫演示

2.3 基于特征的同步更新

用戶自定義特征是CATIA中的知識模板工具,在零件設計過程中通過使用該工具可以實現通用零件或通用特征在不同零件文檔上下文中的靈活使用,提高設計信息傳遞的靈活性和安全性。CATIA中用戶自定義特征的創建方法大致分為兩類:①通過CATIA的插入知識模板命令創建;②通過CAA二次開發,構建新的拓撲結構的方法創建。

翻邊作為全工序模擬中的一道工序,如果其CAE分析模型改變,整個全工序也應同步更新,所以FS系統采用重構拓撲創建自定義特征的方法,將翻邊工序作為全工序工程中的一個特征,利用CATIA-Build/UpdateE機制進行工程的更新。

考慮到翻邊CAE分析時,壓料芯、斜楔工具體及上下壓料芯的壓力為常被修改的元素,所以將其作為翻邊自定義特征的內置屬性。當分析結果不滿意而重新優化了CAD模型或修改了屬性參數時,相應的工具體型面或參數也將發生變化,系統將利用CATIA自定義特征的更新機制檢測到變化,自動更新相應的CAE模型,達到同步更新的目的。圖6為翻邊特征同步更新機制圖。

圖6 FS系統同步更新機制圖

三、CATIA-FS系統實例應用

圖7所示為某公司汽車后圍外板件工藝數模,該產品的材料是1180H1,板厚為0.8MM。力學性能參數分別是:彈性模量E=207GPA,屈服強度σS=241MPA,泊松比υ=0.28,厚向異性系數R00=1.67,R45=1.2,R90=1.43,硬化指數為0.185。

圖7 汽車后圍板工藝數模

經沖壓工藝分析,成形該零件需經過落料、拉延、修邊、修邊沖孔及多次翻邊工序。利用MSFA全工序模擬系統對板料進行拉延、修邊后,使用FS模塊進行后續翻邊成形模擬。圖8所示為OP40翻邊工序CAE模型,該工序有兩處翻邊區域,其中斜楔1為直翻邊,斜楔2為側翻邊。

圖8 翻邊CAE模型

經翻邊模擬后,將模擬結果與實驗結果進行對比,圖9所示為OP40翻邊結果、局部區域的結果放大及實驗結果的比較。通過比較發現,標記區域1、2處出現嚴重的起皺,與實驗結果完全吻合,說明該系統計算精度較高,可作為模具工藝設計的校核工具。

四、結論

(1)基于CATIA自定義特征的翻邊成形同步模擬系統(FS系統)將結構設計中的模具結構行程圖思想引入翻邊成形模擬中,綜合考慮了翻邊方向、驅動角與翻邊行程等對實際工藝的影響,真實反映了翻邊運動關系,為翻邊工藝的制定提供了可靠依據。利用CAA獨特的REP顯示技術制作了翻邊運動仿真動畫,這樣可正確把握裝配關系,即時檢測是否存在干涉以驗證工藝的合理性。

(2)FS系統將CAE模型作為CAD特征集成于CATIA平臺上,解決了系統中產品型面及上下壓料芯壓力等特征的同步更新問題,縮短了產品設計初期CAE反復建模的時間,能夠獨立地模擬翻邊成形過程并進行后處理顯示而無需平臺間數據的轉換,實現了真正意義上CAD/CAE的無縫集成,是汽車覆蓋件模具工藝設計強有力的校核工具。