摘 要

卡车驾驶室覆盖件是卡车车身的主要零件，卡车大部分车身覆盖件和结构件都是薄板冲压件，其冲压工艺水平高低与产品质量好坏在卡车制造中具有举足轻重的地位。与轿车相比，卡车驾驶室覆盖件的冲压成形分析优化的重视程度较低，发展进程、力度也不如轿车，所以更有研究的必要性。

首先，本文介绍了汽车覆盖件在国内外的发展历程以及研究现状、冲压成形工艺中的制造难点以及文中主要的研究内容。

接着对此次设计中使用的软件AutoForm的主要特点、功用和工艺开发流程加以介绍。然后，对所用卡车驾驶室顶棚的结构特点进行分析，设计冲压工序。运用AutoForm软件对其进行有限元建模及成形过程进行数值模拟，并解决分析过程中出现的各种问题。利用工艺仿真结果对各种工艺参数与成形质量之间的关系进行研究，同时完成该零件成形质量的优化，确定各工艺参数。最后，对材料的回弹进行研究,完成流程短，多工序，精度较高的优化设计。

关键词：覆盖件；冲压；仿真模拟；有限元；回弹

Abstract

The truck cab cover is the main part of the truck body, most of the covering parts and structural parts of the truck are sheet metal parts, Its stamping process level and product quality take a pivotal position in the truck manufacturing. Compared with the car, the importance of the truck cab cover stamping analysis of the optimization is lower, the development process and the degree of importance is not as good as car, So it is more necessary to research.

First, this paper summarizes the domestic and foreign development process and research status of the stamping process of the cover, the manufacturing difficulties in the forming process and the main research content in this paper.

Second, the main features, functions and process development of the software AutoForm used in the design are introduced. Then, using the AutoForm software to simulate the forming process and The finite element modeling of a cab ceiling, solve all kinds of problems in the process. The relationship between various process parameters and forming quality is studied by process simulation results. Meanwhile I complete the optimization of the quality of the parts, determine the process parameters. Finally, the springback of the material is studied to complete the short, multi-process, high precision optimization design.

Key Words：Panel; Stamping; Simulation; Finite element; Springback

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 汽车覆盖件冲压的国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文的主要内容研究 3

第2章 卡车顶棚覆盖件的成形工艺与有限元建模 4

2.1 AutoForm软件简介 4

2.1.1 AutoForm的主要特点与功用 5

2.1.2 AutoForm软件的工艺开发流程 5

2.2 卡车顶棚覆盖件的工艺分析 6

2.2.1 产品基本参数 6

2.2.2 生产工序确定 8

2.3卡车顶棚覆盖件的有限元建模 8

2.3.1 软件导入与表面处理 8

2.3.2 拉延工序设置与模拟结果 10

2.3.3 切边冲孔工序设置与模拟结果 13

2.3.4 翻边工序设置与模拟结果 13

2.4 本章小结 14

第3章 卡车顶棚覆盖件的成形工艺优化 15

3.1 前言 15

3.2 板料初始形状的选择 15

3.3 成形工艺参数的选择 16

3.3.1 压边力的选择 16

3.3.2 摩擦系数的选择 17

3.3.3 拉延筋的选择 18

3.3.4 其他参数对成形结果的影响及选择 21

3.4 优化结果 21

3.5 本章小结 22

第4章 卡车顶棚覆盖件的回弹模拟分析与优化 23

4.1 回弹模拟结果分析 23

4.2 关键工序回弹工艺优化 25

4.3 本章小结 26

第5章 总结 27

5.1 工作总结 27

5.2 后续展望 28

致 谢 29

参考文献 30

第1章 绪论

1.1 引言

近年来，随着国内经济的快速增长，汽车制造业也取得了飞速发展。国内汽车产销量呈现出爆发式增长，虽然我国己经成为世界第一汽车产销大国，但是还远远不是汽车工业强国，这在零部件行业上的体现尤为明显。其中，汽车覆盖件制造作为汽车零部件产业的重要组成部分，也体现了这一特点 ^[1]。如今，汽车制造业在全球范围内都面临着严峻挑战：政府对汽车污染问题的日益重视与各种环保政策出台，尤其是愈发严格的排放量规定；激烈的市场竞争；与此同时，人们对汽车舒适性、质量、性能、性价比的要求也越来越高^[2]。

为了迎接这一系列挑战，达到缩短新车市场化周期、降低研发经费和减轻整车重量的设计目标^[3]。一个实用、关键的手段就是优化汽车覆盖件的冲压工艺。近年来，汽车制造工业的飞速发展，使得冲压工艺相关的许多理论研究都迈入了一个新台阶，加之计算机的运算速度、运算量不断提高，各种配套软硬件的出现。覆盖件的冲压模拟技术逐渐从研究阶段走向实际生产，成为国内外大型汽车厂商降低生产成本，缩短开发周期的有利工具^[4]。对于汽车工业，新产品的市场竞争将是核心，而实现高质量、短周期、低成本的新车型开发，正是其关键所在。汽车覆盖件的工艺设计是联系产品设计与工业制造的纽带，覆盖件生产制造的关键在于其应有合理的成形工艺设计，这将与汽车产品的整车成本、工艺质量、生产效率等重要指标直接相关^[5]。

1.2 汽车覆盖件冲压的国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

海外覆盖件冲压成形工艺的有限元优化发展经历了许多的阶段。从简单的对称二维图形到后来的三维图形，从简单的薄膜单元进而发展到接下来的板壳单元。1960年前，国外研究人员由于理论与实际条件的限制，主要还是通过传统的试验来试图分析、掌握板料在塑性成形过程中的性能与规律。在1967年，弹塑性有限元理论初次进入人们的视线，但由于知识的局限性，此时有限元分析法还仅仅用于采用薄膜单元来分析二维平面和轴对称问题。从1970后，因为在三维板料的试验中逐渐开始应用壳单元，故有限元分析法也慢慢被科学界所了解，并且得到了推广。1973年，在日本学术界首次实现了刚塑性有限元法对板料冲压过程进行模拟后，其他研究者也开始着手于大变形弹塑性有限元理论的描述。1980年，美国研究人员采用动态显示解法分析了成形过程中的拉弯，打开在静态板料成形的求解计算中，运用动态显示解法的大门。Honda公司采用弹塑性薄膜单元和CAD的表面数据有限元法分析了方盒件的拉延过程。1989年，德国专家利用DYNA-3D对方盒件进行有限元分析，模拟所得的起皱波形与实际试验结果相一致^[6]。在有限元模拟的发展的过程中，不同特性的材料模型也得到发展。从1990年开始，覆盖件冲压工艺进入了高速发展的阶段。GM、Ford等美国领跑的汽车公司对成形模拟分析进行持续投资，致力于开发自己的软件，并要求新车型在生产制造之前必须先进行 CAE分析。而且这些企业长期与相关专业模拟软件和服务公司合作，使得许多增量法有限元模拟软件被相继开发出来：如美国LSTC公司的LS-DYNA， ETA公司的的DYNAFORM，福特公司的MTLFRM，Altair公司的HyperForm软件等等^[7]。2000年以来，随着研究人员尝试在工艺系统中加入人工神经网络模式的识别模型，相关的CAPP理论得到了相当大的发展。如今，将知识库工程（KBE）、并行工程（CE）、专家系统（ES）、人工智能技术（AI）与有限元模拟软件相结合，实现智能化的模拟分析系统，建设汽车覆盖件智能化工艺流程，采用计算机仿真模拟的高精度数值计算对成形过程进行模拟并分析的冲压成形技术将是今后该领域学者们的主要研究和应用方向^[8]。

1.2.2 国内研究现状

国内的覆盖件冲压成形设计开始于1980年，虽然起步较晚，但在国家的大力支持与科技工作者的不懈努力下现在已取得了巨大的进展。开发出能够与现有计算机辅助制造、辅助设计软件相结合的，并赶上国外先进CAE辅助软件的一体化大型模拟软件。是目前国家在覆盖件冲压领域科技攻关的重点。1990年后，全国各大学府对此的研究有了质的飞越。北京航空航天大学运用ADINA对板料成形过程进行了CAE分析，模拟了成形过程。上海交通大学采用LS-DYNA3D对桑塔纳、红旗等车型的覆盖件进行了模拟分析，并提出了板料模拟分析的新算法，并且自主开发出反向求解模拟软件。华中科技大学开发出了以有限元动力显式理论为基础的模拟程序^[9]。由于近年来各大学校与企业加强在覆盖件成形工艺领域方面的研究合作，大量国产化、自主化的模拟软件被共同研发出来。上海交通大学与宝钢、上海大众等企业合作在运用了动力显示软件Dynaform的基础上，对桑塔纳系列轿车部分覆盖件的成形过程进行了仿真模拟。第一汽车模具制造厂在成功模拟汽车翼子板后，一次试模即获得比较理想的模具^[10]。

尽管近年来，国内的汽车覆盖件冲压成形设计取得了飞速的进展，但是必须认识到和国外的大型汽车集团相比所存在的不足，目前高档轿车，如C级车的覆盖件制造技术还掌握不够，在高强板、热成形技术上与先进汽车厂家还存在明显差距。而且，多数CAE分析软件在理论方面与参数的设置方面都进行了一定的修改与优化，这都对优化研究人员的相关专业知识和软件使用经验提出了一定的要求。尤其对于复杂的仿真分析，其工艺优化程度更与使用人员的技术能力相关。这导致国内众多中、小型汽车企业由于技术能力，技术人员的不足，此类专业分析软件无法得到充分的利用，解决实际问题的能力大大降低^[11]。

1.3 本文的主要内容研究

汽车覆盖件的特点是，尺寸结构较大且外观形状多为复杂的空间曲面、所用材料较薄、表面质量要求高等等，在冲压时覆盖件毛坯的变形情况复杂，且影响成形质量的因素较多，例如在每一步工序中所采用的模具对其有明显的影响，冲压机器在工作时所能选择拉深力，压边力范围等等。这些各方面的元素导致了板料在成形过程中的规律难以掌握。板料的成形是拉延、切边、整形、翻边等多个工序组合成的复杂变形过程^[12]。