1 绪论
1.1 引言
随着我国国民经济的不断发展以及人们生活水平的不断提高，我国的汽车制造业发展十分迅速。2009 年，我国汽车产销分别为 1379.1 万辆和 1364.5 万辆，同比增长 48.3％和 46.15％。其中乘用车产销分别为 1038.38 万辆和 1033.13 万辆，同比分别 54.11％和 52.93％；商用车产销为 340.72 万辆和 331.35 万辆，同比增长33.02％和 28.39％。2009 年，国家出台了一系列促进汽车、摩托车消费的政策，有效刺激了汽车消费市场，汽车产销呈高增长态势，并首次超过美国成为世界汽车产销第一大国。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，在国民经济中占有重要地位[1]。同是它也是衡量一个国家工业水平的重要标志。汽车工业的发达程度在一定程度上也反映了一个国家机械、电子、材料、模具等工业的发展水平。随着我国汽车工业的飞速发展，国内汽车市场的不断开放，各种成熟汽车品牌的不断引进，以及我国自主开发汽车的成功，车身作为汽车在市场上最直接的表现形态对汽车的市场成绩至关重要。汽车覆盖件是汽车产品中最重要的组成部分之一，它包括覆盖件汽车发动机、底盘、构成驾驶室及车身的所有用厚度 δ≤3mm 的薄钢板冲压而成的表面零件和内部零件。在重量上，汽车覆盖件占汽车用钢材总量的 50%以上。在制造费用上，汽车覆盖件则占这个汽车制造费用的 70%以上。
汽车覆盖件几乎由金属板材冲压而成，而汽车覆盖件与一般薄板冲压件相比,具有结构尺寸大、空间形状复杂、板料相对厚度小、冲压质量要求高等特点。因此板材冲压成形技术决定了汽车覆盖件生产制造的质量和效率，是一个国家工业化水平的重要标志之一。覆盖件成形过程一般要经过复杂的变形，影响其成形的因素很多，如：模具圆角、材料性能、毛坯形状和尺寸、成形速度、模具和板材之间的摩擦和润滑、凸凹模间隙等。成形后主要的宏观缺陷包括破裂、起皱和回弹。而这些缺陷对原材料的成形性、毛坯的几何形状及定位、冲压方向、拉延筋的形式及布局、摩擦润滑条件、压边力的大小等许多因素都极其敏感，因此，对板料变形理论、冲压工艺的优化以及模具结构形式的研究成为了这一领域的热点。
随着人们对于金属塑性变形认识的不断加深，以及在汽车覆盖件生产实践中不断积累的相关经验，人们对于覆盖件成形中的缺陷成因有了一定的认识，并且发展出一系列相关理论和方法改善覆盖件成形质量，在实际生产中起到了积极的作用。另一方面，作为板料成形质量保证的关键工具，汽车覆盖件模具也历来是人们关注和研究的重点。
零件成形的工艺决定了模具的不同形式，同时模具的结构和质量也决定了零件的生产精度。只有合格的模具才能生产出高品质的车身零件。传统的模具设计主要依靠设计人员的经验和现场试模来完成，难以准确的预测零件成形过程中的各种问题和缺陷，同时也使生产制造成本居高不下，周期较长。随着计算机辅助技术的不断成熟和有限元理论的发展，数值模拟技术被逐渐应用于板料成形领域，并对汽车覆盖件的设计、制造产生了深渊影响。一方面，由于该技术的应用，在模具生产制造之前可以通过计算机对零件的生产工艺进行理论上的验证，从而降低的模具设计上的风险，降低了制造成本，缩短了周期；另一方面，也可对模具本身进行数值模拟仿真，分析其在工作状态中几何状态和物理状态的变化，从而减少试模周期，检验模具设计的合理性。因此，将有限元模拟仿真技术应用于汽车覆盖件模具的设计制造中具有重要的应用价值。
1.2 汽车覆盖件模具概述
汽车覆盖件一般是指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄板异形体表面和内部零件。这些零件中安装在车身内侧的称内覆盖件；安装在车身外侧的称为外覆盖件。汽车覆盖件的生产制造是汽车制造的一个重要的环节。作为车身生产的重要装备，汽车覆盖件模具对车身的最终质量起到了决定性的作用。
由于汽车覆盖件一般都是空间曲面结构，形状较为复杂且尺寸较大，因此汽车覆盖件模具与一般冲压模具相比一般更为复杂，尺寸较大，主要结构和材料也多有不同。具体而言，覆盖件模具主要有以下特点：① 汽车覆盖件模具的型面一般多为复杂的自由曲面，二维图纸很难充分表达其几何信息。传统上，一般采用二维图纸和产品模型（物理模型或数字化模型）相结合的办法来描述模具型面。② 模具型面复杂、尺寸精度和表面粗糙度要求高，需要有专用的工装夹具和大型加工、调试设备，加工的工艺过程和技术准备工作复杂，设计和制造周期长。③ 模具轮廓尺寸大，生产制造成本高。轮廓尺寸是指模具上下模座底板的长度和宽度，汽车覆盖件模具的轮廓尺寸一般在 3.5 米以上，大型覆盖件模具的轮廓尺寸甚至达六米以上，重达三十多吨。④ 模具大量采用薄壁箱式结构、铸造镶块等工艺以降低成本，节约能源。⑤ 为适应大规模生产的要求，需要汽车覆盖件模具的使用寿命较长。
基于车身覆盖件本身的特点，其成形工艺和成形方式也较为复杂，加之各个企业的标准各异，设计人员的风格不同，因此覆盖件模具的种类也较多，结构多样。覆盖件模具基本结构可以按以下方式进行分类：① 按覆盖件冲压工艺的组合方式可将其划分为单工序的简单模与多工序的复合模；② 按照汽车覆盖件的基本冲压工艺可将其主要划分为拉延模、修边冲孔模和翻边模三大类。③按照结构分有单动拉深模、双动拉深模、斜楔模等。拉延一般是覆盖件成形的初始工序，因此拉延模是保证制成合格覆盖件最主要的装备，其作用是将平板状坯料经过拉延工序使之成形为立体形状的工件。拉延模可分为单动拉延模与双动拉延模，即倒装和正装两种结构。正装拉延模的压边圈和凸模安装在上，凹模安装在下。工作时使用双动压力机，凸模安装在压机内滑块上，压边圈安装在外滑块上。成形时外滑块首先下行，使得压边圈将坯料紧紧压在凹模压料面上，然后内滑块下行，凸模将坯料拉延到凹模型腔内，坯料在凸模、凹模和压边圈的共同作用下发生大塑性变形。倒装拉延模的凸模和压边圈安装在下，凹模在上。工作时使用单动压力机，凸模直接固定装在下工作台上，压边圈置于凸模上，通过压力机下面的顶出缸将力传递给顶杆作用于压边圈形成所需的压料力。倒装结构的拉延模即单动拉延模只有在顶出缸压力能够满足压料需要的情况下方可采用。
2 结构静力分析有限元原理与关键技术
2.1 引言
在科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们应遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的定解条件。但能用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题，由于方程的某些特征的非线性性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂，则不能得到解析的答案。因此，为解决此类问题，人们多年来寻找和发展出了一种新的求解途径——数值解法。随着计算机技术的突飞猛进，数值分析方法逐渐成为人们求解工程技术问题的主要工具。由于有限元法具有解题能力强，可以比较精确地模拟各种复杂的曲线或曲面边界，网格的划分比较随意，可以统一处理多种边界条件，离散方程的形式规范和便于编制通用的计算机程序等优点，现已成为数值解法中应用最为广泛的方法。本章从应用的角度出发，介绍有限元方法的主要原理和在结构分析中的关键技术。
3 汽车覆盖件成形模具结构特点.................... 22-35
3.1 引言................... 22
3.2 覆盖件冲压成形的基本工序................... 22-23
3.3 拉深件的设计基础 ...................23-27
3.4 拉延模的典型结构 ...................27-30
3.4.1 单动拉延模典型结构................... 27-28
3.4.2 双动拉延模典型结构 ...................28-30
3.5 拉延模主要工作部分的结构................... 30-31
3.6 拉延模具的制造 ...................31-34
3.7 本章小结................... 34-35
4 基于数值模拟的汽车覆盖件拉延模加................... 35-54
4.1 引言 ...................35
4.2 模具受载变形分析 ...................35-36
4.3 加强筋分布方式对模具刚度................... 36-45
4.4 基于ANSYS 的加强筋尺寸优化................... 45-52
4.5 本章小结................... 52-54
5 车门内板拉延模受载分析................... 54-61
5.1 引言................... 54
5.2 零件概述及成形工艺................... 54-55
5.3 零件拉延模具结构................... 55-57
5.4 有限元建模................... 57-59
5.5 分析结果研究 ...................59-60
5.6 本章小结................... 60-61
结论
对汽车覆盖件冲压成形的研究以及相关工艺参数的优化一直是板料成形领域研究的热点。本文主要着眼于对车身零件成形质量有着重要影响的模具之上，通过对有限元分析方法的探讨和对汽车覆盖件拉延模具的结构特点和设计方法的介绍，首次应用大型有限元分析软件 ABAQUS 对汽车覆盖件拉延模在受载情况下的变形特点进行了研究。同时，本文通过对拉延模具进行合理简化，建立了拉延模有限元分析模型，初步研究了加强筋结构的分布形式对模具整体刚度的影响，并应用有限元软件 ANSYS 对拉延模简化模型加强筋厚度进行了优化设计，为模具结构设计和改进提供了一定借鉴意义。本文的主要工作及取得的成果归纳如下：
① 针对拉延模具的结构形式，提出了模具的简化结构以及五种不同的加强筋分布形式，并在此基础上应用 ABAQUS 对不同的方案进行数值模拟；
② 模拟结果表明模具在受载下产生挠曲变形，变形量最大区域发生在模具中心处，变形程度由模具中心向四周逐渐减小；
③ 加强筋的不同分布方式对模具刚度存在不同程度的影响。其中，贯穿整个模具受力面的加强筋可以为模具刚度提供更好的支撑；在同等条件下，方形筋的抗变形能力好于圆形筋；由于能提供更多数量的贯穿类加强筋，“井”字形筋在所有方案中抗变形能力最好；
④ 应用有限元软件 ANSYS 对简化模型加强筋厚度进行了优化，得到在给定约束条件下最优厚度 34.176mm 的结果。
⑤ 在以上研究内容的基础上，应用该方法对某车型车门内板零件的拉延模具进行了数值模拟分析，考察了其受载变形的特点。其结果支持了简化模型分析的结论，得到模具型面最大位移 1.1mm，与实际的模具红丹研配结果基本吻合，说明了数值模拟计算结果的可参考性。
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