【中國機床商務網】導讀：現如今，沖壓件在機械行業占據著相當大的比例，并隨著機械行業的快速發展，其對沖壓件的需求也逐漸增加，同時對其成形質量也有較高的要求。本文通過HyperForm軟件實現了沖壓件的沖壓工藝仿真和工藝優化設計，zui終獲得成形良好的沖壓件產品。
　　
　　0前言
　　
　　*，汽車沖壓件的生產是汽車制造中十分重要的部分，如轎車的車身、車架、車廂等都是由鋼板沖壓制造而成。據統計，制造一輛普通轎車平均需要約1500個沖壓件。近年來，汽車沖壓件領域，隨著新車型的引進、舊車型的換代以及國內外整車及零部件生產規模的不斷擴大，需求也不斷增加。因此，圍繞獲取新的供貨渠道，擁有*技術的世界沖壓件制造商和具有成本競爭力的國內沖壓件制造商，都在強化各自的事業領域，加快沖壓件生產體制的構建。
　　
　　隨著市場競爭的日趨強烈，人們對沖壓件成形質量的要求也越來越高。本文通過Altair的HypeForm軟件對沖壓件的成形工藝過程進行研究。
　　
　　1軟件介紹
　　
　　Hyperworks軟件是美國Altair公司的產品，是世界的、功能強大的CAE應用軟件包，也是一個創新、開放的企業級CAE平臺，它集成了設計與分析所需的各種工具，具有的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。它包括了多種模塊，在本文中主要使用HyperMesh與HyperForm模塊來對模型進行前處理，RADIOSS進行沖壓過程的仿真計算，然后通過HyperView模塊進行結果的查看。
　　
　　HyperMesh是一個高性能的有限元前處理器，它能讓CAE分析工程師在高度交互及可視化的環境下進行仿真分析工作。與其他的有限元前處理器比較，HyperMesh的圖形用戶界面易于學習，特別是它支持直接輸入已有的三維CAD幾何模型（UG，Pro/E，CATIA等）已有的有限元模型，并且導入的效率和模型質量都很高，可以大大減少很多重復性的工作，使得CAE分析工程師能夠投入更多的精力和時間到分析計算工作上去。
　　
　　在處理幾何模型和有限元網格的效率和質量方面，HyperMesh具有很好的速度、適應性和可定制性，并且模型規模沒有限制。其他很多有限元前處理軟件對于一些復雜的，大規模的模型在讀取數據時候，需要很長時間，而且很多情況下并不能夠成功導入模型，這樣后續的CAE分析工作就無法進行；而采用HyperMesh，其強大的幾何處理能力使得HyperMesh可以很快的讀取那些結構非常復雜，規模非常大的模型數據，從而大大提高了CAE分析工程師的工作效率，也使得很多應用其他前處理軟件很難或者不能解決的問題變得迎刃而解。
　　
　　HyperMesh前處理的功能非常強大，而且可操作性強，具有以下幾個特點：
　　
　　1、它是一個高性能的有限元前處理軟件，可以降低工程分析的時間和成本；
　　
　　2、具有直觀的圖形用戶界面和*的功能，從而減少學習時間，提高生產率；
　　
　　3、可以直接使用CAD幾何數據和現有的有限元模型數據，降低模型開發的成本；
　　
　　4、可以快速自動地生成高質量的網格，從而大大簡化復雜幾何模型的建模過程。
　　
　　AltairHyperForm集成了性能優異的HyperMesh和高精度、率的RADIOSS求解器，是使用增量法的高性能金屬板材成形仿真軟件，HyperForm可以讓工程師，零件設計人員，以及沖模設計人員快速比較沖壓零件的多種設計方案。
　　
　　使用HyperForm設計人員能夠發現并改正潛在的沖壓工藝和零件設計問題，這樣使試驗的時間縮短至zui少
　　
　　HyperForm軟件具有以下特點：
　　
　　1、易于使用的圖形用戶界面；
　　
　　2、快速、準確、強大的仿真功能；
　　
　　3、在設計的初始階段即可檢查出沖壓問題；
　　
　　4、設計更輕，效率更高的零件；
　　
　　5、減少試驗的時間，獲得更高質量的零件。
　　
　　整個仿真過程中，我們首先對零件的結構模型進行分析，決定其成形工藝，然后通過HyperMesh前處理對其幾何模型進行簡化處理，再由HyperForm/OneStep一步法獲得其初始毛坯形狀，根據預先設計的沖壓工藝方案，生成沖壓模具的有限元模型，zui后使用RADIOSS對沖壓成形過程進行仿真分析。
　　
　　2零件的結構分析及所使用的材料參數

　　
　　如圖一所示零件的幾何模型，該支架件結構比較簡單，基本屬于純彎曲件。從圖中我們還可以看出，該零件模型存在很大的沖壓負角，所以采用一次成形是不可能實現的，故采用二次成形。
　　
　　根據對支架件模型的分析我們可以看出該零件采用簡單的二次沖壓成形而成，其中一次成形為主要拉伸成形過程，二次成形為簡單的彎曲成形，不會存在成形缺陷，所以我們只對*步拉伸成形行研究。
　　
　　該零件使用的材料為B510L，其材料參數如表一所示：

　　
　　除了以上所使用的材料參數意外，我們還要用到自然對數e=2.718，利用以上參數我們可以在軟件中建立新的材料模型，以便于我們在分析時使用。
　　
　　3有限元模型的建立及原始毛坯成形
　　
　　3.1有限元模型的建立
　　
　　在所有的前期準備工作完成之后，開始建立有限元分析模型，本次分析是采用RADIOSS軟件進行仿真分析。
　　
　　在建立模型之前，我們要使用HyperMesh前處理功能對零件進行簡化，針對此零件而言，我們首先要將其形成負角的部分進行簡化，從而達到消除負角的效果，然后消除零件上面的孔特征。在前處理完成之后，我們開始建立其有限元模型。在建立完整的有限元分析模型之前，首先要求得零件的原始毛坯形狀，其原始毛坯我們可以通過軟件自身所帶功能中的一步法（HyperForm/OneStep）來獲得，這樣所得的毛坯形狀比較準確，并且簡單方便。得到簡化后的幾何模型和原始毛坯的形狀之后，我們開始建立模型，zui終得到的凹模與原始毛坯的有限元模型如圖二所示。

　　
　　之后我們通過軟件自身的功能來建立凸模以及壓邊圈（在建立模型的時候我們可以同時將壓邊圈建立出來，但是在分析的時候我們根據實際需要來決定是否使用壓邊圈，壓邊圈的建立對zui終的分析結果影響不大），如圖三所示為我們完整的有限元分析模型。
　　
　　3.2零件成形仿真分析
　　
　　模型建立完成后利用RADIOSS對該零件的成形工藝進行成形仿真分析，分析結果如圖四所示：

　　
　　如圖所示，零件在成形過程中其應力zui大值為871MPa,其應力值遠遠的超過了材料的許用應力，因此，零件在成形時會在應力zui大的地方發生開裂的現象，與實際零件成形缺陷位置相符，使得零件的成形性能降低，并且進一步降低了成形后零件的表觀質量及機械性能。
　　
　　4毛坯優化
　　
　　原始毛坯的成形分析結果顯示出零件在成形過程中存在缺陷，影響了零件的質量，針對此零件，在成形工藝上基本上沒有優化的空間，因此我們只能對其毛坯進行優化，從而獲得*的成形質量。
　　
　　在零件的成形過程中，影響其成形過程的主要因素為材料的流動方向以及材料在流動過程中所受到的阻力的大小及方向，所以在毛坯的優化中我們可以通過兩方面來分析其成形過程：
　　
　　1、方案一：通過改變原始毛坯的形狀使得零件在成形過程中材料受到的應力趨于均勻。
　　
　　2、方案二：改變材料的流動方向；
　　
　　4.1均勻應力
　　
　　材料在成形過程中受到各方向的拉應力及壓應力，在拉應力的作用下容易使得材料發生開裂的現象，在壓應力的作用下容易使得材料發生起皺的現象，這些都是在沖壓成形過程中所不希望出現的結果。該支架件在成形過程中，由于受力不均勻而使得材料局部應力過大，遠遠的超過了材料的需用應力，zui終發生開裂。
　　
　　我們通過補充材料來對毛坯進行優化，使得零件在成形過程中受到的應力趨于均勻化，從而達到更好的成形效果，如圖五所示為優化后所得的毛坯形狀：
　　
　　如圖五所示，在毛坯成形過程中受到zui大應力的地方進行補充材料，從而達到均勻應力及均勻變形的效果，使得零件成形之后能夠獲得更好的成形質量。

　　
　　使用優化后的毛坯重新進行成形分析，得到結果如圖六所示，從圖中我們可以看出，優化后的毛坯在成形時以前開裂的地方現在得到了優化，但是同時使得零件的邊緣位置出現了缺陷，優化不*，由此可以看出優化毛坯1仍然存在不合理的地方，不能達到我們想要的優化效果，所以我們排除這種優化方案。

　　
　　4.1改變材料流動方向
　　
　　沖壓件的成形過程其實是材料的塑性變形過程，是通過材料的不斷流動從而獲得zui終的成形結果，而材料在流動時，均是朝著阻力比較小的方向或者是向強度比較大的方向流動，所以在沖壓成形的過程中，我們可以優化毛坯的形狀，通過改變材料的強度分布來改變材料的流動方向。
　　
　　通過適度的增加原始毛坯的材料，從而改變毛坯的形狀及強度分布，優化后的毛坯如圖七所示，與原始毛坯相比較增加了兩部分的材料，一部分主要是為了增加毛坯的強度，另一部分則是為了在成形過程中補充材料的不足，增加材料的兩個部分存在著一定的強度差異，增加材料的相應位置其強度增加，而處于毛坯內部的部分強度比較大，材料流動就比較困難，所以直接發生塑性變形，而邊緣部分的強度與內部相比較稍微弱點，故邊緣材料在成形過程中起到補充材料的作用，向零件的內部進行流動，補充成形過程中由于材料流動而產生的材料不足。

　　
　　對優化毛坯2進行成形仿真分析，其分析結果如圖八所示：

　　
　　從云圖中我們可以看出零件成形完成之后，其zui大延伸率為18%，在材料的許用范圍內，成形結果不存在裂紋等缺陷，提高了零件的成形質量。
　　
　　5結論
　　
　　本文通過HyperForm軟件對支架件的成形過程進行仿真分析，可以得知零件在成形過程中存在的不足，然后對其進行改善。因此，在零件設計階段，使用HyperForm軟件進行成形仿真分析大大的減少了零件在設計完成之后的試模時間，縮短了產品的設計周期，降低了產品的設計成本，并且能夠獲得較好的成形質量，從而增強了企業的市場競爭力。
　　
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　　（文章作者：中國長安汽車集團    成永平）