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(lián)網(wǎng)

關(guān)鍵字:汽車覆蓋件 CATIA自定義特征同步模擬結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)品制件的成形精度和美觀性,以及裝配、焊接的質(zhì)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(fā)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(yùn)動關(guān)系。為了真實地模擬翻邊成形,有必要將結(jié)構(gòu)設(shè)計中模具結(jié)構(gòu)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(qū)動角等因素的影響,運(yùn)動關(guān)系非常復(fù)雜,翻邊運(yùn)動仿真的應(yīng)用有助于正確把握裝配關(guān)系,保證運(yùn)動關(guān)系的合理性。隨著數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展的不斷深入,CAD與CAE的無縫集成已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢,它可以有效地避免傳統(tǒng)CAE分析過程中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換帶來的精度損失。

本文以華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室開發(fā)的板料成形模擬仿真系統(tǒng)MSFA為基礎(chǔ),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(tǒng),該系統(tǒng)突破了國內(nèi)軟件僅能實現(xiàn)單工序拉延成形的局限,實現(xiàn)了真正意義上的面向模具校核的虛擬試模。FS系統(tǒng)將結(jié)構(gòu)設(shè)計中模具結(jié)構(gòu)行程圖的思想引入翻邊成形模擬中,可真實地反映翻邊運(yùn)動關(guān)系,并可以通過動畫演示的方式進(jìn)行翻邊運(yùn)動仿真,以正確把握裝配關(guān)系,保證運(yùn)動關(guān)系的合理性。同時FS系統(tǒng)從底層開發(fā)創(chuàng)建完全符合CATIA自身風(fēng)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(xiàn)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(fù)建立問題,大大提高了設(shè)計人員的工作效率。

一、FS系統(tǒng)設(shè)計

CATIA-FS作為全工序模擬系統(tǒng)MSFA中一個重要的子系統(tǒng),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(yù)測翻邊件的厚度分布、應(yīng)變分布和破裂起皺位置等。圖1為系統(tǒng)流程圖。首先,創(chuàng)建翻邊工序并定義工具體。為了適應(yīng)復(fù)雜的、多翻邊區(qū)域零件的模擬,系統(tǒng)可支持同時定義十個翻邊斜楔。然后,根據(jù)實際工藝條件,分別定義各斜楔的運(yùn)動方向、驅(qū)動角、行程和摩擦因數(shù)等參數(shù),并對其進(jìn)行裝配。在動畫演示驗證工藝設(shè)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(jié)果。如果零件設(shè)計和工藝方案合格,則模擬流程結(jié)束,否則可修改CAD模型或工藝參數(shù),CAE模型會自動同步更新,直接提交計算即可。

圖1 系統(tǒng)流程圖

考慮到操作的人性化和簡單化,該系統(tǒng)界面具有以下特點:①與CATIA一致的自上而下的向?qū)讲僮黠L(fēng)格;②智能化的參數(shù)處理。當(dāng)用戶驅(qū)動角度定義有問題時,系統(tǒng)自動判斷,并將工作角賦值給驅(qū)動角,避免因角度定義出錯而模擬失敗;③交互式指導(dǎo)性的操作界面,如當(dāng)前工具體未涉及的參數(shù)都處于灰化狀態(tài),避免誤操作。

二、關(guān)鍵技術(shù)

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(qū)域進(jìn)行修正的工藝。根據(jù)翻邊模結(jié)構(gòu)形式可將翻邊分為直翻、側(cè)翻、內(nèi)翻等,如圖2所示。

圖2 翻邊模結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖

有些零件可能同時存在上述幾種翻邊,模具結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,但在模擬過程中都可以轉(zhuǎn)化為壓力機(jī)驅(qū)動一定角度的斜楔機(jī)構(gòu)完成翻邊動作的形式。圖3所示為翻邊斜楔的運(yùn)動原理,壓力機(jī)向下驅(qū)動滑塊運(yùn)動,滑塊與驅(qū)動角為α的斜楔配合,在沿工作角為β的斜面分力的驅(qū)動下,帶動翻邊?？谑拱辶铣尚?。

圖3 斜楔運(yùn)動原理圖

一道翻邊工序可能存在多個斜楔,各斜楔的運(yùn)動關(guān)系直接影響到實際運(yùn)動的真實性及模擬的準(zhǔn)確性。結(jié)合實際工藝及推導(dǎo),翻邊斜楔的垂直行程H與驅(qū)動角α、工作角β及斜邊行程D存在以下關(guān)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(yùn)動方向單位法向量。

由式(1)可知,驅(qū)動角、斜楔的運(yùn)動方向等參數(shù)變化直接影響斜楔的垂直行程,繼而改變斜楔的運(yùn)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(tǒng)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(shù)繪制斜楔垂直行程圖,同時利用CATIA的高亮機(jī)制,高亮顯示被選中的CAE模型所對應(yīng)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(yùn)動仿真

翻邊成形過程受翻邊方向、斜邊行程、驅(qū)動角等因素影響,運(yùn)動關(guān)系非常復(fù)雜,而且翻邊求解計算時間也較長,一旦計算完成后發(fā)現(xiàn)工具運(yùn)動關(guān)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(tǒng)通過動畫演示的方式進(jìn)行翻邊運(yùn)動仿真,使用戶可以正確把握裝配關(guān)系,即時檢驗翻邊工藝設(shè)置的合理性。

FS系統(tǒng)使用創(chuàng)建臨時圖形代表(REP)的方法進(jìn)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(xiàn)連續(xù)動畫。由于無需創(chuàng)建特征片體來顯示視圖,所以系統(tǒng)響應(yīng)速度非?？?。

視圖顯示時每個REP相當(dāng)于動畫中的每一幀。FS系統(tǒng)將工具體實時行程L轉(zhuǎn)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(jīng)構(gòu)建的REP按位移矢量進(jìn)行重新定位并顯示,即實現(xiàn)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(guān)系:

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

式中,N為已運(yùn)動的步數(shù);S為步長;T為工具體斜邊行程。

FS系統(tǒng)可通過設(shè)置上下壓料芯的力及每個工具體的行程來進(jìn)行多方案的翻邊成形動畫演示。如果工序定義不合理或運(yùn)動出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)工藝設(shè)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(yùn)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(jìn)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(shè)計過程中通過使用該工具可以實現(xiàn)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(shè)計信息傳遞的靈活性和安全性。CATIA中用戶自定義特征的創(chuàng)建方法大致分為兩類:①通過CATIA的插入知識模板命令創(chuàng)建;②通過CAA二次開發(fā),構(gòu)建新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法創(chuàng)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(yīng)同步更新,所以FS系統(tǒng)采用重構(gòu)拓?fù)鋭?chuàng)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(jī)制進(jìn)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(nèi)置屬性。當(dāng)分析結(jié)果不滿意而重新優(yōu)化了CAD模型或修改了屬性參數(shù)時,相應(yīng)的工具體型面或參數(shù)也將發(fā)生變化,系統(tǒng)將利用CATIA自定義特征的更新機(jī)制檢測到變化,自動更新相應(yīng)的CAE模型,達(dá)到同步更新的目的。圖6為翻邊特征同步更新機(jī)制圖。

圖6 FS系統(tǒng)同步更新機(jī)制圖

三、CATIA-FS系統(tǒng)實例應(yīng)用

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

圖7 汽車后圍板工藝數(shù)模

經(jīng)沖壓工藝分析,成形該零件需經(jīng)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(tǒng)對板料進(jìn)行拉延、修邊后,使用FS模塊進(jìn)行后續(xù)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(qū)域,其中斜楔1為直翻邊,斜楔2為側(cè)翻邊。

圖8 翻邊CAE模型

經(jīng)翻邊模擬后,將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比,圖9所示為OP40翻邊結(jié)果、局部區(qū)域的結(jié)果放大及實驗結(jié)果的比較。通過比較發(fā)現(xiàn),標(biāo)記區(qū)域1、2處出現(xiàn)嚴(yán)重的起皺,與實驗結(jié)果完全吻合,說明該系統(tǒng)計算精度較高,可作為模具工藝設(shè)計的校核工具。

四、結(jié)論

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

(2)FS系統(tǒng)將CAE模型作為CAD特征集成于CATIA平臺上,解決了系統(tǒng)中產(chǎn)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(chǎn)品設(shè)計初期CAE反復(fù)建模的時間,能夠獨立地模擬翻邊成形過程并進(jìn)行后處理顯示而無需平臺間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)了真正意義上CAD/CAE的無縫集成,是汽車覆蓋件模具工藝設(shè)計強(qiáng)有力的校核工具。