汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優化【5張CAD圖紙+畢業論文+答辯稿+開題報告+任務書+有限元分析結果+文獻綜述】

汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優化【5張CAD圖紙+畢業論文+答辯稿+開題報告+任務書+有限元分析結果+文獻綜述】,5張CAD圖紙+畢業論文+答辯稿+開題報告+任務書+有限元分析結果+文獻綜述,汽車,保險杠,成型,組件,有限元分析,工藝,優化,CAD,圖紙,畢業論文,答辯,開題,報告,任務書,結果,文獻,綜述 畢業設計(論文)任務書(理工類)學生姓名：指導教師： 畢業設計(論文)題目：汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優化題目來源教師科研課 題縱向課題（）題目類型理論研究（）注：請直接在所屬項目括號內打“”橫向課題（）應用研究（ ）教師自擬課題（ ）應用設計（）學生自擬課題（）其 他（）總體設計要求及技術要點：近年來，隨著環境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越來越被人們所重視。鋁合金具有密度低，強度高，塑性好等物理特性，在汽車輕量化和提升碰撞安全性能等方面有著出色的表現。但由于鋁合金晶的體結構與普通鋼材存在很大差異，導致鋁合金板的成型性能比普通鋼板較差，而汽車上的鋁合金板材以覆蓋件形式居多，形狀較為復雜且尺寸輪廓大，導致汽車鋁合金覆蓋件在沖壓成形過程中更容易出現起皺、破裂、變形不足以及回彈等缺陷。這些問題不但導致材料被大量浪費，還增大了零件質量控制以及模具設計的難度，嚴重制約了鋁合金材料在汽車覆蓋件上的應用。因此，通過優化工藝方案及工藝參數，探索出一種適合車用鋁合金材料的沖壓成形工藝，改善鋁合金覆蓋件的成品率和成形質量。工作環境及技術條件：以某轎車為例，對汽車保險杠鋁成型組件進行有限元分析及工藝優化。工作內容及最終成果：1、根據產品設計要求，完整地畫出產品零件2D、3D各1張，模具零件圖若干，裝配圖1張，所畫圖紙需能滿足產品實際功能且能滿足客戶要求；并能應用于實際生產中。2、工藝優化部分，要求以公司實際生產情況為基礎，提出合理可行的優化建議，并要求提供以下資料，且裝訂成冊： 1）造成目前問題的主要因素分析結果； 2）現有工藝存在的具體問題； 3）合理可行的改進建議或措施； 4）實施改進所需的器件、資金投入、技術支持等； 5) 優化后具體實踐數據支持； 6) 優化前后具體結果對比；時間進度安排：廣泛查閱參考資料，重點閱讀重要參考文獻； 查閱資料，確定具體實施方案計算所需參數畫出各個零件圖和裝配圖完成有限元分析并提出工藝優化建議或措施撰寫論文，準備答辯。指導教師簽字： 年 月 日教研室主任意見：教研室主任簽字： 年 月 日理工科類本科生畢業設計（論文）開題報告論文(設計)題目汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優化作者所在系別機電工程學院作者所在專業車輛工程作者所在班級B13141作 者 姓 名馬關益作 者 學 號201322416指導教師姓名許文娟指導教師職稱講師完 成 時 間2017年3月北華航天工業學院教務處制說 明1根據學校畢業設計(論文)工作暫行規定，學生必須撰寫畢業設計（論文）開題報告。開題報告作為畢業設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。2開題報告應在指導教師指導下，由學生在畢業設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在專業教研室論證審查后生效。開題報告不合格者需重做。3畢業設計開題報告各項內容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現縮寫詞，須注出全稱。4開題報告中除最后一頁外均由學生填寫，填寫各欄目時可根據內容另加附頁。5閱讀的主要參考文獻應在10篇以上（土建類專業文獻篇數可酌減），其中外文資料應占一定比例。本學科的基礎和專業課教材一般不應列為參考資料。6參考文獻的書寫應遵循畢業設計（論文）撰寫規范要求。7開題報告應與文獻綜述、一篇外文譯文和外文原文復印件同時提交，文獻綜述的撰寫格式按畢業設計（論文）撰寫規范的要求，字數在2000字左右。畢業設計(論文)開題報告學生姓名馬關益專 業車輛工程班 級B13141指導教師姓名許文娟職 稱講師工作單位北華航天工業學院課題來源學生自擬課題課題性質應用設計課題名稱 汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優化本設計的科學依據（科學意義和應用前景，國內外研究概況，目前技術現狀、水平和發展趨勢等）一、 汽車保險杠鋁成型組件工藝優化的科學意義和應用前景近年來，隨著環境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越來越被人們所重視，且已逐漸成為當前和未來汽車技術發展的主要方向。鋁合金具有密度低，強度高，塑性好等物理特性，在汽車輕量化和提升碰撞安全性能等方面有著出色的表現，越來越受到世界各大汽車廠商的青睞。但由于鋁合金晶的體結構與普通鋼材存在很大差異，導致鋁合金板的成型性能比普通鋼板較差，而汽車上的鋁合金板材以覆蓋件形式居多，形狀較為復雜且尺寸輪廓大，導致汽車鋁合金覆蓋件在沖壓成形過程中更容易出現起皺、破裂、變形不足以及回彈等缺陷。這些問題不但導致材料被大量浪費，還增大了零件質量控制以及模具設計的難度，嚴重制約了鋁合金材料在汽車覆蓋件上的應用。因此，通過優化工藝方案及工藝參數，探索出一種適合車用鋁合金材料的沖壓成形工藝來改善鋁合金覆蓋件的成品率和成形質量，成為鋁合金材料在汽車行業廣泛使用的關鍵。二、 汽車保險杠鋁合金板材沖壓成型組件回彈問題的國內外研究狀況汽車保險杠鋁成型組件屬于板材沖壓成型件，而對于板料沖壓成形后容易出現的彈性恢復問題，自上世紀50年代以來，國內外大量學者對板料回彈問題進行了深入的理論分析、模擬和實驗研究。1、國外研究狀況R.Hill、F.Proska、F.J.Gardiner 等人經過多年研究，為板料成形及回彈分析奠定了理論基礎。F.Fenoglietto 等人研究了變彈性模量對板料回彈的影響。A.M.Prior在比較板料成形模擬的靜態隱式算法和動態顯示算法的特點時指出，將二者結合起來求解回彈問題是一種更加有效的手段。隨著汽車輕量化的不斷發展，鋁板和高強度鋼板等輕量化材料在車身制造中的應用越來越廣泛。隨之帶來嚴重的回彈問題也引起研究人員的極大重視，并對其進行了分析和研究。You Ming Huang通過數值模擬討論了沖壓工藝參數（如摩擦系數 、凹模圓角半徑 rd、凸凹模間隙 C 等）對 U 形件成形后回彈的影響，模擬結果表明：減小 ，增大 rd和 C 會使回彈更加嚴重。M.Kawka 等用汽車復雜零件頂蓋和輪轂作為研究對象，分別對其進行全工序成形及回彈模擬?；貜棔绊懥慵男螤詈统叽缇?，因此一些學者對回彈控制方法進行了相關研究。Oral等人討論了柱形彎曲回彈的模具補償算法，使零件形狀得到有效控制。 Karafillis、Wu等人采用有限元模擬方法，針對不同形狀零件的模具進行回彈迭代補償，使最終成形后的零件正好符合其形狀設計要求。S.G.Xu討論了影響板料回彈的因素，并認為回彈對材料參數的波動變化非常敏感，針對高強度板的大回彈問題，提出了工藝參數優化控制和考慮板料變形歷史的模面迭代補償控制方法。2、 國內研究狀況國內的板料成形回彈問題研究時間比較短，但也取得了一定成果。付寶連建立了金屬成形過程的回彈最小勢能原理和最小余能原理，最后將該原理用于懸臂梁和曲梁回彈變形計算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進行數值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續介質力學及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動力顯式算法，并開發了有限元分析程序 DEFORM-3D。楊光等針對板材成形后的切邊回彈問題，發明了基于大變形彈塑性有限元理論的切邊處理技術-AIA 方法。章婷，單以才等采用 FEM 技術，通過建立正交優化試驗對 U 形件進行沖壓回彈仿真研究，得出影響鋁合金板料成形和回彈精度的數值模擬參數。在回彈控制方面，李延平，朱東波，盧秉恒對板料回彈進行了較為系統的研究，建立了能對 3D 復雜形狀沖壓件回彈誤差進行有效補償的閉環控制補償系統。張立力，曹飛等針對于板材成形中的回彈補償問題，通過采用通用機械軟件 UG 和 CAE 軟件 Pam-Stamp 所開發的回彈補償的模具設計系統，提出了一個根據工件的幾何形狀和回彈誤差來進行模具補償的方法。三 目前發展水平以目前所在企業來說，汽車保險杠鋁合金板材沖壓成型組件成品率在85%左右，其中，以回彈、破裂的失敗率居高。與國外同行業的其他企業相比較，任有較大的提升空間。設計內容和預期成果（具體設計內容和重點解決的技術問題、預期成果和提供的形式） 一、有限元分析及工藝優化內容1、根據產品尺寸、技術要求等畫出產品零件圖（二維、三維），同理畫出模具裝配圖（三維）等相關圖紙；2、結合有限元分析工具（ANSYS Workbench),分析現有設計中存在的問題，找出導致產品合格率低的相關因素；3、以分析結果為依據，對現有工藝進行改進或者重新設計新的加工工藝，最終達到提高合格率的目的。二、預期成果 1、分析部分 1）目標： 根據產品設計要求，完整地畫出產品零件2D、3D各1張，模具零件圖若干，裝配圖1張，所畫圖紙徐能滿足產品實際功能且能滿足客戶要求；并能應用于實際生產中。2）要求：系統地說明分析過程中問題的解決（確定導致產品合格率低的主要原因，并提出可行的改進方案），若有必要，進行相關計算。 3）分析過程完整有序，計算結果正確清晰（計算過程只需列出已知條件、計算公式，將有關數據代入公式，省略計算過程，直接寫出計算結果），文字說明簡明通順。將分析結果整理后，提交公司相關技術人員，并請教此結果是否“合理”或“可行”。4） 任務完成驗收時提供材料：分析說明書一份，總裝配圖1張、零件圖若干。2、優化部分 工藝優化部分，要求以公司實際生產情況為基礎，提出合理可行的優化建議，并要求提供以下資料，且裝訂成冊： 1）造成目前問題的主要因素分析結果； 2）現有工藝存在的具體問題； 3）合理可行的改進建議或措施； 4）實施改進所需的器件、資金投入、技術支持等； 5) 優化后具體實踐數據支持； 6) 優化前后具體結果對比； 擬采取設計方法和技術支持（設計方案、技術要求、實驗方法和步驟、可能遇到的問題和解決辦法等） 一、 設計方法 查閱資料，了解相關問題的分析解決思路并運用caxa、CATIA畫出產品的零件圖和模具裝配圖。用ANSYS Workbench進行模擬分析，找出解決問題所需因素。二、 技術要求通過分析能對現有工藝進行可行有效的優化改進或者能設計新的加工工藝，達到提到產品合格率的目的。三、 可能遇到的問題若對ANSYS Workbench運用不熟悉可請教老師；若所畫圖紙有問題可請教公司技術人員；若所需進行實際實驗或需要資金支持，可申請公司給予幫助。實現本項目已具備的條件（包括過去學習、研究工作基礎，現有主要儀器設備、設計環境及協作條件等）1、 相關參考書籍或文獻自己已選定；2、 實習公司提供實驗材料、實驗場地、實驗設備支持；3、 從事多年相關工作的技術人員將會提供幫助。各環節擬定階段性工作進度(以周為單位)1-4周 完成開題報告5-6周 查閱資料，確定具體實施方案 7周 計算所需參數8-10周 畫出各個零件圖和裝配圖11-12周 完成有限元分析并提出工藝優化建議或措施13-14周 細節工作，準備答辯開 題 報 告 審 定 紀 要時 間地點主持人參會教師姓 名職 務（職 稱）姓 名職 務（職 稱）論證情況摘要 記錄人：指導教師意見指導教師簽名： 年 月 日教研室意見教研室主任簽名： 年 月 日第 4 頁 共5頁本科生畢業設計(論文)文獻綜述設計 (論文)題目汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優化作者所在系別機電工程學院作者所在專業車輛工程作者所在班級B13141作 者 姓 名馬關益作 者 學 號201322416指導教師姓名許文娟指導教師職稱講師完 成 時 間2017年3月北華航天工業學院教務處制說 明1根據學校畢業設計(論文)工作暫行規定，學生必須撰寫畢業設計(論文)文獻綜述。文獻綜述作為畢業設計(論文)答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。2文獻綜述應在指導教師指導下，由學生在畢業設計(論文)工作前期內完成，由指導教師簽署意見并經所在專業教研室審查。3文獻綜述各項內容要實事求是，文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現縮寫詞，須注出全稱。4學生撰寫文獻綜述，閱讀的主要參考文獻應在10篇以上（土建類專業文獻篇數可酌減），其中外文資料應占一定比例。本學科的基礎和專業課教材一般不應列為參考資料。5文獻綜述的撰寫格式按畢業設計(論文)撰寫規范的要求，字數在2000字左右。文獻綜述應與開題報告同時提交。汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優化的文獻綜述摘要：近年來，隨著環境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越來越被人們所重視，且已逐漸成為當前和未來汽車技術發展的主要方向。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強度、可塑性強的金屬材料，受到了越來越多汽車廠商的青睞。然而，在板料成形技術中，起皺、破裂、變形不足和回彈等質量問題也越來越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費，還嚴重制約了鋁合金板材在汽車制造中的使用。因此，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優秀工藝，成了當前眾多汽車廠商研究的重點。本文將利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對汽車保險杠中鋁成型組件的沖壓成型進行分析研究，找出導致其出現質量問題的主要因素，并結合分析結果嘗試對現有的沖壓工藝進行合理優化，達到提高成品率的目的。關鍵字：有限元分析；鋁成型；工藝優化Finite Element Analysis and Process Optimization of Aluminum Brackets for Automobile BumperAbstract: In recent years, with the environmental pollution, energy depletion and other issues become increasingly serious and national policy support and encouragement, automotive lightweight has been more and more attention, and has gradually become the current and future development of the main direction of automotive technology The Among them, the aluminum alloy sheet as a low-density, high strength, plasticity of the metal material, by more and more car manufacturers of all ages. However, in the sheet metal forming technology, wrinkling, rupture, deformation and rebound and other quality problems are more and more prominent, which not only caused a lot of material waste, but also seriously restricted the use of aluminum alloy sheet in the automotive industry The Therefore, to explore a suitable for aluminum alloy sheet stamping of the excellent process, has become the focus of many car manufacturers. In this paper, the finite element analysis software ANSYS Workbench is used to analyze the stamping of aluminum forming components in automobile bumper, and the main factors leading to its quality problems are found out. Combining with the analysis results, the existing stamping process is optimized reasonably, To achieve the purpose of improving the yield.Key words: Finite element analysis; aluminum forming; process optimization一、 汽車保險杠鋁成型組件工藝優化的科學意義及目的汽車保險杠是汽車上一個重要的結構部件，承受著汽車碰撞時的巨大沖擊力，對汽車的安全性起著至關重要的作用。其中，保險杠結構中的部分組件采用鋁合金板材沖壓成型，而在成型過程中極易出現起皺、破裂、變形不足和回彈等質量問題，若能通過合理的工藝優化，解決此類質量問題，那么不僅能使車身輕量化的研究更進一步，對于眾多汽車廠商來說，還能大大節約成本，提高運經營利潤。二、汽車保險杠鋁合金板材沖壓成型組件質量問題的國內外研究狀況汽車保險杠鋁成型組件屬于板材沖壓成型件，而對于板料沖壓成形后容易出現的彈性恢復問題，自上世紀50年代以來，國內外大量學者對板料回彈問題進行了深入的理論分析、模擬和實驗研究。（一）國外研究情況R.Hill、F.Proska、F.J.Gardiner 等人經過多年研究，為板料成形及回彈分析奠定了理論基礎。F.Fenoglietto 等人研究了變彈性模量對板料回彈的影響。A.M.Prior在比較板料成形模擬的靜態隱式算法和動態顯示算法的特點時指出，將二者結合起來求解回彈問題是一種更加有效的手段。隨著汽車輕量化的不斷發展，鋁板和高強度鋼板等輕量化材料在車身制造中的應用越來越廣泛。隨之帶來嚴重的回彈問題也引起研究人員的極大重視，并對其進行了分析和研究。You Ming Huang通過數值模擬討論了沖壓工藝參數（如摩擦系數 、凹模圓角半徑 rd、凸凹模間隙 C 等）對 U 形件成形后回彈的影響，模擬結果表明：減小 ，增大 rd和 C 會使回彈更加嚴重。M.Kawka 等用汽車復雜零件頂蓋和輪轂作為研究對象，分別對其進行全工序成形及回彈模擬?；貜棔绊懥慵男螤詈统叽缇?，因此一些學者對回彈控制方法進行了相關研究。Oral等人討論了柱形彎曲回彈的模具補償算法，使零件形狀得到有效控制。Karafillis、Wu等人采用有限元模擬方法，針對不同形狀零件的模具進行回彈迭代補償，使最終成形后的零件正好符合其形狀設計要求。S.G.Xu討論了影響板料回彈的因素，并認為回彈對材料參數的波動變化非常敏感，針對高強度板的大回彈問題，提出了工藝參數優化控制和考慮板料變形歷史的模面迭代補償控制方法。（二）國內研究情況國內的板料成形回彈問題研究時間比較短，但也取得了一定成果。付寶連建立了金屬成形過程的回彈最小勢能原理和最小余能原理，最后將該原理用于懸臂梁和曲梁回彈變形計算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進行數值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續介質力學及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動力顯式算法，并開發了有限元分析程序 DEFORM-3D。楊光等針對板材成形后的切邊回彈問題，發明了基于大變形彈塑性有限元理論的切邊處理技術-AIA 方法。章婷，單以才等采用 FEM 技術，通過建立正交優化試驗對 U 形件進行沖壓回彈仿真研究，得出影響鋁合金板料成形和回彈精度的數值模擬參數。在回彈控制方面，李延平，朱東波，盧秉恒對板料回彈進行了較為系統的研究，建立了能對 3D 復雜形狀沖壓件回彈誤差進行有效補償的閉環控制補償系統。張立力，曹飛等針對于板材成形中的回彈補償問題，通過采用通用機械軟件 UG 和 CAE 軟件 Pam-Stamp 所開發的回彈補償的模具設計系統，提出了一個根據工件的幾何形狀和回彈誤差來進行模具補償的方法。三、汽車保險杠鋁成型組件的發展趨勢隨著環境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及車輛技術的不斷發展，汽車輕將逐漸成為當前和未來汽車技術的發展趨勢。當然，汽車的安全性仍會被人們放在首位。在汽車車身上用鋁合金板代替傳統鋼板可使白車身減重約 40%-50%，因此車身的鋁合金化對汽車質量的減重效果是立竿見影的。同時，鋁合金材料的使用不僅能使車身減重，而且有助于提高汽車的機動性能，提高乘客的舒適性和安全性。鋁的密度僅為鋼鐵的 1/3 左右，但其具有抗沖擊性好、耐蝕性高、散熱快、比強度和比剛度高等特點。因此當今世界各大汽車公司為了追求輕量化同時兼顧汽車安全性，都大力開發鋁合金車身零部件甚至全鋁車身。保險杠組件作為汽車上的一個重要部件，且因其工作時將承受巨大沖擊載荷，當然會首先進入人們的視線。四、 汽車保險杠鋁成型組件缺陷分析由于汽車保險杠鋁成型組件形狀較為復雜，幾何尺寸較大，沖壓成形過程中板料與模具不斷接觸，其所受載荷路徑極為復雜，導致變形過程中可能出現起皺、破裂、擦傷以及成型后回彈大等多種缺陷。為了保證零件表面質量和裝配精度，這些缺陷是不允許出現在零件上的，這就使得零件成型模具開發設計這項工作變得十分棘手，下面針對上述的主要缺陷進行分析。（一） 起皺起皺是保險桿鋁成型組件等此類汽車覆蓋件沖壓成型過程中常見的缺陷之一，它是由于板料在塑性變形過程中受到復雜應力狀態而出現的不均勻變形。由于受壓成型的板料較薄，在成型過程中厚度方向上的變形極不穩定。板料內部的壓應力一旦超過材料在厚度方向上的失穩極限后，便會產生失穩起皺。當然，板料受到一定程度的不均勻拉應力、剪應力或板內彎曲應力也可能導致板材出現起皺缺陷。起皺缺陷會對尺寸精度和表面質量要求較高的車身覆蓋件產生極大影響，嚴重時直接導致沖壓件報廢。解決此類零件起皺問題時，一般可以從改變零件的形狀、采用合理的沖壓工藝、改善沖壓條件和材料性能及模具設計制造等方面入手，最終達到改善和消除起皺缺陷的目的。（二） 破裂 除起皺缺陷外，破裂也是汽車保險杠鋁成型組件沖壓成型過程中常見的缺陷之一，它是板料在成型過程中拉伸失穩的一種主要表現形式。板料變形過程中內部存在拉應力集中區域，隨著變形的不斷發展，當某處材料所受到的拉應力接近或者超過材料本身的最大抗拉強度時，會相應的產生拉伸失穩，進一步發展成為縮頸，從而出現裂紋或拉裂。保險桿鋁成型組件拉延過程主要在以下兩種區域出現破裂：一種是出現在板料傳力區，主要由于材料強度不夠所引起；另一種破裂出現在零件大的塑性變形區，由于材料的塑性性能較差所導致。但是不管哪種破裂形式，拉裂在實際生產中直接影響著產品的成形質量，在實際生產中絕不允許出現此種缺陷。在沖壓成型過程中，很多因素都有可能引起板料破裂。為防止，可以采取以下措施：根據零件的具體情況選用合適的毛還形狀和尺寸；采用機械性能較好的材料作為零件材料；在條件允許的情況下，增大拉裂區域的凸凹模圓角半徑；修正模具參數、提供良好的潤滑條件；選擇優化的壓料面形狀和合適的壓邊力；合理設置拉延筋及參數等。（三） 回彈板料在沖壓成型時發生的變形形式主要包括兩部分：彈性變形和塑性變形。成形結束后由于模具和零件逐漸分離，板料會發生彈性回復，導致零件尺寸和形狀與標準的沖壓件產生偏離的現象稱之為回彈。對于以彎曲變形為主要成形方式的保險杠來說，回彈現象是不可避免的，它嚴重影響著零件的形狀和尺寸精度。當回彈量超過允許誤差后就成為影響零件質量的成形缺陷，這就增加了模具調試及成型后校形的工作量，為后續裝配帶來麻煩。在實際生產中，為了提高汽車整車水平及質量，許多汽車公司對此類汽車覆蓋件的成形精度都有嚴格的要求。影響零件產生回彈的因素有很多，與成形材料的性能、模具的間隙和零件本身的形狀、壓邊力、摩擦接觸等因素都切實相關。解決回彈問題，要根據沖壓件的具體形狀、尺寸及成型過程的變形特點進行具體分析。五、總結汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優化的課題，是汽車制造領域前言性課題，其研究成果不僅適用于汽車保險杠鋁成型組件，還適用于諸如此類零件的諸多汽車覆蓋件。隨著相關學科及汽車制造技術的迅猛發展，人們汽車零配件上的缺陷越來越重視。另一方面，環境污染、能源枯竭等問題也越來越嚴重，汽車輕量化的問題逐漸成為汽車技術發展的主要方向。鋁合金板材由于具有高強度、低密度、低成本等諸多優點，被越來越廣泛的使用在汽車上。因此，若能通過合理的分析研究，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優秀工藝，對于汽車制造業來說，將會受益無窮。 六、參考文獻 1蘭博.汽車鋁合金覆蓋件沖壓成形數值模擬研究D.吉林:吉林大學,2015.2舒莉.基于有限元法的保險杠立柱成形回彈分析及其控制D.重慶:重慶大學,2007.3付寶連.金屬成形過程的回彈變分原理J.工程力學,2002,19(6):87-92. 4安治國,周杰,張渝.工藝參數對AA5754鋁鎂合金板料成形的影響J.熱加工工藝, 2009,38(13):5-7. 5王宏雁,陳君毅.汽車車身輕量化結構與輕質材料M.北京:北京大學出版社,2009.6楊曼云,孫希平.汽車覆蓋件成形數值模擬過程及影響因素研究J.模具技術, 2006,(1): 3-7.7趙俠,傅建,余玲,等.數值模擬技術在汽車覆蓋件成形中的應用J.鍛壓技術, 2006, 31(1): 15-18.8羅亞軍等.板料成形中的有限元數值模擬技術J.金屬成形工藝.2000,18(6):1-39鐘志華，李光耀薄板沖壓成型過程的計算機仿真與應用M北京:機械工業出版社,1998 .10Makinouchi A，Kawka M.Process Simulation in Sheet Metal FormingJJournal of Materials Processing Technology，1994(46)：291-307 11Hirsch J.Aluminium alloys for automotive applicationC. Materials Science Forum. 1996, 242: 33-50. 指導教師意見 指導教師： 年 月 日專業教研室審查意見 負責人： 年 月 日第 6 頁 共 7 頁北華航天工業學院畢業論文汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優化摘 要近年來，隨著環境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越來越被人們所重視，且已逐漸成為當前和未來汽車技術發展的主要方向?；诖?，在汽車車身及其零配的件的材料選擇上，人們越來越關注材料本身的重量。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強度、可塑性強的金屬材料，受到了越來越多汽車廠商的青睞。然而，在板料成形技術中，起皺、斷裂、變形不足和回彈等質量問題也越來越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費，還嚴重制約了鋁合金板材在汽車制造中的使用。因此，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優秀工藝，成了當前眾多汽車廠商研究的重點。本文將利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對汽車保險杠中鋁成型組件的沖壓成型進行分析研究，找出導致其出現質量問題的主要因素，并結合分析結果嘗試對現有的沖壓工藝進行合理優化，達到提高成品率的目的。關鍵字 有限元分析 鋁成型 工藝優化Finite Element Analysis and Process Optimization of Aluminum Brackets for Automobile BumperAbstractIn recent years, with the environmental pollution, energy depletion and other issues become increasingly serious and national policy support and encouragement, automotive lightweight has been more and more attention, and has gradually become the current and future development of the main direction of automotive technology The Among them, the aluminum alloy sheet as a low-density, high strength, plasticity of the metal material, by more and more car manufacturers of all ages. However, in the sheet metal forming technology, wrinkling, rupture, deformation and rebound and other quality problems are more and more prominent, which not only caused a lot of material waste, but also seriously restricted the use of aluminum alloy sheet in the automotive industry The Therefore, to explore a suitable for aluminum alloy sheet stamping of the excellent process, has become the focus of many car manufacturers.In this paper, the finite element analysis software ANSYS Workbench is used to analyze the stamping of aluminum forming components in automobile bumper, and the main factors leading to its quality problems are found out. Combining with the analysis results, the existing stamping process is optimized reasonably, To achieve the purpose of improving the yield.Key words Finite element analysis aluminum forming process optimization目錄第1章 緒論11.1 引言11.2 汽車保險杠鋁成型組件工藝優化的科學意義11.3 汽車保險杠鋁成型組件質量問題的國內外研究狀況11.3.1 國外研究情況21.3.2 國內研究情況21.4汽車保險杠鋁成型組件的發展趨勢21.5汽車保險杠鋁成型組件缺陷分析31.5.1起皺31.5.2破裂41.5.3回彈51.6本文研究的主要內容51.7本章小結6第2章 板材沖壓有限元分析理論72.1 ANSYS Workbench軟件介紹72.2 材料的特性72.3 材料的屈服準則82.3.1 Tresca 屈服準則82.3.2 Von Mises 屈服準則92.4材料的硬化準則92.4.1各向同性硬化準則92.4.2隨動硬化準則102.5 沖壓過程應力加載和卸載法則112.6 沖壓過程接觸算法112.6.1 拉格朗日算法122.6.2 罰函數接觸算法122.6.3 非線性罰函數接觸算法12第3章 保險杠組件沖壓成型工藝153.1 保險杠組件沖壓成型的的工藝特點153.2 保險杠組件沖壓工藝的詳細說明163.3 本章小結20第4章 有限元分析過程及結果214.1概述214.2 分析流程及結果214.2.1分析流程214.2.2 分析結果254.3 本章小結26第5章 工藝優化內容及結果275.1 工藝優化的注意事項275.2 工藝優化的內容275.3 優化效果305.4 本章小結30致 謝31參考文獻32第1章 緒論1.1 引言近年來，由于人們人們生活水平的不斷提高，對衣食住行的要求也越累越重視。汽車最為一種最常見的交通工具，為人們的出行提供了極大的方便，因此汽車的保有量近年來出現了持續增長的趨勢。據統計，2016年新注冊登記的汽車達2752萬輛，保有量凈增2212萬輛，汽車總保有量已達1.94億輛，均達到歷史新高。另一方面，由于環境污染、空氣惡化等社會問題日趨嚴重，節能環保的問題也開始得到人們的重視。在汽車制造領域，越來越多汽車廠商開始重視汽車的減排問題，都致力與研發同時兼顧節能、環保和安全三個優點為一體的新時代汽車。研究發現，通過減輕汽車自重來減少能源消耗效果可謂說是立竿見影，據統計：汽車每減重10%，油耗可降低 6%8%，車身質量占汽車總質量的 40%60%，因此，可以說，減輕車身重量對于節約能源減少排放有著十分重要的作用。當然，減輕車身質量并不是盲目為之，而是必須在保證不影響汽車安全和性能的前提下，最大可能地減輕車身的質量。傳統的高強度鋼材料盡管有許多優良性能，但對于減輕車身重量而言，顯然不盡人意。隨著材料技術的發展， 很多輕質材料諸如鋁合金等材料運用越來越廣泛，運用鋁合金等輕質制造車身及汽車配件不僅為車身輕量化提供了巨大的發展空間，而且與傳統的高強度鋼相比相比具有密度小、耐銹蝕易成型等優點，因此，鋁合金材料在車身上的使用量越來越多，已經逐漸成為減輕車身質量化技術中取代鋼材的主要材料之一，在汽車輕量化中，鋁合金等輕質材料做出了不可磨滅的貢獻。然而，在實際的生產制造過程中，由于鋁合金板與傳統鋼板的沖壓成形特性并不完全相同，尤其是汽車車身覆蓋件沖壓成型工藝中常見的起皺、破裂、回彈等問題，根本無法完全借鑒鋼板成形方面的經驗來解決， 導致實際生產過程中由于零件產生因質量問題而無法滿足外觀使用、裝配性等要求，所以，對鋁合金車身覆蓋件的質量研究正成為汽車車身成形技術的前沿和熱點。1.2 汽車保險杠鋁成型組件工藝優化的科學意義汽車保險杠是汽車上一個重要的結構部件，承受著汽車碰撞時的巨大沖擊力，對汽車的安全性起著至關重要的作用。其中，保險杠結構中的部分組件采用鋁合金板材沖壓成型，而在成型過程中極易出現起皺、破裂、變形不足和回彈等質量問題，若能通過合理的工藝優化，解決此類質量問題，那么不僅能使車身輕量化的研究更進一步，對于眾多汽車廠商來說，還能大大節約成本，提高運營利潤。1.3 汽車保險杠鋁成型組件質量問題的國內外研究狀況汽車保險杠鋁成型組件屬于板材沖壓成型件，而對于此類由板料沖壓成形的零件容易出現的常見缺陷問題，自上世紀50年代以來，國內外大量學者針對這些問題進行了深入的理論分析、模擬和實驗研究。1.3.1 國外研究情況從上世紀50年代起，R.Hill、F.J.Gardiner 、F.Proska 等人通過多年探索研究，在板料成形及回彈分析方面取得了初步進展，為后續的研究奠定了理論基礎。隨后，F.Fenoglietto 等人嘗試通過對彈性模量的研究，找出其對板料回彈的影響。A.M.Prior建議將板料成形模擬的靜態隱式算法和動態顯示算法結合起，以此來求解回彈問題是一種十分的方法。隨著人們不斷的追求車身輕量化并將鋁和強度鋼等材料大量用于車身上。板材沖壓成型所出現的質量問題也越來越得到人們的重視，由此對其進行了大量的分析和研究。You Ming Huang分析了工藝參數（如凹模圓角半徑 rd、摩擦系數 、凸凹模間隙 C 等）對 U 形件成形后質量的影響，其分析結果表明：增加凹模圓角半徑和凹凸?？障恫p小摩擦系數會加重零件的回彈現象。此外，M.Kawka 等人也用汽車輪轂和頂蓋作為研究對象，對其進行了研究分析。還有人通過有限元模擬方法，針對不同形狀配件的模具進行回彈迭代補償，使最后成形后的零件剛好與零件本身的設計要求相符。S.G.Xu研究了板料回彈的影響因數，他認為材料參數的波動變對回彈缺陷的影響化非常敏感，此外，對于高強度板的大回彈問題，他提出了工藝參數優化控制和考慮板料變形歷史的模面迭代補償控制方法。1.3.2 國內研究情況我國對于此類的板料成形質量題研究時間比較短，但也取得了一定成果。首先由付寶連等人創立了金屬成形過程的回彈最最小余能原理和小勢能原理，并將該原理運用于曲梁回彈變形和懸臂梁回彈變形計算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進行數值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續介質力學及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動力顯式算法，并開發了有限元分析程序 DEFORM-3D。楊光等針對板材成形后的切邊回彈問題，發明了基于大變形彈塑性有限元理論的切邊處理技術-AIA 方法。章婷等人采用 FEM 技術，通過建立正交優化試驗對 U 形件進行沖壓回彈仿真研究，得出影響鋁合金板料成形和回彈精度的數值模擬參數。在回彈控制方面，張立力等人針對板材成形中的回彈補償問題，通過采用通用機械軟件 UG 和 CAE 軟件 Pam-Stamp 所開發的回彈補償的模具設計系統，提出了一個根據工件的幾何形狀和回彈誤差來進行模具補償的方法。1.4汽車保險杠鋁成型組件的發展趨勢無論汽車技術怎樣發展，人們在研究汽車輕量化的同時，汽車的安全性仍會被人們放在首位。如果一輛汽車車身重量很輕，節能減排的效果十分出色，但也喪失了其基本的安全保障能力，那么，這樣的汽車也必將不會被人們接受，因此，在降低車身質量的問題上，選擇合適的材料十分重要。由于鋁合金具有諸多優點，使用鋁合金材料代替傳統鋼材在汽車車身上使用，不僅能最大限度的降低車身質量，而且在提高汽車的機動性能和高乘客的舒適性及安全性的方面，也具有這顯著效果。正是由于這些原因，現如今全球各大汽車公司為了在保證汽車安全性的同時降低車身質量，都在不遺余力的研發鋁合金車身零部件乃至全鋁車身。而保險杠作為汽車上的一個重要零部件，當汽車受到外界撞擊時，它能有效的減緩外界沖擊，保護車內乘客安全，在一定程度上還能保護車身不被嚴重破壞。所以無論是傳統車型還是近幾年興起的新能源車型，都無法舍棄這一裝置，而且因其工作時將承受巨大沖擊載荷，制作材料要求具有高強度、高硬度等特點。鋁合金材料不僅能滿足這一要求，而且還能大大降低其自身重量，當然會首先進入人們的視線。因此，用鋁合金材料制作保險杠及其相關組件，將會有很好的發展趨勢。1.5汽車保險杠鋁成型組件缺陷分析由于汽車保險杠鋁成型組件的形狀較為復雜，其幾何尺寸較大，而且在實際生產中，模具總是在不斷的打開和關閉，致使板料與模具不斷接觸，另一方面，由于沖壓過程中板料所受載荷路徑極為復雜，因此很難保證在沖壓過程中材料不會出現失穩變形的情況。而為了保證零件表面質量和裝配精度，這些諸如起皺、破裂、回彈等質量問題是絕對不允許出現在零件上的，這就增加了零件成型模具開發設計工作的難度，以下將針對上述的主要缺陷進行分析。1.5.1起皺起皺是保險杠鋁成型組件沖壓成型過程中比較普遍的質量缺陷之一。它是由于材料在塑性變形過程中局部壓應力過大而出現的不均勻變形。由于是板材沖壓成型，受壓材料一般較薄，因此在成型的過程中厚度方向上的變形很不穩定。材料內部的壓應力一旦超過材料在厚度方向上的失穩極限后，便會產生失穩起皺。如圖1-1所示。當然，除此之外，成型過程中往往還跟隨著一些不均勻拉應力、剪應力或板內彎曲應力等，這些因素也可能使板材出現起皺缺陷。起皺缺陷會對此類尺寸精度和表面質量要求較高的車身覆蓋件會產生極大影響，若起皺過于嚴重，則零件將直接報廢，造成資源浪費。圖1-1保險杠組件起皺缺陷解決此類零件起皺問題時，一般在保證產品使用功能不喪失的前提下通過調整零件的形狀、采用合理的沖壓工藝、改善沖壓條件和材料性能及優化模具設計制造等，最終達到改善和消除起皺缺陷的目的。1.5.2破裂 破裂也是汽車保險杠鋁成型組件沖壓成型過程中常見的缺陷之一，它是材料在成型的過程中拉伸過度導致失穩的一種主要表現形式。板料變形過程中在其內部會存在拉應力相對集中區域，隨著變形的不斷加大，當某處材料所受到的拉應力過大，接近或超過材料本身的最大抗拉強度時，材料就將出現拉裂或拉斷現象，也就產生了破裂的缺陷。保險桿鋁成型組件拉延過程主要在以下兩種區域容易出現破裂：一種是出現在材料的傳力區，主要原因是由于材料強度不夠，這種破裂缺一般延伸至零件邊緣，如圖1-2所示。另一種破裂容易出現在零件大的塑性變形區，主要是材料的塑性無法滿足拉延變形要求而引起的，如圖1-3所示。無論是上述哪種破裂形式，此種缺陷在實際生產中會直接影響著產品的成形質量，導致產品報廢，因此在實際生產中絕不允許出現此種缺陷。圖1-2保險杠組傳力區件破裂缺陷圖1-3保險杠組件塑性變形區破裂缺陷在板材沖壓成型過程中，存在很多容易導致板材破裂的因素。為防止此種缺陷的產生，一般采取以下措施：可根據最終產品的具體情況選擇合適的毛坯形狀和尺寸；采用機械性能較好的材料作為零件材料；此外，可在條件允許的情況下，增大拉裂區域的凸凹模圓角半徑；修正模具的參數，并提供良好的潤滑條件等。1.5.3回彈起皺缺陷和破裂缺陷，究其原因都是由于板料在沖壓成型過程中內部應力變化造成的，然而，除了上述兩種常見缺陷外，在保險杠組件實際生產過程中，還有一種常見缺陷，它主要由材料本身的性能決定，且往往發生在沖壓成型之后，那就是回彈缺陷，眾所周知，金屬板材在沖壓成型時發生的變形形式主要包括兩種：彈性變形和塑性變形。當沖壓成型結束后，由于模具和零件分離，而金屬板材本身具有彈性，因此在無外部壓力的情況下，沖壓之后的板材部分區域會出現彈性回復的現象，這種現象往往導致成形后零件的實際尺寸值與標準值存在偏差，當然，對于零件的實際形狀也會產生很大影響，這種現象就稱之為回彈現象。汽車保險杠組件主要以彎曲變形為主，因此產生回彈現象是不可避免的?；貜棳F象對零件的成品質量影響很大，當回彈的量過大且超過零件允許誤差后，零件就將直接報廢，因此，回彈也是影響零件質量的重要缺陷。實際生產過程中很多因素都可能導致最終零件產生回彈現象。除了材料本身的性能外，還有模具的間隙和零件本身的形狀，以及壓邊力、摩擦接觸等因素都對回彈有較大影響。解決回彈問題，要根據零件件的具體形狀、尺寸及成型過程的變形特點等進行具體分析。1.6本文研究的主要內容本文將以汽車保險杠鋁成型組件為例，并結合ANSYS Workbench有限元分析軟件，模擬保險杠組件沖壓成型過程，分析現有工藝狀況及實際生產條件，找出其中容易導致產品成形后出現起皺、破裂、回彈等缺陷的因素，并依據分析結果，結合企業實際生產條件，對沖壓成型工藝做出合理優化，力求達到提高最終成品率的目的。具體工作內容如下：（1） 研究背景及研究意義簡要介紹；（2） 板材沖壓有限元分析基本理論說明，包括相關軟件介紹，材料特性，材料屈服、硬化準則，接觸算法，加載卸載法則以及三維模型建立等內容；（3） 研究對象的工藝特點及工藝分析；（4） 對模型進行有限元分析，研究其變形狀況，為工藝優化做準備；（5） 結合有限元分析內容，提出幾點符合企業實際情況工藝優化措施，并對現有工藝適度改進優化；（6） 通過現場實驗，對優化后的工藝進行驗證，并與優化前的結果作對比，記錄相關實驗數據。（7） 對研究結果做出總結。1.7本章小結本章主要對研究內容做了一個簡要說明，分析了課題研究意義、國內外發展狀況以及相關技術的發展趨勢，并從針對本課題的具體對象，簡要介紹其實際生產中常見的缺陷類型。第2章 板材沖壓有限元分析理論2.1 ANSYS Workbench軟件介紹ANSYS軟件由美國ANSYS公司開發，是一款功能十分強大的大型通用有限元分析（FEA）軟件，同時也是目前全球范圍內增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件。它能與大部分的計算機輔助設計軟件（CAD，computer Aided design）接口，實現數據的共享以及交換。是融合了流體、電場、聲場、磁場、結構分析等于一身的大型通用有限元分析軟件。而自ANSYS 7.0開始，ANSYS公司便推出了ANSYS Mechanical APDL（經典版）和ANSYS Workbench版兩個不同版本，并且目前均已開發至17.2版本。其中，Workbench是ANSYS公司提出的協同仿真環境，目的是解決企業在產品研發過程中常見的CAE軟件異構問題。它不但繼承了ANSYS Mechanical APDL界面在有限元仿真分析上的大部分強大功能，還提供了CAD雙向參數鏈接互動、項目參數自動更新機制、全新的參數和無縫集成優化設計工具等，使得ANSYS在“仿真驅動產品設計”方面達到了前所未有的高度?？梢哉f，ANSYS Workbench真正實現了集產品設計、仿真、優化功能于一身，可以幫助設計人員完成在同一平臺上完成產品研發過程的所有工作，從而大大縮短了產品研發周期，加快了上市步伐。本課題研究所用的為ANSYS Workbench 15.0 版本。它是一個集成框架，整合了現有的各種應用并將仿真過程集成在同一界面下，其主要有三個模塊組成，分別是： Design ModelerCAD幾何模型建立模塊，為后續分析做準備。 Design Simulation用ANSYS的分析模塊實現網格劃分，用來求解以及后處理，包括常見的Mechanical、Fluent等。 Design Exploration用于研究變量（幾何、載荷等）對響應（應力、頻率等）的影響，可實現優化。除了以上三個主要模塊，ANSYS Workbench 15.0還很多其他模塊，其中比較典型的有：進行全隱性耦合算法的CFX，由于專業渦輪葉片設計的Blade Modeler，用于爆炸等場合的高度非線性顯示動力學分析的AUTODYN。這些模塊將ANSYS Workbench 15.0打造成了應用極廣的有限元分析軟件。2.2 材料的特性本文研究的例子是保險桿組件，屬于汽車覆蓋件的一種。而汽車覆蓋件的原材料一般為金屬材料，本例也不例外。該組件使用的原材料是鋁合金，牌號為EN-AW1050A。其泊松比0.320.36，彈性模量E72GPa,具體規范如表2-1和所示。項目名稱數值單位尺寸（長*寬）980380mm厚度0.810%mm密度216010%g/m2滾花高度2.50.5mm斷裂伸長率=38%/50mm抗拉強度7080Mpa成分鋁（Al）=99.50%g硅（Si）00.25%g銅（Cu）00.05%g鎂（Mg）00.05%g鋅（Zn）00.05%g錳（Mn）00.05%g鈦（Ti）00.03%g釩（V）00.05%g鐵（Fe）00.40%g其他00.03%g表2-1原材料基本信息1050A鋁合金主要成分是工業純鋁，其含量高達（質量分數）99.50%以上，所以，1050A鋁合金的熔點比較低，不可運用熱處理的方法來加強它本身的硬度。但是它的塑性特別好，在沖壓成型方面有很大優勢，易被加工成各種形狀。不僅如此，1050A鋁合金的導電性和導熱性也十分出色。因此，在制造領域1050A鋁合金被廣泛使用，并應用于各種各樣的產品。2.3 材料的屈服準則金屬材料在受到外力作用的過程中，其自身性能以及它受到的應力狀態會使它由彈性變形逐漸向塑性變形過度。在同等條件下，金屬材料的屈服極限僅由應力狀態決定，當金屬材料受力時，材料內部的質點由彈性狀態逐漸過度到塑性狀態的準則，稱之為為屈服準則。對于金屬材料而言，常用的屈服準則主要有以下幾種：2.3.1 Tresca 屈服準則材料的塑性變形與其受到的最大切應力之間存在某種關系，當最大切應力的值達到某一特定值（即材料單向拉伸或者壓縮時屈服強度值（s）的一半）時，材料就會發生屈服。Tresca屈服準則可表示為：max=12(1-3)=s2 （2-1）式中 max材料的最大切應力（N/mm2）； s 材料的屈服強度（N/mm2）。從上式可以看出，當材料的最大切應力達到屈服強度的一半時，材料就將進入并保持塑性變形狀態，而和另外的兩個差值沒有關系。Tresca屈服準則計算雖然簡單，但只能看出是否發生屈服與最大主應力和最小主應力的關系，無法反應第二主應力的影響。2.3.2 Von Mises 屈服準則Mises屈服準則是在1913 年由德國力學家 Von Mises 針對 Tresca 屈服準則作了進一步的彌補和改進之后提出的，該準則指出，在一定的變形條件下，不管物體處于什么狀態，一旦其所受應力的三個主應力組合符合某種特定條件，則材料的屈服準則可表示為Mises 屈服準則于。與Tresca 屈服準則相比，凡是通過Mises 屈服準則來描述的材料，都是各向同性的，即當材料內部任意一點的等效應力達到屈服極限時，那么該點就會進入塑性變形狀態。Mises屈服準則采用三個主應力的函數表達式如下：F0ij=161-22+2-32+3-12-13s2=0 （2-2）式中 F0材料內部的等效應力（N/mm2）。2.4材料的硬化準則在金屬塑性變形過程中，隨著應變的增加，應力會急劇增大，此時就會發生加工硬化現象，而硬化準則 就是用數學表達式來描述材料變形過程中所受應力與自身應變之間的關系。金屬板料塑性變形中的硬化準則主要描述了材料發生塑性變形后初始屈服準則隨著塑性應變增加的變化規律。硬化關系式可用如下一個基本方程表達：Fij,ijp,k=0 （2-3）式中 ij材料所受應力； ijp材料應變。通常，我們根據材料在發生硬化過程中加載曲面變化的不同，一般將材料的硬化準則簡化為三種形式，分別為：各向同性硬化準則、隨動硬化準則、混合硬化準則。2.4.1各向同性硬化準則 有的材料在變形過程中，材料內部各個方向上應變量會始終保持某一固定比值逐漸增加或者減少，這種特性就是各向同性。當計算各向同性材料的變形時，需要采用的硬化準則即為各向同性硬化準則。當材料所受應力使其達到屈服極限后，材料的屈服面向各方向擴展時，會基于同一中心勻地向個方向擴展，如圖 2-1所示。假如材料在變形過程中一直保持各向同性，且忽略各向異性對變形的影響，那么后繼屈服函數的表達形式將與初始屈服函數的表達形式保持一致?？捎萌缦卤磉_式表示材料各向同性硬化準則：Fij,k=fij-k=0 （2-4）k=13s2p （2-5）p=23dijpdijp （2-6）fij=23 （2-7）式中 k 硬化參數； p等效塑性應變。圖2-1各向同性強化模型2.4.2隨動硬化準則 并不是所有材料在成型過程中都保證按各向同性的規律進行變形，因此各向同性硬化準則對于此類材料并不適用。這些材料在變形時，屈服面的大小、形狀、方位都不發生變化，而是在屈服方向上作一個剛體移動，如圖2-2所示，這種特性我們可以稱之為隨動性。計算這類材料的變形情況時，我們所用的硬化準則稱為隨動硬化準則。隨動硬化準則的表達式可用如下關系式表示：F(ij-ij)=0 （2-8）式中 ij屈服面中心的位置變化（mm）。圖2-2隨動硬化準則模型2.4.3混合硬化準則 除了上述的兩種變形情況外，某些材料在變形過程中，不僅屈服面的大小在應力作用下發生變化，而且其位置也會發生變化，遇到這樣的變形情況，無論是各向同性硬化準則還是隨動硬化準則都不適用，這種情況下的之為混合硬化準則。顧名思義，混合硬化準則包含了各向同性變化和隨動變化過程中的屈服行為，變形過程中屈服面的形狀、大小和中心位置都在應力空間中發生變化，因此對板料成形過程中的應力與應變之間的關系描述得更加準確?；旌嫌不瘻蕜t將塑性應變增量分解為兩部分，適用于各向異性材料，表達式如下：dij=dijm+ijk （2-9）式中 dijm屈服曲面擴張時的塑性應變增量（mm）； dijk屈服曲面移動的塑性應變增量（mm）。因此，混合硬化準則的函數表示為：Fij,ij,k=f-k=0 （2-10）f=12(Sij-ij)2 （2-11）k=13s2(p,M) （2-11）式中 M 材料在發生塑性行為時的混合硬化參數，一般在-11 之間取值。2.5 沖壓過程應力加載和卸載法則當板料受壓達到屈服極限并進入塑性變形狀態以后，由于受到變形過程中載荷的加載路徑以及加載歷程的影響，板料內部的應力和應變都不再是線性關系。材料進入屈服狀態后，其塑性應變增量的方向可以依靠沖壓過程中應力加載和卸載法則進行精確預測和判定，由此便可確定板料處在不同狀態下的本構關系。對于硬化材料來說，判斷板料是否會繼續發生塑性變形的準則如下：（1） 如果f(ij)0 , 則板料將處于繼續塑性加載狀態 ；（3） 如果f(ij)0，且fijdijStatic Structural”選項，即可在項目管理區創建分析項目A，如圖4-1所示。（2）定義材料數據。在Static Structural項目列表中雙擊Engineering Data，進入設計數據管理界面。在設計數據管理界面的“Outline of Schematic A2:Engineeing Data”窗口中單擊“Click here to add a new material”單元格，然后輸入材料名“Aluminum Alloy”稱并按Enter鍵確認，此時的窗口如圖4-2所示。圖4-1Static Structural項目列表 圖4-2材料庫（3）定義材料密度。在“Toolbox”工具箱中雙擊“physical properties”區域中的“Density”選項，將其添加到新建材料的屬性窗口。在屬性窗口中單擊“Density”項目后的單元格，然后輸入數值2 700，保持默認的單位不變，此時的窗口如圖4-3所示。圖4-3材料屬性（1）（4）定義彈性參數。在“Toolbox”工具箱中雙擊“Linear Elastic”區域中的“Isotropic Elasticity”選項，將其添加到新材料窗口中，然后設置如圖4-4所示的參數。圖4-4材料屬性（2）（5）材料庫添加完畢，退出“Engineering Data”返回Workbench主界面。（6）添加幾何模型。在“Static Structural”項目列表中右擊“Geometry”項目，在彈出的快捷菜單中選擇“Import GeometryBrowse”命令，彈出打開對話框，選擇產品零件的幾何模型并打開。然后雙擊“Geometry”，此時會進入DM界面。單擊DM界面中的“Generate”按鈕開始生成模型，待生成完畢后，電機“關閉”按鈕，退出DM界面，返回Workbench主界面。（7）進入分析。在“Static Structural”項目列表中雙擊“Model”項目，進入分析環境界面。（8）設置材料屬性，在圖4-5所示的“Outline”窗口中，單擊“Geometry”下的幾何體