一种确定冲压形成汽车覆盖件的零件的材料利用率的方法

摘要

本发明公开了一种确定冲压形成汽车覆盖件的零件的材料利用率的方法，该方法通过有限元仿真模拟板料冲压成形过程，获得各个单元节点的厚度分布，根据各个单元的厚度与面积计算出各个单元的重量，求和并将该数值修正后与原始坯料重量进行比较，最后获得材料利用率。本方法充分考虑了大型薄板拉延件在塑性变形的作用下型面上出现的厚度变化，在计算材料利用率时考虑了冲压件上各个部分厚度不均的情况，提高了计算的准确度。

权利要求

1.一种确定冲压形成汽车覆盖件的零件的材料利用率的方法，包括如下步骤：

步骤1：分析零件，确定对零件加工的方案，包括落料、拉延、修边、整形；

步骤2：根据确定的加工方案，对零件进行冲压工艺造型设计，确定零件的凸凹模型面；

步骤3：对零件进行有限元仿真分析，通过不断调整工艺参数，最后确定合理的冲压工艺参数，同时精确确定零件的修边冲孔线的位置，确保所设计的零件的工艺型面不会产生冲压缺陷；修边冲孔线将整个拉延件分割为废料部分和零件部分，冲压件在拉延之后需要进行修边，仿真计算时需要对零件进行全工序迭代分析，以精确确定修边线的位置；

步骤4：确定该零件的坯料面积A0及坯料厚度t0；

步骤5：利用计算机仿真分析软件对零件的坯料以及零件的凸凹模型面划分单元和节点；

步骤6：建立该零件的冲压仿真分析模型，对零件进行冲压仿真计算，分析冲压仿真计算的结果，获取冲压仿真计算后零件上每个单元的面积A，每个单元的节点的厚度值、每个单元的类型和每个单元包含的节点，通过每个单元的节点的厚度值、每个单元的类型和每个单元包含的节点，应用单元厚度求解公式获得每个单元的厚度t，单元厚度求解公式为：式中：t为单元厚度；t′i为第i节点的厚度；n′为节点数目，三角形单元的节点数目为3，四边形单元的节点数目为4；

步骤7：根据修正的材料利用率公式获得该零件的材料利用率，该材料利用率公式为式中：η为材料利用率；As为零件CAD型面的面积，可以在三维设计软件中直接获取，Ai为第i个单元的面积，ti为第i个单元的厚度，A0为坯料面积，t0为坯料厚度；n为零件单元数量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6中的冲压仿真分析包含该零件冲压成形的全过程，包括落料、拉延、修边、整形。

说明书

一种确定冲压形成汽车覆盖件的零件的材料利用率的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种确定冲压材料利用率的方法，具体地涉及一种确定冲压形成汽车覆盖件的零件的材料利用率的方法。

背景技术

[0002] 汽车覆盖件是典型的冲压零件，由于其批量大，尺寸大，因此对材料的利用率要求较高，在模具设计的时候必须充分考虑材料的利用率，在保证冲压质量的前提下尽可能提高材料的利用率。目前很多零件在设计时都预先设定了材料利用率指标，如果相应的模具设计方案达不到预定的材料利用率还必须修改设计方案。

[0003] 对于实际冲压过程中的材料利用率可以采用称重的方式来进行，即称最终零件的重量和批料的重量后将二者比值作为材料利用率，这种计算方法是最为准确的，但属于事后计算法，此时模具已经设计加工完毕并已进行了冲压，无法通过模具方案的修改来提高材料的利用率。

[0004] 因此材料利用率必须要在模具设计的时候来进行计算，这样才能有效的对设计方案进行评估。目前通用的材料利用率是以零件的总面积比上坯料的面积来进行计算的，这种方式是建立在冲压前后材料的厚度不变的基础上来进行的，没有充分考虑到在冲压过程中坯料在拉延力的作用下厚度出现了变化，因此该方法计算出来的材料利用率精度较低。

[0005] 对于大型薄板拉延件，由于采用拉延方式成形，因此在塑性变形的作用下型面上会出现厚度的变化，某些局部区域出现25%~30%的减薄，所以在计算材料利用率时必须考虑到冲压件上各个部分厚度不均的情况，这样才能提高计算的准确度。

发明内容

[0006] 鉴于有限元仿真可以很好的模拟板料冲压成形过程，可以获得板料冲压成形之后各单元节点的厚度分布，因此本发明以有限元模拟板料冲压为基础，考虑成形后厚度的分布情况，从而高精度地确定材料利用率。

[0007] 本发明公开了一种确定汽车覆盖件冲压成形材料利用率的方法，包括如下步骤：

[0008] 一种确定冲压形成汽车覆盖件的零件的材料利用率的方法，包括如下步骤：

[0009] 步骤1：分析零件，确定对零件加工的方案，包括落料、拉延、修边、整形；

[0010] 步骤2：根据确定的加工方案，对零件进行冲压工艺造型设计，确定零件的凸凹模型面；

[0011] 步骤3：对零件进行有限元仿真分析，通过不断调整工艺参数，最后确定合理的冲压工艺参数，同时确定零件的修边冲孔线的位置，确保所设计的零件的工艺型面不会产生冲压缺陷；

[0012] 步骤4：确定该零件的坯料面积A0及坯料厚度t0；

[0013] 步骤5：利用计算机仿真分析软件对零件的坯料以及零件的凸凹模型面划分单元和节点；

[0014] 步骤6：建立该零件的冲压仿真分析模型，对零件进行冲压仿真计算，分析冲压仿真计算的结果，获取冲压仿真计算后零件上每个单元的面积A，每个单元的节点的厚度值、每个单元的类型和每个单元包含的节点，通过每个单元的节点的厚度值、每个单元的类型和每个单元包含的节点，应用单元厚度求解公式获得每个单元的厚度t；

[0015] 步骤7：根据修正的材料利用率公式 获得该零件的材料利用率，式中：为材料利用率；As为零件CAD型面的面积，可以在三维设计软件中直接获取，Ai为第i个单元的面积，ti为第i个单元的厚度，A0为坯料面积，t0为坯料厚度；
为零件单元数量。

[0016] 其中，步骤3采用的是全工序迭代的方法进行分析，从而精确确定修边线的位置。

[0017] 其中，步骤6中的冲压仿真分析包含该零件冲压成形的全过程，包括落料、拉延、修边、整形。步骤6中采用的单元厚度求解公式为：

[0018]

[0019] 式中：为单元厚度；t′i为各节点的厚度；n′为节点数目，三角形单元的节点数目为3，四边形单元的节点数目为4。

[0020] 本发明的有益效果在于该方法充分考虑了大型薄板拉延件在塑性变形的作用下型面上出现的厚度变化，在计算材料利用率时考虑了冲压件上各个部分厚度不均的情况，提高了计算的准确度。

附图说明

[0021] 图1为冲压件截面厚度分布状态。

[0022] 图2为曲面离散为单元截面视图。

[0023] 图3a-b为冲压成形中的单元类型。

[0024] 图4为不在同一平面内的四节点单元面积计算示意图。

具体实施方式

[0025] 本发明实施时主要依赖于冲压仿真计算，其中包括方案确定、仿真计算、修边线位置的精确确定等内容，具体如下：

[0026] 1）针对零件CAD模型进行具体分析，确定工艺方案，包括落料、拉延、修边、整形等等；

[0027] 2)对该零件CAD模型进行冲压工艺造型设计，确定凸凹模型面；

[0028] 3)对该零件CAD模型进行仿真分析，确定合理的冲压工艺参数，和精确确定该零件的修边冲孔线的位置。确保所设计的工艺型面没有产生拉裂、起皱等冲压缺陷；修边冲孔线将整个拉延件分割为废料部分和零件部分，冲压件在拉延之后需要进行修边，但修边线位置受到后续翻边整形等工序的影响，如因此仿真计算时需要对零件进行全工序迭代分析，以精确确定修边线的位置。

[0029] 4)精确确定该零件的坯料大小及形状。坯料大小及形状直接影响材料利用率的大小，因此需要在仿真计算时将坯料轮廓线调整到最合适。

[0030] 5)利用CAE分析软件对零件的坯料以及凸凹模型面划分单元和节点。

[0031] 6)建立该零件的冲压仿真分析模型，对零件进行冲压仿真计算。冲压仿真分析包含该零件冲压成形的全过程，包括落料、拉延、修边、整形等等。分析冲压仿真计算的结果，获取冲压仿真计算后零件上每个单元节点的厚度值及每个单元的类型和每个单元包含的节点。

[0032] 7)应用单元厚度求解公式求解每个单元的厚度， 式中：为单元厚度；t′i为各节点的厚度；n′为节点数目，三角形单元的节点数目为3，四边形单元的节点数目为4。

[0033] 8）根据 应用修正的材料利用率公式获得该零件的材料利用率。

[0034] 式中：为材料利用率；As为零件CAD型面的面积，可以在三维设计软件中直接获取，Ai为第i个单元的面积，ti为第i个单元的厚度，A0为坯料的面积，t0为坯料的厚度；为零件单元数量。

[0035] 冲压成形过程中金属材料发生塑性变形，由于材料的流动不均匀，导致成形后零件厚度分布不均匀，如图1所示。

[0036] 在所截取的冲压件截面图中，A区为厚度不变区，B区为厚度减薄区，C区为厚度增厚区。每个区的重量除了与面积相关外还与厚度有关。因此需要根据厚度分布计算各个部分的重量，求和后与原始坯料重量进行比较计算材料利用率。

[0037] 在有限元进行冲压仿真计算时，连续的曲面被离散为单元和节点，如图2所示，因此零件材料利用率计算公式可表达为：

[0038]

[0039] 式中：为材料利用率；Ai为单元的面积；ti为单元的厚度；A0为坯料初始面积；t0为坯料初始厚度；为零件单元数量；

[0040] 最常用的单元有两种类型：一种是三角形单元，另一种是四边形单元，如图3a-b所示。

[0041] 仿真计算时可以获得各个单元节点的厚度，这些节点的厚度都各不相同，这样在单元内部厚度分布也不是均匀的。为了获得各个单元的厚度，可以采用简化计算方法：

[0042]

[0043] 式中：为单元厚度；t′i为各节点的厚度；n′为节点数目，三角形单元为3，四边形单元为4；

[0044] 在求解单元面积时如果四边形单元四个节点不在同一个平面时可以采用两对角线确定投影平面的方式来将四个节点投影到平面上，然后计算其面积并以此面积作为单元的面积，如图4所示。

[0045] 由于有限元计算采用型面离散的方式来进行，因此零件所有单元面积的总和可能与实际零件的面积不相同，从而给计算带来误差。为了提高计算精度，可以将零件设计型面面积与单元面积总和进行比较，并将该值引入到材料利用率公式进行修正：

[0046]

[0047] 式中：为材料利用率；As为零件CAD型面的面积，可以在三维设计软件中直接获取；Ai为单元的面积；ti为单元的厚度；A0为坯料初始面积；t0为坯料初始厚度；为零件单元数量。

[0048] 通过上述公式可以精确获得材料利用率。