Automobile Technology & Material
侧围外板冲压成形仿真及影响因素分析…………………………………………………………………………张新颖余天明栗彬琦崔岸Simulation and Influence Factors Analysis of Side Panel Stamping ………………………… Zhang Xinying, Yu Tianming, Li Binqi, Cui An
（1.吉林大学 130022；2.吉林大学 130022）汽车工程学院，长春 汽车仿真与控制国家重点试验室，长春
摘要：针对侧围外板成形过程中容易出现的质量问题，为提高零件工艺设计的效率，利用Dynaform 软件建立了冲压成形的有限元仿真模型，在数值仿真过程中，通过增加拉深筋、改变压边力的方式确定了压边力
1 800 kn，拉深筋高度为4mm为 时，可以有效改善拉皱及破裂问题。该研究方法可为侧围外板的工艺设计提供指导和依据。
关键词：侧围外板 冲压成形仿真 工艺补充 工艺参数
中图分类号：U463.8 文献标识码：B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20190359
DOI: 1 前言
汽车车身覆盖件与底盘、发动机、电子电器是
汽车的四大组成部分[1]，其中车身覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求高等特点[2- 3] ，是汽车整体性能和质量的重要决定因素之一，它的设计和生产更是汽车整个开发过程的关
键，很大程度上决定了开发周期和成本[4]。
随着有限元技术和计算机技术的高速发展，尤其是冲压模拟软件的开发和应用，缩短了冲压工艺方案锁定周期，使得生产中的试验次数大大减少，降低了研发成本，缩短了生产周期，极大提高了汽车制造的生产效率[5-6]。
2 侧围外板工艺补充设计
在进行冲压工艺和模具设计时，首先必须确定冲压方向，保证覆盖件能够顺利成形。在拉深工序中，确定冲压方向应考虑能使凸模顺利进入凹模，且进入拉深件的所有角落，因此要使凸模与毛坯接触面尽量大，接触面位于冲模中心，使进料
1阻力均匀。本研究选择的冲压方向如图 所示。工艺补充指为了顺利拉深成形出合格的制件，在冲压件的基础上所添加的材料，用以满足拉深、压料面和修边等工序的要求。
作者简介：张新颖（1998—），女，学士学位，研究方向为汽车车身结构分析与优化技术。
参考文献引用格式：
张新颖, 余天明, 栗彬琦, 等.侧围外板冲压成形仿真及影响因素分析[J].汽车工艺与材料, 2021（8）：61-65.
ZHANG X, YU T, LI B, et al. Simulation and Influence Factors Analysis of Side Panel Stamping [J]. Automobile Technology & Material, 2021(8): 61-65.
工艺补充分为内工艺补充和外工艺补充。如2
图 所示，其中外工艺补充包括拉深部分的补充和压料面两部分。
压料面是凹模圆角半径以外的部分毛坯，压边圈将拉深坯料压紧在凹模压料面上。在凸模对坯料开始拉深前，压边圈将坯料压紧在凹模压料面上。
3
如图 所示，在成形过程中，需要保证拉深方向和压料面的相对位置合理，这样压料面才会更好地发挥功能。对于拉深工艺，凸模与压料面应满足一定的
4
长度关系，如图 所示。在成形过程中，压料面的存在会使板料在凸模接触到它时处于一种张紧的状态，从而能够很好地贴在凸模上并进入到凹模中，否则容易起皱。
某款商用车侧围外板本身不具有对称性，所以拉深过程中各部位受力不均匀,因此采用双件拉深的方法,将零件对称布置，采用一模俩件的生产模式, 25 mm
在距离外板边缘 处建立对称面，将原
5模型对称并将对称后的两半零件连接起来，如图所示。工艺补充完成后，冲压后得到的工件形状如6
图 所示。
3 侧围外板冲压成形仿真
1mm DC04，力学性
侧围外板的材料为厚度 的
1。
能见表3.1 网格的划分
Dynaform
由于 对网格的质量要求比较高，为保证仿真的精度，采用专业的有限元前处理软件
Hypermesh
进行网格划分。由于零件尺寸较大，为减少网格数量，网格最
30 mm，并采用三角形与四边形网
大尺寸设置为
7
格联合划分。最后，凹模划分完成的网格如图所示。凸模、压边圈、板料的网格划分步骤与凹模类似。
3.2 基于Dynaform的侧围外板仿真前处理
首先将凹模、凸模、压边圈、板料划分完网格
Dynaform
后的模型导入到 软件中，导入后模型如
8
图 所示。
板料成形的设置如下。
1mm
a.板料的厚度设置为 ，单动拉深，凹模在上，凸模在下，凹模向下运动。
0.1～0.15
b.钢材之间的摩擦系数通常在 之
0.125。
间，本次仿真中选用软件的默认值冲压过程分为两步，第一步是压边工序，凹模
2
向下运动与压边圈闭合，将凹模的速度设置为
000 mm/s。
第二步是拉深工序，凹模跟压边圈一起往下运
5 000 mm/s，
动与凸模闭合，将凹模运动速度设置为
运用经验公式（1）计算理论压边力的值。
= ×p 1
P A （ ）
式中，P为压边力；A为压边圈的面积；p为单位压边力。
CATIA A=1.459 m2
由 计算得 ，查冲压手册可
2.5~3.0 MPA,知，单位压边力p一般为 本研究取p=2.9 MPA，经计算得理论压边力P=4 231.1 kn，依
此参照，将仿真中压边力的初始值设置为略小一
4 150 kn。
些的各项参数设定完成后预览模具的运动情况，观察凸凹模之间是否完全闭合，从而检查设定过
程有无错误。4 冲压工艺参数对仿真结果的影响
Dynaform的后处理软件打开*.d3plot
利用 形式的结果文件，将凸模、凹模、压边圈隐藏，观看板料在成形过程中的动画及成形极限图与厚度分布9
图，如图 所示。
从成形极限图中可以看出，拉深过程中在外板下侧的两个尖角处已经出现了破裂区，且在厚
0.547 mm
度图中显示最薄处厚度为 ，减薄率
45.3%，不能满足零件的使用要求。
出现上述问题的原因主要是此部分拉深深度较大，而且处于凸凹模的直角处，进料阻力较大，所以板料被过分拉深直至拉裂。为解决拉裂的问题，需要重新选取工艺参数。
3 000 kn，
a.为减小进料阻力，将压边力减小至
10
仿真结果如图 所示。减小压边力后仍存在拉裂，但还未起皱。
2 000 kn，仿真结果如图
b.继续减小压边力至
11
所示。减小压边力并未改善拉裂问题，且如果继续减小压边力可能会导致起皱。
c.由于压边力的减小对拉裂情况的改善不是很明显，且压边力不能过小，所以将压边力设置为初始值，在压边圈上设置四段等效拉深筋，拉深筋
12a
分布图如图 所示，采用半圆形拉深筋，该拉深
4mm 4mm
筋的高度设置为 ，圆角半径为 ，根据板料厚度和材料计算出阻力大小的经验值，这个力
435.0 N，拉深筋的阻力系数值
是完全锁模力值，为
20%，仿真结果如图12b、图12c
为 所示。可以看出增设拉深筋之后，进料情况得到改善，拉裂部分面积减小。3 000 kn，仿真结果如
d.继续将压边力减小至
13
图 所示，从成形极限图可以看出冲压结果得到改善，但是在零件的边角部分仍有破损，从厚度分
0.609 mm，减薄
布图看到，变形后最薄处的厚度为
39.1%，根据经验判断这部分在生产中会出现
率为
1.145 mm，增厚率14.5%，
破裂现象，最厚处厚度为增厚的部分基本为工艺补充部分，在拉深和整形之后会修边去掉。5 0.609 mm
e.由于第 次仿真零件最薄处为 ，
30%
超过合理的最大减薄率 ，将压边力减小为
1 800 kn, 14
仿真结果如图 所示。这次仿真结果显示在压边力减小之后，不仅
0.704 mm，减
没有了拉裂的部分，且零件最薄处为
薄率也得到了改善，少量起皱部分分布在法兰区域，满足生产要求。
通过上述多次仿真，可以看出工艺参数对冲压成形仿真结果的影响，单纯的减小压边力对拉裂情况的改善不大，而且由于压料面形状特殊，压边力过大会导致板料产生褶皱，增设拉深筋可以改善材料的流动状况以及板料的成形情况。5 结束语侧围外板是车身大型外覆盖件，对冲压成形Dynaform
要求比较高，利用 软件对侧围外板进行冲压成形仿真，通过选取合适的压边力、增设拉深筋，避免了生产过程中可能出现的拉裂、起皱的问题。
有限元数值仿真技术在车身上的应用已经越来越广泛，数值仿真技术可以模拟零件冲压成形过程，检查可能发生的缺陷，从而进行改良设计，减少了试验时间与设计成本，对实际的生产过程具有指导作用。
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