汽车覆盖件模具设计应用CAE技术分析

孙子祥

摘 要：该文在概述汽车覆盖件特点要求和CAE技术基本知识的基础上，给出了汽车覆盖件模具设计应用CAE技术的一般过程，并结合轿车顶盖形件模具设计应用CAE的实例，具体分析了CAE技术在汽车覆盖件模具设计中的应用。

关键词：汽车覆盖件 模具设计 CAE技术 应用

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0039-01

1 汽车覆盖件和CAE技术概述

汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件。汽车覆盖件模具设计必须采取较高的尺寸精度，保障焊装或组装时的准确性和互换性：形状上要保证质量，不出现压凹痕、褶皱、擦伤等，棱线应清晰、平直，曲线应圆滑、过渡均匀；材料要足够塑性；零件要足够刚性。

CAE技术即计算机辅助工程技术，能够贯穿汽车开发全过程，包括结构分析优化；噪声、振动与不平顺分析；汽车碰撞模拟分析；覆盖件成形性模拟分析等，应用十分广泛，但CAE技术难度大，深度深。

2 汽车覆盖件模具设计应用CAE技术的一般过程

应用CAE技术进行汽车覆盖件模具设计制造需要反复设计，其一般的理论过程主要是：（1）设计零件几何模型。即应用CAE技术，首先要在根据金属塑性成形过程的材料流动规律，在三维CAD软件中设计出零件的几何模型，并设计出压料面和工艺补充面。（2）建立有限元模型。根据上述的成形模具的几乎模型建立有限元模型，进行有限元计算。（3）分析试运行结果。如果不满意分析结果，就需要重新返回三维CAD软件中重新修改零件的几何模型，并将修改或模型再次进行CAE分析，这其中离不开生产有限元网格和设置成形参数。

3 应用实例介绍

以一轮廓尺寸为164 cm×88.5 cm的轿车顶盖形件为例，以此来说明如何应用材料成形冲压CAE技术在汽车覆盖件冲压拉深成形数值模拟仿真过程及其工艺参数优化的应用。

3.1 设计车盖几何模型

进行工艺补充面初步设计，采用平面坯料一次拉伸成形，在UG软件①中建立盖形件三维立体模型，后进行抽面处理，并将添加补充面后的曲面模型（见图1：车盖曲面模型）导入到冲压仿真Dyanform软件中。

3.2 建立有限元模型并分析

采用自适应网格，划分坯料网格，可以采用自适应网格或者曲线划分网格。网格划分的单位数越小，模拟运算板料变形精确度越高，但所需的计算时间也相应地增长。通过网格划分，建立三维零件曲面的有限元模拟模型（见图2：有限元模型）。

3.3 试运行结果分析

采用1/2模型模拟，由于采用平面坯料一次拉伸成形，因此坯料在压边过程出现深度达10 cm以上的严重内凹（见图3：严重内凹），导致过多材料积聚于坯料中间部位，成形车盖中间部位材料变量过小，其刚度会受到严重影响。

3.4 优化设计

针对汽车顶盖件设计出现的上述内凹问题，优化设计可以考虑先预成形，后拉深成形，通过计算，最大主应变值为0.72%，预成形后各板料部位应变量较小，对后续拉深成形影响可以忽略不计，因此，此方案可行。

3.4.1 优化工艺补充面

通常，设计工艺补充面需要相同化板料拉延深度，促使板料均匀流动。针对在此拉深成形模拟中出现的中部板料严重变形问题，可考虑增加中部拉延深度，以避免车盖模具中间位置面积大而曲率小的缺陷，以从其他临近位置补充中间板料。或者将压料面中间位置改为平面，进一步加大中部拉延深度，结果表明，明显改善了成形效果，相应位置模具圆角的修改也很好地解决了模具出现的开裂问题。

3.4.2 优化模具圆角和坯料几何

要提高汽车覆盖件成形效果，采用修改模具圆角是常用方式，但要保障覆盖件的基本性能，本例主要修改了工艺补充面的圆角特征来解决开裂实效问题。而优化坯料的几何形状，则包括优化其尺寸，切开位置，并借助逆向法有限元计算进行估算，以估计出复杂边界零件的坯料几何。轿车顶盖覆盖件由于其边界接近矩形，因此，可以用矩形的板料作为坯料的基本形状并对其进行局部修改以最终实现成形要求。

结果证明，案例中的轿车顶盖覆盖件在应用CAE技术并进行坯料几何和模具圆角的优化设计后，明显改善了轿车顶盖的成形条件并提高了汽车顶盖的冲压成形效果。

参考文献

[1] 陈剑鹤.汽车覆盖件冲压工艺与模具设计[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2] 曹振雨.浅谈汽车覆盖件模具设计与制造[J].精密制造与自动化，2013（2）：54-58.

注释

① 三维建模软件（如Pro/e，UG、CATIA等）的一种。