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基于自适应模拟的变压边力优化技术研究

王武荣  
【摘要】: 近年来,铝合金和高强度钢板等轻量化材料大量用于汽车车身覆盖件冲压,以降低车身质量,从而减少排放和耗油。但是相对传统低碳钢板,这些轻量化材料成形能力明显降低,在传统工艺下容易产生起皱和破裂等成形缺陷,给制造业带来巨大的挑战。通过调整压边力这一工艺参数可简单而有效地提高这些难成形材料的成形性能,国内外学者和工程师对此进行了较为深入的研究,取得了许多成果。然而直至今天,变压边力技术仍然未在工业界实际生产中得到广泛应用。变压边力优化技术,尤其是随行程和位置联动的高效变压边力优化技术是限制这一方法用于生产的重要因素之一。本文针对这一问题,进行了系统的研究,从压边力成形窗口出发,采用PID反馈技术建立了变压边力优化自适应模拟模型,实现了随冲压行程和位置同时对压边力进行优化,该模型在圆杯、矩形盒、阶梯盒和行李箱盖内板等零件上的变压边力优化和实验验证表明,该优化技术可有效改善铝合金用于这些零件的成形性能。 首先,从压边力成形窗口的一般形式出发,考虑板料在变压边力下的拉深极限将压边力成形窗口扩展为可行压边力成形窗口和不可行压边力成形窗口,并讨论了压边力成形窗口的两种建立方法。在此基础上,通过分析起皱临界和破裂临界压边力控制策略,确定了综合考虑冲压成形质量指标的优化变压边力路径。 紧接着,考虑各向异性和不同冲压行程的弯曲包角,将其用于杯形件载荷推导和破裂失效判定,通过力学推导建立了杯形件破裂临界压边力理论预测模型,结合前人的研究推导得到杯形件的理论压边力成形窗口。通过不同组合下临界变压边力路径的成形零件质量比较和分析,对优化变压边力工程路径进行了验证。 然后,在讨论包括法兰边起皱和侧壁起皱、破裂、抗凹性和回弹等冲压成形质量指标评价方法的基础上,借助有限元数值自适应模拟和控制领域的PID算法,在成形大部分行程通过反馈优化模拟控制压边力使板料进入临界起皱确保材料尽量流入模腔参与成形,在成形后期则施加破裂临界压边力使应变得到有效强化和均匀分布,从而实现了整个冲压行程的压边力优化;而在同一成形行程根据位置施加多个PID反馈控制器和反馈回路,则实现了该行程下随位置的压边力优化。将这一模型施加于整个冲压行程,从而实现随行程和位置的压边力联动优化,建立变压边力优化模型。 其次,通过有限元模拟的重启动分析模块实现压边力优化自适应模拟,并建立了以杯形件为代表的整体压边圈冲压件、以矩形盒和阶梯盒为代表的分块压边圈冲压件,在采用6111-T4铝合金板料时随行程和位置变化的优化压边力。另外还用恒压边力优化设计方法获得了矩形盒形件和阶梯盒形件在恒压边力下的最大拉深深度。上述优化结果都通过变压边力压机的实验验证,实验结果与优化模拟结果相符,采用变压边力能有效提高铝合金的最大拉深深度,表明本文提出的可控压边力优化模型的有效性。 最后,本文将该压边力优化应用于真实的汽车车身冲压件——行李箱盖内板。该零件来自于NumiSheet’05年标准考题,为尽量还原真实情况,优化模拟中采用了真实的几何拉深筋模型。首先为该零件设计分块压边圈,而后采用变压边力优化算法进行优化,建立其不同位置的11块分块压边圈随行程变化的优化压边力曲线,板料采用标准考题提供的6111-T4铝合金。优化变压边力下模拟成形的零件与恒压边力成形零件之间的对比表明:采用分块压边圈优化变压边力能够使零件的最大减薄有效降低,并获得更均匀的成形零件厚度分布,改善了该零件采用铝合金板料时的成形性能。 本文针对随行程和位置同时变化的压边力优化难题,结合数值模拟和PID控制算法,利用反馈优化模拟,建立了随行程和位置变化的压边力优化模型,可适用于简单的验证零件和复杂的真实零件变压边力优化,为变压边力工艺控制提供了新的优化方法和设计技术,有效改善了铝合金的成形性能,并能扩展用于其他难成形材料,为变压边力成形用于实际生产奠定一定技术基础。


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