CN104809304A - 一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法 - Google Patents

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CN104809304A CN201510237918.2A CN201510237918A CN104809304A CN 104809304 A CN104809304 A CN 104809304A CN 201510237918 A CN201510237918 A CN 201510237918A CN 104809304 A CN104809304 A CN 104809304A
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张文彦
谢晖
张敏
王东福
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Abstract

本发明涉及汽车结构件冲压技术领域，具体地说是一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法。一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、建立数学模型；步骤二、确定设计方法；步骤三、划分网格；步骤四、仿真；步骤五、选取近似模型；步骤六、优化；步骤七、组合仿真。同现有技术相比，通过建立各压边块间隙与成形质量之间的数学模型，结合试验设计方法、响应面技术和多目标优化方法得到最优压边块间隙组合，改善铝板冲压成形过程中的起皱和拉裂，为铝板的冲压成形工艺优化提供了一种具有创新性和可行性的方法。

Description

一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法
技术领域
    本发明涉及汽车结构件冲压技术领域，具体地说是一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法。
背景技术
轻量化是现代汽车设计制造的必然趋势。整车质量减小10%的情况下燃油效率能够提高6%至8%，油耗能够降低6%至10%，不仅提高了资源利用率，也减小了大气污染。与此同时，汽车的相关性能将明显提高，使用寿命也会延长。普通轿车车身质量达到整车质量的一半，减轻车身质量对整车轻量化意义重大。
目前车身轻量化的主要途径是采用轻质材料。铝合金材料强度高、密度小，在满足同等力学性能条件下质量比钢减少60%，发生碰撞时比钢多吸收50%的能量，铝板正逐渐取代钢板成为汽车车身的主要材料。20世纪90年代末期，就已出现了从发动机罩、翼子板等部分车身铝外板逐步发展为车身全部采用铝外板的轿车，相对钢板获得了减重40～50%的效果。欧美铝工业较发达，所以欧美在汽车铝化方面走在前头。德国奥迪A8型轿车车身均采用铝材制造，框架采用立体框架式结构，覆盖件为铝板冲压而成，曾被评为1994年全世界重要科技成果100项之一。这种铝车身与钢车身相比，质量减轻30％ ～50％，油耗减低5％～8％。日本本田公司生产的轿车车身用铝合金达162kg，比钢车身减重约40％。
虽然铝板作为车身材料已被应用，但其冲压成形仍然存在很多问题。铝合金板在材料参数、失效准则、硬化规律等多个方面均与普通钢板有较大区别，铝合金较之钢板极限延伸率和弹性模量低，局部拉延性比钢板差，在冲压成形过程中容易出现起皱和拉裂等成形缺陷。因此，板料成形工艺的优化一直是国内外学者研究的热点。
变压边力技术是改善板料成形性能的重要方法。Tetsuya Yagami等人在3个液压缸上使用36个压边力控制模块来控制材料的流动，优化了压边力；Kozo Osakada 通过控制FEM确定了最优压边力加载曲线；龚志辉等人结合响应面技术和遗传算法获得了随行程变化的最优变压边力曲线；孙成智等人基于M-K法研究了变压边力对铝板冲压成形过程的应变路径的影响，结果表明随时间渐增的变压边力能提高杯形拉深件的成形性能；陈关龙等人通过数值模拟研究了随位置变化的压边力对矩形盒形件成形质量的影响；包友霞等人改进了基于网格法和单纯形法的混合算法，结合仿真软件优化了一球头柱形杯零件的变压边力方案，减小了其局部最大减薄率。
尽管板料成形的变压边力技术已经取得了很大成效，但变压边力的实现对压机的要求比较高。对于普通压机，要实现变压边力不仅难度大，而且成本高，不能满足实际生产的需求。在冲压过程中，压边间隙直接决定了压边力的大小，因此国外某些学者提出了变间隙压边的成形工艺技术。但是目前的研究只是针对孤立的样本点进行分析，没有针对优化目标求解最优参数组合。鉴于此，本发明提出先建立各压边块到凹模的间隙值与成形质量之间的数学模型，然后结合试验设计方法、响应面近似模型技术和多目标优化方法搜寻最优解，为铝板冲压的成形工艺优化提供了一种新的手段。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法。
为实现上述目的，设计一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、建立数学模型：确定自变量及优化目标，建立各压边块到凹模的间隙值与成形质量之间的数学模型；
步骤二、确定设计方法：根据试验因素、各因素水平以及试验次数确定一种试验设计方法安排采样；
步骤三、划分网格：结合实际工况、定义材料参数、运动参数、摩擦系数来进行划分网格，所述的划分网格为有限元网格划分；
步骤四、仿真：根据划分网格所限定的条件对采样结果进行数据模拟仿真，得到板料的厚度分布图；
步骤五、选取近似模型：建立优华问题的近似模型；
步骤六、优化：根据所建立的近似模型，运用一种优化计算方法得到最优解；
步骤七、组合仿真：在其他仿真条件不变的情况下，采用最优解中的参数进行组合仿真，验证该方法的可行性。
所述的建立数学模型包括如下步骤，
步骤一、模型准备：了解产品的实际背景，弄清产品的特征，明确建模目的及搜集建模所需的数据信息；
步骤二、模型假设：根据产品的特征和建模的目的对产品进行合理的简化，用精确的语言作出假设；
步骤三、模型构成：根据假设分析的因果关系和内在规律，选择适当的数学工具构造各个量之间的关系；
步骤四、模型求解：采用画图形或者解方程或者逻辑分析或者数据计算对模型求解；
步骤五、模型分析：对模型求解的结果进行误差分析、模型对数据的稳定性分析或者灵敏性分析；
步骤六、模型检验：将模型分析的结果翻译回归到实际情况中，与实际的数据和现象进行比较，检验模型的适用性及合理性。
所述的确定设计方法为全因子设计或者中心复合设计或者均匀设计或者正交设计或者拉丁超立方设计。
所述的有限元网格划分的具体步骤如下，
（1）将UG软件或者CATIA软件中做好工具体和板料曲面转换成IGS格式；
（2）将IGS格式导入DYNAFORM软件中；
（3）在DYNAFORM软件中点击前处理模块中的曲面网格划分命令，当划分工具体网格时选择TOOL MESH命令，当划分板料则选择PART MESH命令；
（4）网格划分进行检查单元的重量。
所述的有限元网格划分的方法为映射法或者Delaunay三角形剖分法或者四叉树法。
所述的数据模拟的算法为静力隐式算法或者动力显示算法，仿真所用的软件为DYNAFORM5.9。
所述的选取近似模型的方法为多项式响应面模型或者人工神经网络模型或者Kriging模型。
所述的优化计算方法为粒子群算法或者遗传算法或者蚁群算法。
所述的优化计算方法所用的软件为Isight5.7。
本发明同现有技术相比，通过建立各压边块间隙与成形质量之间的数学模型，结合试验设计方法、响应面技术和多目标优化方法得到最优压边块间隙组合，改善铝板冲压成形过程中的起皱和拉裂，为铝板的冲压成形工艺优化提供了一种具有创新性和可行性的方法。
附图说明
图1为本发明优化方法流程图。
图2为产品模型示意图。
图3为压边圈分块图。
图4为Pareto最优解集示意图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，包括如下步骤，
步骤一、建立数学模型：确定自变量及优化目标，建立各压边块到凹模的间隙值与成形质量之间的数学模型；
步骤二、确定设计方法：根据试验因素、各因素水平以及试验次数确定一种试验设计方法安排采样；
步骤三、划分网格：结合实际工况、定义材料参数、运动参数、摩擦系数来进行划分网格，所述的划分网格为有限元网格划分；
步骤四、仿真：根据划分网格所限定的条件对采样结果进行数据模拟仿真，得到板料的厚度分布图；
步骤五、选取近似模型：建立优华问题的近似模型；
步骤六、优化：根据所建立的近似模型，运用一种优化计算方法得到最优解；
步骤七、组合仿真：在其他仿真条件不变的情况下，采用最优解中的参数进行组合仿真，验证该方法的可行性；即网格划分方法及其质量要求、工具***置、板料的材料及位置、摩擦系数、拉延筋、过程参数和控制参数等不变，用得到的最优参数组合重新建立压边圈的有限元模型进行仿真。比较优化前后零件产品区域的最大减薄率和最小增厚率，如果优化后的最大减薄率和最小增厚率减小则优化结果可接受，反之则需重新安排采样和建立近似模型进行优化。
建立数学模型包括如下步骤，
步骤一、模型准备：了解产品的实际背景，弄清产品的特征，明确建模目的及搜集建模所需的数据信息；
步骤二、模型假设：根据产品的特征和建模的目的对产品进行合理的简化，用精确的语言作出假设；简化主要是将影响求解目标的辅助工艺和人为添加的结构特征去掉，避免次要因素对结果造成的误差。作假设的依据通常是处于对问题内在规律的认识和对数据或现象的分析，一般情况下实际问题不经过假设很难将其翻译成数学问题，作出的假设不同建立的数学模型会不同，假设过于简单或者不合理会导致模型部分失败或完全失败，此时应该补充和修改假设；假设过于详细则会使数学模型难以建立，因此，作假设时不仅要充分运用与实际问题相关的科学知识，还要充分发挥想象力和洞察力，结合个人经验，分清问题主次，抓住主要因素，舍弃次要因素，尽量将问题均匀线性化；
步骤三、模型构成：根据假设分析的因果关系和内在规律，选择适当的数学工具构造各个量之间的关系；
步骤四、模型求解：采用画图形或者解方程或者逻辑分析或者数据计算对模型求解；
步骤五、模型分析：对模型求解的结果进行误差分析、模型对数据的稳定性分析或者灵敏性分析；有时需要根据问题的性质分析变量间的依赖关系或稳定状况，有时是根据所得结果给出数学上的预报，有时要给出数学上的最优决策或控制，所有情况通常都需要进行误差分析、模型对数据的稳定性分析或灵敏性分析等；
步骤六、模型检验：将模型分析的结果翻译回归到实际情况中，与实际的数据和现象进行比较，检验模型的适用性及合理性；检验结果若与实际部分或完全不符合，则应该补充和修改假设，重新建模，不断完善直至检验结果与实际达到一定的满意程度。
所述的确定设计方法为全因子设计或者中心复合设计或者均匀设计或者正交设计或者拉丁超立方设计。
有限元网格划分的具体步骤如下，
（1）将UG软件或者CATIA软件中做好工具体和板料曲面转换成IGS格式；
（2）将IGS格式导入DYNAFORM软件中；
（3）在DYNAFORM软件中点击前处理模块中的曲面网格划分命令，当划分工具体网格时选择TOOL MESH命令，当划分板料则选择PART MESH命令；
（4）网格划分进行检查单元的重量；其中，前处理模块中有单元修补的子模块，可分别对单元的法向、单元边界、长宽比、单元内角、单元尺寸、翘曲角度进行检查。如果存在质量不满足要求的单元则需要通过前处理当中的相关命令修补或重新划分单元直至满足要求。
    在DYNAFORM菜单栏的自动设置中选择板料成形，弹出的界面可设置工序内容，定义工作坐标系、工具***置、板料的材料及位置、摩擦系数、拉延筋、每道工序的过程参数和控制参数等。工具体的位置可直接选择自动定位，拉延筋、板料的材料、摩擦系数、压边力以及成形力等跟实际生产中的工艺文件保持一致。板料的材料可从材料库中选择，如果材料库中没有实际选用的材料则可根据材料的性质编辑其属性。控制参数中可设置单元划分的最大自适应等级，一般选择4级。
有限元网格划分的方法为映射法或者Delaunay三角形剖分法或者四叉树法。
数据模拟的算法为静力隐式算法或者动力显示算法，仿真所用的软件为DYNAFORM5.9。
选取近似模型的方法为多项式响应面模型或者人工神经网络模型或者Kriging模型。
优化计算方法为粒子群算法或者遗传算法或者蚁群算法。
优化计算方法所用的软件为Isight5.7。
本发明提出了一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，具有一定的创新性和可行性。
对于一个优化问题，建立问题的数学模型非常重要。本发明属于成形性优化，而铝板材料参数、失效准则、硬化规律等多方面与普通钢板的区别，在冲压过程中易出现起皱和拉裂等成形缺陷，且通常出现在过度增厚和减薄的区域，故以成形后产品区域的最大厚度值和最小厚度值作为优化目标。自变量为各压边块到凹模之间的距离，即压边间隙。各压边块的压边间隙取值范围都相同，为1.0t~1.8t，其中t为原始料厚。
建好数学模型之后运用试验设计方法安排采样仿真。试验设计能够避免重复抽样，提高计算效率和优化水平。本发明采用拉丁超立方试验设计方法安排采样。仿真软件用的是DYNAFORM，仿真过程中凹模、压边圈、凸模等工具体设置为刚体材料模型，网格单元采用四边形BT壳单元，单元尺寸为0.5mm~30mm，划分过程中为了提高模型精度和计算速度，在某些结构比较复杂的区域允许出现三角形单元。板料设置为三参数Barlat材料模型，单元划分采用四边形BT壳单元，单元尺寸为0.1mm~10mm，过渡区域允许采用三角形单元，但数目应控制在单元总数的5%以内。单元划分好之后，还需要检查单元质量和其法向。工具体与板料之间的摩擦系数跟材料和润滑剂的使用密切相关，取值范围为0.05~0.2。工具体的模拟运行速度取值范围为500mm/s~5000mm/s。整个成形过程选用动力显式算法进行计算。
近似模型能在设计空间内将存在的对应关系全面反映出来，型的计算结果和数值模拟或实验的结果很相近。本发明选用二次多项式响应面法建立近似模型，但是模型的精度受近似函数的阶数、子域空间大小、样本点数目及其分布所影响，因此在基于采样仿真结果把近似模型建立好之后还需要对其进行精度检验。通常采用决定系数R2和调整后的决定系数Ra2作为检验标准，其值越接近于1模型越精确。
粒子群算法是冲压领域应用较多的一种优化算法。对于多目标优化问题，比较常用的是由Ceollo等人提出的基于Pareto支配的多目标粒子群优化算法。该算法的主要参数有：惯性权重，一般取0.4；个体学习速率和全局学习速率，取0到1之间的随机数；种群大小，取值20到200之间。优化完成之后，绘制Pareto图，从Pareto前沿中选取离“理想点”距离最小的点作为最优解。最后通过最优解重新仿真来检验优化方法的准确性。
目前变压边力技术是优化铝板成形性能的主要方法，包括随行程变化的最优压边力曲线和随位置变化的最优压边力组合。而对于普通压机而言，变压边力的实现不仅难度大，而且成本高，难以满足实际生产的需求。而压边力实际上是由压边间隙直接决定的，因此有学者提出了变间隙压边的成形工艺技术。但是目前的研究在对压边块的压边间隙优化是在相关经验的基础上不断尝试得到的，整个过程需要大量试验，而且不能对间隙值做到精确控制；或是采用正交试验方法对一些孤立数据点进行分析，得到的不一定是全局最优解。本发明提出先建立各压边块到凹模的间隙值与成形质量之间的数学模型，然后结合试验设计方法、响应面近似模型技术和多目标优化方法搜寻最优解，为铝板冲压的成形工艺优化提供了一种新的手段。
通过建立各压边块间隙与成形质量之间的数学模型，结合试验设计方法、响应面技术和多目标优化方法得到最优压边块间隙组合，改善铝板冲压成形过程中的起皱和拉裂，为铝板的冲压成形工艺优化提供了一种具有创新性和可行性的方法。
实施例一
如图2至图4所示，以某轿车车身铝制内板为例，将冲压过程中产品区域的最大厚度值和最小厚度值作为目标函数进行压边块间隙优化。
零件模型如图2所示，零件材料牌号GMW15192M-AL-S-6000-S-90-U；初始板料厚度t0=1.2mm；弹性模量E=70GPa；屈服强度σs=130.0MPa；抗拉强度σb=218.1MPa；厚向各向异性系数r=0.57；硬化指数n=0.206。
有限元软件选用DYNAFORM，由于该零件是左右件，在冲压过程中左右件合模，所以其有限元模型是对称的。模拟过程中摩擦系数为0.125；凹凸模间隙为1.1t，其中t为初始料厚；压边圈的行程为20mm；压边力为200kN；成形力为480kN。单元划分时，工具体选择四边形BT壳单元，单元尺寸为0.5mm~30mm；板料选择四边形BT壳单元，单元尺寸为0.1mm~3mm。单元划分完成之后，凹模的单元数量为6811，其中三角形单元数量为2099；凸模单元数量为5321，其中三角形单元数量为1600；压边圈单元数量为1556，其中三角形单元数量为550；板料单元的数目为35662，其中三角形单元的数目为33。在其它仿真条件都设置完成之后，首先进行等间隙压边的模拟，即压边圈与凹模之间的间隙值为1.1t。由于只考虑产品区域的厚度值，所以在成形序之后增添了修边序。
根据产品的结构特征以及等间隙压边的仿真结果将压边圈分块，分块结果如图3所示。由于压边圈是对称的，所以实际自变量的数目为8。根据实际生产经验，压边间隙的取值范围为1.05t≤xi≤1.25t。利用拉丁超立方试验设计方法抽取60组样本点安排仿真，仿真条件与等间隙仿真条件设为一致。由于各压边块是离散的，且与凸模之间的间隙值不同，为方便仿真在各压边块之间留有5mm宽的间隙设计过渡面，把离散的压边块连接成了连续的曲面。
基于采样仿真的结果建立二次多项式响应面近似模型，其数学表达式如式（1）和式（2）所示。式中：x1、x2 、x3、x4、x5、x6、x7、x8分别为压边块A、B、C、D、E、F、F、G、H与凹模之间的距离。两个近似模型的决定系数和调整后的决定系数分别为：R1 2 =0.944，R1a 2=0.928，R2 2=0.977，R2a 2=0.949。四个数值均接近1，由此可见所构造的近似模型具有较高精度；
Y1=1.794-1.369x1+1.309x2-1.152x3+1.722x4+0.461x5-0.969x7-1.185x8-0.254x2 2+0.388x3 2-0.521x4 2-0.43x5 2-0.256x6 2+0.516x7 2+0.363x8 2+0.185x1x2+0.369x1x3+0.191x1x5+0.156x1x6-0.195x2x4+0.138x2x5-0.1x2x6-0.141x2x7-0.256x2x8-0.28x3x4+0.12x3x5+0.128x3x6-0.113x3x7+0.132x4x7+0.164x4x8+0.162x5x6-0.194x5x7+0.155x5x8+0.122x6x7+0.103x6x8                                                            （1）；
Y2=6.6+1.252x1-0.368x2-1.469x3-0.320x4-0.683x5-1.952x6-3.034x7-1.100x8+0.106x1 2+0.798x2 2+0.616x3 2+0.105x4 2-0.749x5 2-0.285x6 2-0.302x7 2-0.305x8 2-1.066x1x2-0.334x1x3-0.66x1x4+0.141x1x5-0.154x1x6+0.430x1x70.470x1x8-0.249x2x3-0.184x2x4+0.223x2x5+0.149x2x7-0.261x2x8+0.5596x3x5+0.102x3x6-0.383x3x8-0.217x4x5+0.147x4x6+0.357x4x7+0.482x4x8+1.096x5x7+0.238x5x8+0.886x6x7+0.992x6x8        （2）。
根据所构建的二次多项式响应面近似模型，利用多目标粒子群算法对压边块间隙值进行优化。MOPSO算法的参数设置为：惯性系数w=0.4，种群粒子数m=100，个体学习速率和全局学习速率均为0.5，最大收敛步数为100，外部档案容量为100。优化得到的Pareto解集如图4所示。采用最小距离法，即最优解集中到“理想点”A距离最小的粒子B作为最优解。点B的压边块间隙组合为：x1=1.469mm，x2=1.458mm，x3=1.389mm，x4=1.44mm，x5=1.392mm，x6=1.329mm， x7=1.395mm，x8=1.292mm。
利用最优参数组合重新构造有限元模型安排仿真，厚度分布图显示最大厚度值为1.257mm，最小厚度值为0.967mm。优化前的等间隙压边，最大厚度值为1.288mm，最小厚度值为0.957mm。对比优化前后的厚度分布可知，最大减薄率由20.25%减小至19.42%，避免了拉裂；最大增厚率由7.33%减小至4.75%，起皱趋势明显改善。因此证明本发明提出的基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法是有效的。

Claims (9)

1.一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、建立数学模型：确定自变量及优化目标，建立各压边块到凹模的间隙值与成形质量之间的数学模型；
步骤二、确定设计方法：根据试验因素、各因素水平以及试验次数确定一种试验设计方法安排采样；
步骤三、划分网格：结合实际工况、定义材料参数、运动参数、摩擦系数来进行划分网格，所述的划分网格为有限元网格划分；
步骤四、仿真：根据划分网格所限定的条件对采样结果进行数据模拟仿真，得到板料的厚度分布图；
步骤五、选取近似模型：建立优华问题的近似模型；
步骤六、优化：根据所建立的近似模型，运用一种优化计算方法得到最优解；
步骤七、组合仿真：在其他仿真条件不变的情况下，采用最优解中的参数进行组合仿真，验证该方法的可行性。
2.根据权利要求1所述的一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：所述的建立数学模型包括如下步骤，
步骤一、模型准备：了解产品的实际背景，弄清产品的特征，明确建模目的及搜集建模所需的数据信息；
步骤二、模型假设：根据产品的特征和建模的目的对产品进行合理的简化，用精确的语言作出假设；
步骤三、模型构成：根据假设分析的因果关系和内在规律，选择适当的数学工具构造各个量之间的关系；
步骤四、模型求解：采用画图形或者解方程或者逻辑分析或者数据计算对模型求解；
步骤五、模型分析：对模型求解的结果进行误差分析、模型对数据的稳定性分析或者灵敏性分析；
步骤六、模型检验：将模型分析的结果翻译回归到实际情况中，与实际的数据和现象进行比较，检验模型的适用性及合理性。
3.根据权利要求1所述的一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：所述的确定设计方法为全因子设计或者中心复合设计或者均匀设计或者正交设计或者拉丁超立方设计。
4.根据权利要求1所述的一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：所述的有限元网格划分的具体步骤如下，
（1）将UG软件或者CATIA软件中做好工具体和板料曲面转换成IGS格式；
（2）将IGS格式导入DYNAFORM软件中；
（3）在DYNAFORM软件中点击前处理模块中的曲面网格划分命令，当划分工具体网格时选择TOOL MESH命令，当划分板料则选择PART MESH命令；
（4）网格划分进行检查单元的重量。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：所述的有限元网格划分的方法为映射法或者Delaunay三角形剖分法或者四叉树法。
6.根据权利要求1所述的一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：所述的数据模拟的算法为静力隐式算法或者动力显示算法，仿真所用的软件为DYNAFORM5.9。
7.根据权利要求1所述的一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：所述的选取近似模型的方法为多项式响应面模型或者人工神经网络模型或者Kriging模型。
8.根据权利要求1所述的一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：所述的优化计算方法为粒子群算法或者遗传算法或者蚁群算法。
9.根据权利要求1或8所述的一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法，其特征在于：所述的优化计算方法所用的软件为Isight5.7。
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