CN102411641A - 一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法，先是在计算机中构建一个冲压件的理想模型，然后利用数值模拟技术在上述冲压件的理想模型基础上获得一个原始冲压模具的有限元模型，再将该原始冲压模具的有限元模型进行小量等距偏置处理，获得新模具有限元模型；接着再采用数值模拟技术对两套模具冲压成形及回弹仿真，导出回弹分析的网格数据；而后将两组模具所对应冲压件的回弹前及回弹后网格数据，分别进行离散傅立叶变换，并利用线性系统的频域传递函数概念，来计算获得补偿修正后的模具型面，最终获得理想冲压件对应的理想模具CAD型面。该方法通过对模具型面进行回弹补偿的数值模拟，得到能够消除制件因回弹而造成的几何误差的修正模具尺寸，从而获得形状精度高的冲压件。

Description

一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法

技术领域

本发明涉及薄板冲压成形技术领域，特别是涉及一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法。

背景技术

板料冲压是汽车覆盖件的主要成形方法，回弹是板材冲压成形过程的主要缺陷之一，严重影响着成形件的尺寸精度，是冲压模具设计中要考虑的关键因素。

传统冲压模具设计时基于试错法解决回弹问题，由于不同覆盖件的差异较大，因而设计周期长，成本高。这种方法需要操作者有很高的技能和丰富的经验，并且成功与否伴有一定的偶然性。近年来，基于安全性、经济性和环保要求，汽车覆盖件中大量采用高强钢和铝合金板材。与普通低碳钢板相比，此类板材具有高的弹性模量和比强度，导致其应用于覆盖件时回弹问题愈发突出。

所谓回弹，是指冲压件从模具中退出后，冲压件内弹性应力释放所造成的零件尺寸、形状的变化。在工程实践中，解决汽车覆盖件回弹问题一般有二种方法：一种是通过调整工艺参数来减少回弹量，如设置合理的压边力、模具间隙及拉延筋等；另一种是采用模具补偿的方法来消除因回弹造成的几何误差，即在考虑回弹量的前提下，对模具型面进行预修正，使得冲压件回弹后的形状刚好满足设计要求。

如要进行回弹补偿，需获得回弹前、回弹后形状测量其回弹量。在工程实际中，回弹量是难以得到的，主要问题是冲压件回弹前形状无法测量，即使用冲压模具形状来近似代替，也存在模具型面与冲压件之间点-点对应关系无法确定的难题。

传统基于生产试验的模具补偿法，由于无法获得回弹量大小，所以采用反复试错的方法进行修正，且每次模具补偿都需要多次修模、试模，因此存在成本高、效率低、周期长等缺点，严重制约了模具工业的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法，是基于有限元理论及计算机技术，采用数值模拟技术来对回弹现象进行处理，通过对模具型面进行回弹补偿的数值模拟，得到能够消除制件因回弹而造成的几何误差的修正模具尺寸，从而获得形状精度高的冲压件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法，包括如下步骤：

A.在计算机中构建一个冲压件的理想模型，得到该理想冲压件的型面数据，标记为y_理想；

B.在计算机中采用数值模拟软件对上述冲压件的理想模型进行冲压模具设计的处理，从而获得一个原始冲压模具的有限元模型；

C.在计算机中对上述原始冲压模具的有限元模型进行小量等距偏置处理，从而获得一个具有小量等距偏置的新模具有限元模型；

D.在计算机中以相同的冲压工艺参数采用数值模拟软件对原始冲压模具的有限元模型和新模具有限元模型分别进行冲压成形及回弹仿真处理，获得原始冲压模具的有限元模型和新模具有限元模型的仿真结果；

E.在计算机中对原始冲压模具的有限元模型的仿真结果和新模具有限元模型的仿真结果分别进行网格数据导出处理，得到原始冲压模具所对应冲压件的回弹前及回弹后网格数据和新模具所对应冲压件的回弹前及回弹后网格数据；其中，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹前网格数据标记为x₀，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹后网格数据标记为y₀，将新模具所对应冲压件的回弹前网格数据标记为x₁，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹后网格数据标记为y₁；同时，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹前网格数据x₀等同于原始冲压模具型面的网格数据及理想冲压件型面y_理想网格数据，将新模具所对应冲压件的回弹前网格数据x₁等同于新模具型面的网格数据；

F.在计算机中对原始冲压模具型面(也是理想冲压件型面)、新模具型面、原始冲压模具的冲压件型面、新模具的冲压件型面分别进行离散傅立叶变换，得到：DFT(x₀)，DFT(x₁)，DFT(y₀)和DFT(y₁)；

G.在计算机中设定补偿修正后的模具型面的网络数据为x_修，则DFT(x_修)由下列公式求得：

H.在计算机中再对x_修进行傅立叶逆变换，则修正后的模具型面形状x_修由下列公式获得：

x_修＝IDFT(DFT(x_修))；

I.在计算机中再利用逆向设计软件对离散节点数据文件x_修进行曲面重构，则可获得理想冲压件y_理想对应的理想模具CAD型面。

本发明的一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法，所进行的小量等距偏置的偏置量为向外或向内偏置距离小于0.5mm。

本发明的一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法，是将板料冲压成形过程抽象为输入端为模具形状和冲压工艺参数，输出端为冲压件形状的一个控制系统。输入端用变量X表示(X＝(x，Г)，其中x表示模具型面几何形状，Г表示冲压工艺参数，表示输入端变量X由模具型面几何形状x及工艺参数Г共同决定)；输出端用变量y表示。则冲压成形过程可用方程(1)表示，此方程是高度非线性的。

y＝F(X)            (1)

考虑到模具回弹补偿实际上就是对模具型面初始形状x₀的修正，修正后模具的型面形状为x₀+Δx。将(1)式在初始冲压状态点X₀＝(x₀，Г₀)的邻域内展开成泰勒级数，由于回弹补偿时，模具的修正量很小，即在模具型面形状的小量变化以及冲压工艺参数保持不变的情况下，可以略去ΔX的高次项，得到：

Δy＝G(X₀)·ΔX                    (2)

式(2)中

是在初始状态附近的线性近似，G(X₀)为输入端X(模具型面几何形状(x)及冲压工艺参数(Г))与输出端y(冲压件几何形状)的传递函数，当冲压工艺参数Г保持不变时，G(X₀)记为G(x₀)，其物理含义为模具几何形状的小量变化Δx与冲压件几何形状的小量变化Δy在初始状态近似成线性关系，将G(x₀)称为形状传递函数。

对小量变化的两组模具型面(x₀、x₁)和冲压件型面(y₀、y₁)分别进行离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，缩写为DFT)变换后，上式(2)可表示为：

DFT(Δy)＝G·DFT(Δx)                (3)

其中： $\begin{array}{c}\mathrm{DFT}\left(\mathrm{\Δy}\right)=\mathrm{DFT}\left(y_1\right)-\mathrm{DFT}\left(y_0\right)\\ \mathrm{DFT}\left(\mathrm{\Δx}\right)=\mathrm{DFT}\left(x_1\right)-\mathrm{DFT}\left(x_0\right)\end{array}---\left(4\right)$

传递函数G通过两组冲压回弹模拟试验即可获得，这个过程实际上是系统辨识的过程。由(3)式和(4)式得到传递函数为：

$G=\frac{\mathrm{DFT}\left(\mathrm{\Δy}\right)}{\mathrm{DFT}\left(\mathrm{\Δx}\right)}=\frac{\mathrm{DFT}\left(y_1\right)-\mathrm{DFT}\left(y_0\right)}{\mathrm{DFT}\left(x_1\right)-\mathrm{DFT}\left(x_0\right)}---\left(5\right)$

假设补偿修正后的模具型面为x_修(待求量)，也在上述相同的冲压工艺条件下(只有模具型面微小不同)进行冲压模拟，能得到的冲压件为理想形状y_理想，同时，将理想冲压件形状y_理想等同于模具型面x₀，则由(5)式应用传递函数概念得到下式：

联立式(5)和式(6)得到：

整理后可得到补偿修正后的模具型面x_修：

最后对x_修进行傅立叶逆变换即可得到修正后的模具型面形状x_修：

x_修＝IDFT(DFT(x_修))        (8)

利用逆向设计软件对离散节点数据文件x_修进行曲面重构，则可获得理想冲压件y_理想对应的理想模具CAD型面。

本发明的有益效果是，由于采用了数值模拟技术来对汽车覆盖件冲压回弹现象进行处理，先是在计算机中构建一个冲压件的理想模型，然后利用数值模拟技术在上述冲压件的理想模型基础上获得一个原始冲压模具的有限元模型，再将该原始冲压模具的有限元模型进行小量等距偏置处理，获得新模具有限元模型；接着再采用数值模拟技术对两套模具冲压成形及回弹仿真，导出回弹分析的网格数据；而后将两组模具所对应冲压件的回弹前及回弹后网格数据，分别进行离散傅立叶变换，并利用线性系统的频域传递函数概念，来计算获得补偿修正后的模具型面，最终获得理想冲压件y_理想对应的理想模具CAD型面。该方法通过对模具型面进行回弹补偿的数值模拟，得到能够消除制件因回弹而造成的几何误差的修正模具尺寸，从而获得形状精度高的冲压件。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明板料冲压控制模型示意图；

图2是本发明汽车覆盖件冲压模具回弹误差补偿流程图；

图3是本发明冲压模具为初始型面数据时的有限元模型图；

图4是本发明冲压模具为小变形型面(小量等距偏置)数据时的有限元模型图；

图5是本发明初始模具型面对应的冲压件仿真结果示意图；

图6是本发明小变形(小量等距偏置)后模具型面对应的冲压件仿真结果示意图；

图7是本发明初始模具型面对应的冲压件回弹量示意图；

图8是本发明小变形(小量等距偏置)后模具型面对应的冲压件回弹量示意图；

图9是本发明修正后的模具形状示意图；

图10是本发明最终的冲压件与冲压件理论模型误差分析示意图；

具体实施方式

实施例，参见图2所示，本发明的一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法，包括如下步骤：

A.在计算机中构建一个冲压件的理想模型，得到该理想冲压件的型面数据，标记为y_理想；

B.在计算机中采用数值模拟软件对上述冲压件的理想模型进行冲压模具设计及处理，从而获得一个原始冲压模具的有限元模型；

C.在计算机中对上述原始冲压模具的有限元模型进行小量等距偏置处理，从而获得一个具有小量等距偏置的新模具有限元模型；

所进行的小量等距偏置的偏置量为向外或向内偏置距离小于0.5mm，比如采用+0.2mm的小量等距偏置；

D.在计算机中以相同的冲压工艺参数采用数值模拟软件对原始冲压模具的有限元模型和新模具有限元模型分别进行冲压成形及回弹仿真处理，获得原始冲压模具的有限元模型和新模具有限元模型的仿真结果；

E.在计算机中对原始冲压模具的有限元模型的仿真结果和新模具有限元模型的仿真结果分别进行网格数据导出处理，得到原始冲压模具所对应冲压件的回弹前及回弹后网格数据和新模具所对应冲压件的回弹前及回弹后网格数据；其中，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹前网格数据标记为x₀，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹后网格数据标记为y₀，将新模具所对应冲压件的回弹前网格数据标记为x₁，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹后网格数据标记为y₁；同时，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹前网格数据x₀等同于原始冲压模具型面的网格数据及理想冲压件型面y_理想网格数据，将新模具所对应冲压件的回弹前网格数据x₁等同于新模具型面的网格数据；

在保证冲压成形模拟结果准确的条件下，冲压件回弹前的网格数据对应该冲压模具的形状，且考虑到回弹前后的网格数据中，节点数相等、各节点编号相对应，故可用网格数据x₀、x₁分别表示两组模具形状，以便与回弹后冲压件建立对应关系；

以上所得为网格及离散的节点数据，没有涉及模具及冲压件形状的具体表达方式。如果直接用一般的离散点或者空间域函数形式表示，则很难用模拟仿真的方法确定形状传递函数G(x₀)。本发明方法将模具型面和冲压件型面通过傅立叶变换在频域表示出来，利用线性系统的频域传递函数概念，可通过模拟仿真辨识形状传递函数G(x₀)；

本发明的是将板料冲压成形过程抽象为输入端为模具形状和冲压工艺参数，输出端为冲压件形状的一个控制系统。输入端用变量X表示(X＝(x，Г)，其中x表示模具型面几何形状，Г表示冲压工艺参数，表示输入端变量X由模具型面几何形状x及工艺参数Г共同决定)；输出端用变量y表示。则冲压成形过程可用方程(1)表示，此方程是高度非线性的；

y＝F(X)        (1)

考虑到模具回弹补偿实际上就是对模具型面初始形状x₀的修正，修正后模具的型面形状为x₀+Δx。将(1)式在初始冲压状态点X₀＝(x₀，Г₀)的邻域内展开成泰勒级数，由于回弹补偿时，模具的修正量很小，即在模具型面形状的小量变化以及冲压工艺参数保持不变的情况下，可以略去ΔX的高次项，得到：

Δy＝G(X₀)·ΔX               (2)

式(2)中

是在初始状态附近的线性近似，G(X₀)为输入端X(模具型面几何形状(x)及冲压工艺参数(Г))与输出端y(冲压件几何形状)的传递函数，当冲压工艺参数Г保持不变时，G(X₀)记为G(x₀)，其物理含义为模具几何形状的小量变化Δx与冲压件几何形状的小量变化Δy在初始状态近似成线性关系，将G(x₀)称为形状传递函数；

F.在计算机中对原始冲压模具型面(也是理想冲压件型面)、新模具型面、原始冲压模具的冲压件型面、新模具的冲压件型面分别进行离散傅立叶变换，得到：DFT(x₀)，DFT(x₁)，DFT(y₀)和DFT(y₁)；

即，对两组模具型面(x₀、x₁)和冲压件型面(y₀、y₁)分别进行离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，缩写为DFT)变换后，上式(2)可表示为：

DFT(Δy)＝G·DFT(Δx)               (3)

其中： $\begin{array}{c}\mathrm{DFT}\left(\mathrm{\Δy}\right)=\mathrm{DFT}\left(y_1\right)-\mathrm{DFT}\left(y_0\right)\\ \mathrm{DFT}\left(\mathrm{\Δx}\right)=\mathrm{DFT}\left(x_1\right)-\mathrm{DFT}\left(x_0\right)\end{array}---\left(4\right)$

传递函数G通过两组冲压回弹模拟试验即可获得，这个过程实际上是系统辨识的过程。由(3)式和(4)式得到传递函数为：

$G=\frac{\mathrm{DFT}\left(\mathrm{\Δy}\right)}{\mathrm{DFT}\left(\mathrm{\Δx}\right)}=\frac{\mathrm{DFT}\left(y_1\right)-\mathrm{DFT}\left(y_0\right)}{\mathrm{DFT}\left(x_1\right)-\mathrm{DFT}\left(x_0\right)}---\left(5\right)$

假设补偿修正后的模具型面为x_修(待求量)，也在上述相同的冲压工艺条件下(只有模具型面微小不同)进行冲压模拟，能得到的冲压件为理想形状y_理想，同时，将理想冲压件形状y_理想等同于模具型面x₀，则由(5)式应用传递函数概念得到下式：

联立式(5)和式(6)得到：

整理后可得到补偿修正后的模具型面x_修：

G.在计算机中设定补偿修正后的模具型面的网络数据为x_修，则DFT(x_修)由下列公式(即公式(7))求得：

H.在计算机中再对x_修进行傅立叶逆变换，则修正后的模具型面形状x_修由下列公式(即公式(8))获得：

x_修＝IDFT(DFT(x_修))；

I.在计算机中再利用逆向设计软件对离散节点数据文件x_修进行曲面重构，则可获得理想冲压件y_理想对应的理想模具CAD型面。

利用该方法可比较准确地进行模具回弹补偿。该算法的使用，对减少模具开发周期及成本有重要的实际意义。

本发明方法利用数值模拟技术来对汽车覆盖件冲压回弹现象进行定量的数值计算，获得冲压件回弹前后的实际形状和尺寸，然后以该回弹前后的回弹量为出发点，以形状传递函数G(x₀)推断修正后的模具尺寸，达到模具补偿的效果，即可较好消除制件因回弹而造成的几何形状误差。

本发明的一种基于数值模拟的汽车覆盖件冲压回弹补偿方法，将其应用于复杂汽车覆盖件三维板料成形的模具补偿过程，模拟仿真结果显示可以获得形状精度高的冲压件。

下面通过一个实例的应用进行验证。

在计算机中构建一个冲压件的理想模型，采用数值模拟软件对上述冲压件的理想模型进行冲压模具设计的处理，从而获得一个原始冲压模具的有限元模型(如图3所示)；

对上述原始冲压模具的有限元模型进行小量等距偏置处理(向外偏置0.5mm)，从而获得一个具有小量等距偏置的新模具有限元模型(如图4所示)；

以相同的冲压工艺参数采用数值模拟软件对原始冲压模具的有限元模型和新模具有限元模型分别进行冲压成形及回弹仿真处理，获得原始冲压模具的有限元模型和新模具有限元模型的仿真结果；

结果的成型极限图如图5、图6所示，该模拟结果通过生产实践对比基本准确；

对两组冲压成形模拟结果继续进行回弹仿真，两组回弹量误差分析结果如图7、图8所示；

应用本发明方法进行补偿处理，修正后的理想模具形状如图9所示；

利用修正后的理想模具进行再次冲压、回弹仿真，得到最终冲压件，该最终冲压件与理想冲压件的误差分析如图10所示；从图10可以看出，误差很小，在实践可以接受的范围，修正后的模具能达到生产要求。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：

A.在计算机中构建一个冲压件的理想模型，得到该理想冲压件的型面数据，记为y_理想；

B.在计算机中采用数值模拟软件对上述冲压件的理想模型进行冲压模具设计及处理，从而获得一个原始冲压模具的有限元模型；

C.在计算机中对上述原始冲压模具的有限元模型进行小量等距偏置处理，从而获得一个具有小量等距偏置的新模具有限元模型；

D.在计算机中以相同的冲压工艺参数采用数值模拟软件对原始冲压模具的有限元模型和新模具有限元模型分别进行冲压成形及回弹仿真处理，获得原始冲压模具的有限元模型和新模具有限元模型的仿真结果；

E.在计算机中对原始冲压模具的有限元模型的仿真结果和新模具有限元模型的仿真结果分别进行网格数据导出处理，得到原始冲压模具所对应冲压件的回弹前及回弹后网格数据和新模具所对应冲压件的回弹前及回弹后网格数据；其中，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹前网格数据标记为x₀，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹后网格数据标记为y₀，将新模具所对应冲压件的回弹前网格数据标记为x₁，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹后网格数据标记为y₁；同时，将原始冲压模具所对应冲压件的回弹前网格数据x₀等同于原始冲压模具型面的网格数据及理想冲压件型面y_理想网格数据，将新模具所对应冲压件的回弹前网格数据x₁等同于新模具型面的网格数据；

F.在计算机中对原始冲压模具型面(也是理想冲压件型面)、新模具型面、原始冲压模具的冲压件型面、新模具的冲压件型面和理想冲压件型面的网格数据分别进行离散傅立叶变换，得到：DFT(x₀)，DFT(x₁)，DFT(y₀)和DFT(y₁)；

G.在计算机中设定补偿修正后的模具型面的网络数据为x_修，则DFT(x_修)由下列公式求得：

H.在计算机中再对x_修进行傅立叶逆变换，则修正后的模具型面形状x_修由下列公式获得：

x_修＝IDFT(DFT(x_修))；

I.在计算机中再利用逆向设计软件对离散节点数据文件x_修进行曲面重构，则可获得理想冲压件y_理想对应的理想模具CAD型面。

2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的汽车覆盖件回弹误差补偿方法，其特征在于：所述小量等距偏置的偏置量为向外或向内偏置距离小于0.5mm。

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