CN103617302A

CN103617302A - 一种汽车覆盖件拉延模具精确型面构建的方法

Info

Publication number: CN103617302A
Application number: CN201310486430.4A
Authority: CN
Inventors: 龚志辉
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2014-03-05

Abstract

本发明公开了一种汽车覆盖件拉延模具精确型面构建的方法。本方法通过冲压仿真计算获得零件成形后各个不同区域的厚度分布情况，依据获得的各节点的厚度信息，用网格映射、形函数插值、节点偏移等方法，调整凸凹模工具网格构建出适应零件厚度分布的精确模面网格模型。并以调整好的工具网格为基准，根据网格节点的偏移量，对模具型面相应的曲面面片及其剪裁线的控制顶点进行相应的偏移，实现曲面随网格模型的变化而自动形变，从而构建出适应零件厚度变化的模具精确型面。本方法从模具型面设计层面上，提高了模具型面的研合率。特别是在板料塑性变形后减薄率比较大的情况下，能明显提高模具型面的研配率，提高模具制造效率，降低模具制造成本。

Description

一种汽车覆盖件拉延模具精确型面构建的方法

技术领域

本发明涉及汽车覆盖件拉延模具精确模面的构建方法。

背景技术

随着CAE(ComputerAided Engineering)技术的发展，并成功地应用到板料成型的数值模拟中，基于CAE的数值仿真分析为模具的设计开发提供了一个有力工具并发挥着越来越大的作用。对汽车覆盖件拉延模具进行设计时，为了使零件成形后与设计模具型面具有一致的形状，凸模和凹模的型面必须与零件型面形状一致，这样冲压合模后零件的形状即可依赖模具型面的形状而获得。由于板料成形过程中会出现减薄或增厚，而且这种变化在零件各个不同的区域都不尽相同，因此需要根据实际的拉延成形件的厚度变化情况反复修正模具型面，直到凸凹模型面在合模时均能与零件成形后的表面完全贴合，这种贴合程度在拉延成形过程中称为“研合率”或“研配率”，一般要求达到80％左右，这个过程需要钳工反复调试修整模具型面周期较长。本文提出了一种汽车覆盖件拉延模具精确型面构建的方法，该方法基于板料数值分析先构建出模具精确型面的网格模型，再用冲压模具CAD／CAM系统中广泛采用的IGES，即基本图形交换规范，作为数据交换标准，通过C++软件开发平台编程实现原始模面曲面模型到精确模面网格模型的曲面映射，实现精确模面的曲面重构。

发明内容

鉴于有限元仿真可以很好的模拟板料拉延成形过程，可以获得很精确的板料拉延成形之后各单元节点的厚度分布，因此本发明以有限元模拟板料成形过程为基础，考虑板料成形后厚度的分布情况，从而高精度地建立模具精确型面的网格模型，进而重构出模具精确型面的NURBS曲面模型，提高了模具型面的精度，大大缩减钳工反复调试修整模具型面的研配时间，缩短制造周期，降低生产成本。

为了解决目前冲压模具修模过程中存在的问题，本发明提出的一种汽车覆盖件拉延模具精确型面构建的方法。

采用以下技术方案，该方案包含以下步骤：

步骤一：从模具三维模型中抽取出模具型面并转换成NURBS曲面形式，并对其划分大小合适的网格作为模具原始型面网格模型。

步骤二：将板料划分成三角形壳单元，对板料拉延成形过程进行计算机仿真分析，确定合理的冲压工艺参数，其CAE仿真分析结果基本能避免出现拉裂及起皱等重大缺陷，同时材料的减薄及增厚率均符合工程实际需求，仿真分析后板料网格的厚度分布情况。

步骤三：计算板料网格中各个节点的厚度，将模具原始型面网格的各个节点向板料网格做网格映射，搜寻映射投影点所落在的板料的三角形网格单元，通过三角形形函数插值计算出各投影点的厚度H_O。

步骤四：将模具原始型面网格的各个节点按其法向量方向偏置距离Δh=1/2(H-H_O)，其中H为板料的初始厚度，H_O为对应的投影点厚度。通过调整原始网格模型的节点，从而构建出适应零件厚度分布的精确模面网格模型。

步骤五：以调整好的精确模面网格模型为基准，根据网格节点的偏移量，对模具型面相应的NURBS曲面面片及其剪裁线的控制顶点进行相应的偏移而不改变相应的曲面权因子的大小，并保留原始曲面的拓扑结构不作变化对曲面进行曲面微调，从而重构出模具的精确型面。具体操作过程见步骤六、七、八、九。

步骤六：对模具原始型面的NURBS曲面面片及其剪裁线的各个控制顶点，搜寻到其在模具原始型面网格模型中与其距离最近的三个节点，构成其投影所需的三角形投影基面，以三角形投影基面的法向方向作为控制顶点的投影方向建立一一对应的映射关系，计算出各个控制点在其各个投影基面上投影点D_j的坐标。

步骤七：由于精确网格模型和原始网格模型具有一一对应的单元信息，根据三角形的面积坐标可插值计算出投影点对应在精确网格模型中的相应的投影点d_j的坐标。

步骤八：将模具原始型面的NURBS曲面面片及其剪裁线各个控制顶点按投影点D_j和d_j构成的向量，偏移同样的向量

从而构建出对应的模具精确型面的曲面面片。

步骤九：最后对所有精确型面的曲面面片进行缝合和简单的光顺处理，便重构出了模具的精确型面。

其中，步骤一中根据板材的厚度在CAD软件中偏置出相应的模具凸模型面、凹模型面和压边圈型面；

进一步的，在步骤二中，由传统冲压模具设计方法，结合CAE仿真软件，如Autoform、Dynaform、Pamstamp等冲压仿真软件对板料成形过程进行仿真计算，分析获得满足要求的板料成形仿真结果，从而得到板料成形完成后的厚度分部情况。

进一步的，在步骤三中，由于板料在成形仿真分析后，板料上的一些细小倒圆角等小特征会模糊化，而模具的原始型面网格则具有零件的各个小特征，因而需要将模具原始型面网格的各个节点向板料网格的三角单元投影，通过插值得到在板料单元上的投影点的厚度信息，这样不仅保留了零件的细小特征而已也反映出了板料的厚度变化对模具精确型面的影响，从而建立模具精确型面的网格模型。

进一步的，在步骤五中，对每个模具型面相应的NURBS曲面面片及其剪裁线的控制顶点都按上述的方法进行偏移，重构出精确模面的面片。

进一步的，在步骤九中，由于每个NURBS曲面面片及其剪裁的控制顶点都只是发生了细微的相应偏移，由此产生的曲面面片的形变量也是细微的，因而对曲面拼接和曲面缝合不构成影响。

本发明利用冲压数值仿真把板料成形仿真后的厚度变化情况反映到模具模面上，在原始模面的基础上重新构建出了反映板料成形厚度的精确模，从模具型面的设计层面上，提高了模具型面的研合率，大大缩减钳工反复调试修整模具型面的研配时间，缩短制造周期，降低生产成本。

附图说明

图1为工具网格向板料网格映射示意图。

图2为曲面面片控制顶点偏移量的计算示意图。

图3为精确模面单个面片的剪裁示意图。

图4为xxx零件XXX拉延工艺模型。

图5为零件修边仿真后的厚度分布。

图6为凹模原始模面和精确模面的网格模型及其局部放大。

图7为凹模模面原始网格模型和精确网格模型偏差分析。

图8为凹模精确模面与原始模面偏差分析。

具体实施方式

本发明实施时主要依赖于冲压仿真计算、网格映射算法、形函数插值、节点偏移等方法，鉴于凸模和凹模精确模面的重构方法完全一致，这里仅以凹模精确模面的重构为例，其具体实施办法如下：

1)从模具三维模型中抽取出模具型面并转换成NURBS曲面形式，并对其划分大小合适的网格作为模具原始型面网格模型。

2)采用Dynaform进行数值仿真计算，仿真参数如下：成形仿真选择BT单元，仿真材料参数为，材料密度7850kg／m3，弹性模量E=207GPa，泊松比v=0.28，各向异性系数r₀＝1，r₄₅=0.87，r₉₀=1.05，压边力为285kN，摩擦因数μ=0.11。冲压速度为5000mm／s，不对其网格进行细化分。其拉延工艺模型如图1所示。其CAE仿真分析结果基本能避免出现拉裂及起皱等重大缺陷，同时材料的减薄及增厚率均符合工程实际需求，仿真分析进行修边仿真后板料网格的厚度分布情况如图2所示。

3)通过程序计算板料网格中各个节点的厚度，将模具原始型面网格的各个节点向板料网格做网格映射，将凸凹模相同节点号对应的节点连线方向作为节点的法向量方向，对凹模的原始型面网格按网格映射的算法进行节点偏移计算，如图3所示。搜寻映射投影点所落在的板料的三角形网格单元，通过三角形形函数插值计算出投影点O的厚度H_O。

4)将模具原始型面网格的各个节点按其法向量方向偏置距离Δh=1/2(H-H_O)，其中H为板料的初始厚度，H_O为对应的投影点厚度。通过偏置原始网格模型的节点，而保留原始网格模型的拓扑结构不作变化，从而构建出适应零件厚度分布的精确模面网格模型，如图4所示，下面的网格模型即为所构建的凹模精确模面网格模型，将凹模模面精确网格与原始网格进行偏差检测，检测结果如图5所示，对比图2和图5的等值线云图的分布情况可知，所构建的精确模型达到了理想的效果。

5)以调整好的精确模面网格模型为基准，根据网格节点的偏移量，对模具原始型面的NURBS曲面面片及其剪裁线的各个控制顶点进行偏置，如图6所示，搜寻到其在模具原始型面网格模型中与其距离最近的三个节点，构成其投影所需的三角形投影基面，以三角形投影基面的法向方向作为控制顶点的投影方向建立一一对应的映射关系，计算出各个控制点在其各个投影基面上投影点O’的坐标。

7)由于精确网格模型和原始网格模型具有一一对应的单元信息，根据三角形的面积坐标可插值计算出投影点O’对应在精确网格模型中的相应的投影点O的坐标。

8)将模具原始型面的NURBS曲面面片及其剪裁线各个控制顶点按投影点O和O’构成的向量，偏移同样的向量

而保留NURBS曲面面片及其剪裁线的控制权因子的大小不作改变，曲面面片和剪裁线的拓扑结构也不作变化，偏移得到的新的剪裁线成为原始型面的NURBS曲面面片的边界线，从而构建出对应的模具精确型面的曲面面片。

9)由于原始模面面片和剪裁线的控制顶点的调整量都是微小的，最后对所有精确型面的曲面面片进行缝合和简单的光顺处理，便重构出了模具的精确型面，将其与凹模原始模面进行偏差分析，偏差结果如图8所示。图中表明在板料减薄越明显的区域其偏差值也越大，最大偏差值为0.117mm。通过对比图2零件修边仿真后的厚度分布和图5原始模面和精确模面的网格模型偏差分析，偏差分布情况与板料厚度分布情况也基本一致，验证了本方法的有效性。

以上所举实例仅为本发明的优选实例，但凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应属本发明专利覆盖的范围。

Claims

1.一种汽车覆盖件拉延模具精确型面构建的方法，包括如下步骤：

步骤1：从模具三维模型中抽取出模具型面并转换成NURBS曲面形式，并对其划分大小合适的网格作为模具原始型面网格模型。

步骤2：将板料划分成三角形壳单元，对板料拉延成形过程进行计算机仿真分析，确定合理的冲压工艺参数，其CAE仿真分析结果基本能避免出现拉裂及起皱等重大缺陷，同时材料的减薄及增厚率均符合工程实际需求，仿真分析后板料网格的厚度分布情况。

步骤3：计算板料网格中各个节点的厚度，将模具原始型面网格的各个节点向板料网格做网格映射，搜寻映射投影点所落在的板料的三角形网格单元，通过三角形形函数插值计算出各投影点的厚度H_O。

步骤4：将模具原始型面网格的各个节点按其法向量方向偏置距离Δh=1/2(H-H_O)，其中H为板料的初始厚度，H_O为对应的投影点厚度。通过调整原始网格模型的节点，从而构建出适应零件厚度分布的精确模面网格模型。

步骤5：以调整好的精确模面网格模型为基准，根据网格节点的偏移量，对模具型面相应的NURBS曲面面片及其剪裁线的控制顶点进行相应的偏移而不改变相应的曲面权因子的大小，并保留原始曲面的拓扑结构不作变化对曲面进行曲面微调，从而重构出模具的精确型面。具体操作过程见步骤6，7，8，9。

步骤6：对模具原始型面的NURBS曲面面片及其剪裁线的各个控制顶点，搜寻到其在模具原始型面网格模型中与其距离最近的三个节点，构成其投影所需的三角形投影基面，以三角形投影基面的法向方向作为控制顶点的投影方向建立一一对应的映射关系，计算出各个控制点在其各个投影基面上投影点D_j的坐标。

步骤7：由于精确网格模型和原始网格模型具有一一对应的单元信息，根据三角形的面积坐标可插值计算出投影点对应在精确网格模型中的相应的投影点d_j的坐标。

步骤8：将模具原始型面的NURBS曲面面片及其剪裁线各个控制顶点按投影点D_j和d_j构成的向量，偏移同样的向量

从而构建出对应的模具精确型面的曲面面片。

步骤9：最后对所有精确型面的曲面面片进行缝合和简单的光顺处理，便重构出了模具的精确型面。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中所指的模具原始型面包括凸模型面和凹模型面。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中采用的各个节点厚度H_i求解公式为：

式中n为包含节点i的单元个数，H_k为对应的第K个单元该节点号的厚度。

投影点厚度的插值计算公式为：

。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4中将模具原始型面网格的各个节点按其法向量方向偏置一定的距离ΔS_i，而模具原始型面网格模型中的单元信息却不做任何改变，得到模具精确型面的网格模型，从而能够保证精确网格模型和原始网格模型具有一一对应的单元信息为后面的曲面重构奠定好了网格模型基础。