CN114163112A - 一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法，包括以下步骤：步骤S1：构建汽车后风挡玻璃热压成型产线设备的几何模型，获取基本的成型工艺参数及工况条件；步骤S2：构建已稳定投产的玻璃的有限元仿真模型；步骤S3：将尚无成型模具的新款目标玻璃设为初始模具型面，构建第一次模具；步骤S4：考虑玻璃材料的粘弹性特性，将平板玻璃原片与第一次模具代入步骤S2有限元仿真模型中，计算得到第一次成型的玻璃数字型面；步骤S5：计算成型的玻璃与目标玻璃的尺寸偏差，若差值未达到预设精度要求，则补偿偏差值得到新的模具数字文件；步骤S6：将仿真模型的模具更换为新模具数字文件导入，重复步骤S5，直至得到符合目标玻璃精度要求的模具。

Description

一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法
技术领域
本发明涉及汽车后风挡玻璃成型模具设计领域，具体涉及一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法。
背景技术
汽车玻璃既是汽车结构件，又是功能件，需要形状尺寸美观、强度和功能特性的有机统一。随着汽车行业的快速发展，汽车玻璃设计和制造，急需快速响应客户的高品质化和个性化要求。传统的汽车风挡玻璃成型模具设计方法主要是试错法，玻璃成型方法由技术人员通过大量的玻璃试制实验后，才能确定批量化生产的工艺参数。这种试错的方法周期长、成本高，并影响整车的开发周期，已越来越不能满足汽车市场的激烈竞争环境以及客户的个性化需求，汽车风挡玻璃的模具设计已成为影响国内外汽车行业发展的重要因素，尤其是大球面玻璃的制备，模具开发和成型工艺优化难度更大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法，有效优化新型汽车玻璃的成型模具的智能设计和生产工艺，提高汽车玻璃行业的智能制造水平。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建热压成型产线加热、热压成型和钢化冷却设备的三维几何模型，确定基本的成型工况参量，其中热压成型的工艺参量包括：炉内加热及成型温度，加热时间，模压成型加载时间，高风压风冷时间，低风压缓冷时间；
步骤S2：构建稳定投产的玻璃成型产线加热、热压成型和钢化冷却过程的有限元仿真模型，分析成型后的玻璃表面及内部的温度场、应力场和变形量，并与产线实际产品对标，验证模型的可靠性。对于某一款在产汽车后风挡玻璃，炉内加热及成型温度680℃，加热时间149s，模压成型加载9s，急冷10s，缓冷60s，钢化风压17.2KPa，该工艺参数可在一定范围内微调，通过和成型模具的密切配合，获得满足尺寸和残余应力要求的汽车后风挡玻璃；
步骤S3：针对尚无现存成型模具的新款汽车后风挡玻璃，进行成型模具设计，将目标玻璃设为初始模具型面，构建出第一次试探模具；
步骤S4：考虑玻璃材料的粘弹性特性，将平板玻璃原片与第一次试探模具代入步骤S2中构建出的有限元仿真模型中，计算得到第一次试探成型的玻璃数字型面；
步骤S5：计算试探成型的玻璃与实际目标玻璃的型面上对应点之间的尺寸偏差，若差值未达到预设精度要求，则在初始模具的基础上补偿偏差值得到新的模具数字文件；
步骤S6：将新模具数字文件导入有限元仿真模型中，以平板玻璃原片为成型计算的初始玻璃，重复步骤S5，直至试探成型后的玻璃形状符合目标玻璃精度要求，从而确定出成型模具的型面形状，进而构造出模具尺寸。
进一步地，所述玻璃材料的粘弹性特性，具体为：
考虑玻璃材料的粘弹性特性，推导其在大应变条件下的三维瞬态粘弹性本构方程，其积分形式为
Figure BDA0003433638490000031
式中，e为剪切模量，ε为体积应变，τ为从非平衡态达到平衡态的缩减时间(reducedtime)，G为剪切模量，K为体积模量，t为真实时间，I为单位张量
上式中的G(t)和K(t)用Prony级数代替，得
Figure BDA0003433638490000032
Figure BDA0003433638490000033
式中，G(∞)、Gi为Maxwell元件的剪切模量，K(∞)、Ki为Maxwell元件的体积模量，
Figure BDA0003433638490000034
τi G对应Prony项的松弛时间。
进一步地，所述步骤S3中根据有限元分析的材料参数要求，对汽车风挡玻璃原片进行高温粘弹性力学测试，获得成型温度下的玻璃力学参数；
进一步地，据权利要求1所述的一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法，其特征在于，所述新的模具数字文件由截点数据连成曲线，再通过SolidWorks软件的样条曲线功能拟合成曲面，之后将曲面加厚加宽形成阳模，复制阳模去除中间部分形成阴模。
进一步地，所述模具设计完毕，进一步采用有关3D打印工艺分层切片软件，将xx.stl格式转化为3D打印加工文件yangmu.gcode，yinmu.gcode，供3D原型打印，数控加工或金属模具全尺寸3D打印使用。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明有效优化新型汽车玻璃的成型模具的智能设计和生产工艺提高汽车玻璃行业的智能制造水平。
附图说明
图1为本发明一实施例中粘弹性曲线图；
图2为本发明一实施例中“位移修正法”流程图；
图3为本发明一实施例中玻璃基准面，标准线与标准点示意图；
图4为本发明一实施例中目标玻璃L1截线与截点；
图5为本发明一实施例中目标玻璃L2截线与截点；
图6为本发明一实施例中首次模具的阳模和阴模；
图7为本发明一实施例中第二次模具的阳模和阴模；
图8为本发明一实施例中截面数据迭代原理示意图；
图9为本发明一实施例中第四次模具的阳模和阴模；
图10为本发明一实施例中数字化模具3D打印成型阴模；
图11为本发明一实施例中数字化模具3D打印成型阳模；
图12为本发明一实施例中数字化模具3D打印成型配合的阴阳模具；
图13为本发明一实施例中数字化模具3D打印成型高分子材料3D打印的模具原型和玻璃替代物(纸片)配合，演示成型过程。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施例以某型号汽车后风挡玻璃的模具数字化设计为例，包括以下步骤：
考虑玻璃材料的粘弹性特性，推导其在大应变条件下的三维瞬态粘弹性本构方程，其积分形式为
Figure BDA0003433638490000051
式中，e为剪切模量，ε为体积应变，τ为从非平衡态达到平衡态的缩减时间(reducedtime)，G为剪切模量，K为体积模量，t为真实时间，I为单位张量。
上式中的G(t)和K(t)用Prony级数代替，得
Figure BDA0003433638490000052
Figure BDA0003433638490000053
式中，G(∞)、Gi为Maxwell元件的剪切模量，K(∞)、Ki为Maxwell元件的体积模量，
Figure BDA0003433638490000054
τi G对应Prony项的松弛时间。
根据有限元分析的材料参数要求，对汽车后风挡玻璃原片进行高温粘弹性力学测试，得到成型温度下的玻璃力学参数,粘弹性参数测试结果如图1。
步骤S1：构建热压成型产线加热、热压成型和钢化冷却设备的三维几何模型，确定基本的成型工况参量，其中热压成型的工艺参量包括：炉内加热及成型温度，加热时间，模压成型加载时间，高风压风冷时间，低风压缓冷时间；
步骤S2：构建稳定投产的玻璃成型产线加热、热压成型和钢化冷却过程的有限元仿真模型，分析成型后的玻璃表面及内部的温度场、应力场和变形量，并与产线实际产品对标，验证模型的可靠性。对于某一款在产汽车后风挡玻璃，炉内加热及成型温度680℃，加热时间149s，模压成型加载9s，急冷10s，缓冷60s，钢化风压17.2KPa，该工艺参数可在一定范围内微调，通过和成型模具的密切配合，获得满足尺寸和残余应力要求的汽车后风挡玻璃；
步骤S3：汽车风挡玻璃成型模具的型面设计采用“位移修正法”，在已验证的仿真模型基础上，针对一款无模具的新汽车后风挡玻璃，输入该玻璃的几何、工艺参数。“位移修正法”的核心在于，从确定模具型面的节点位移反向减去模拟计算的相应点回弹量，得到用于补偿回弹的模具型面，其流程如图2所示。
步骤S4：在仿真模型的基础上，针对该款新型号的汽车后风挡玻璃，将目标玻璃型面作为初始模具型面，和平板玻璃原片导入有限元软件中，模拟玻璃成型过程，得到第一次模拟的玻璃型面。
模具数字化设计的具体步骤如下：
通过将第一次模具型面进行分析，将曲面分为多条截线进行分析，用样条曲线来表示截线。在样条曲线上选取几个重要截点来控制曲线的精度，这样，即可通过控制几条重要截线上的截点来控制模具的型面。实施方法如图3。
建立基准面，标准线与标准点，对应截线做截面，获得对应的截点数据。截线标为L，截点标记为P，如图4为目标玻璃L1截线与其4个截点z轴坐标值。对应150mm处做截面与截线L2，并测得对应截点z轴坐标值，如图5。
以此类推，分别获得L3、L4、L5、L6截线的截点z轴坐标值，汇总于下表1。
表1 目标玻璃各截线z轴坐标值
Figure BDA0003433638490000071
步骤S5：优选的，将目标玻璃的几何模型导入CAD软件(SolidWorks)，对玻璃边缘加宽得到阳模，将阳模的中间部分去除得到阴模，如图6所示。
计算模拟过程如下：
将玻璃原片以及模具的几何模型导入CAE软件(ABAQUS)，定义材料参数，设置边界条件、载荷，网格划分等之后，模拟汽车后风挡玻璃的“加热-热压成型-急冷钢化”过程，得到成型回弹后的玻璃型面数字模型。
计算模拟的玻璃与目标玻璃的型面上对应点的差值。将第一次模具成型后的玻璃取与目标玻璃对应的截点，由于在x、y轴方向差值较小，对研究的影响较小，只取z轴坐标差值进行比较，各截点的z轴坐标差值如表2。
表2 第一道模具模拟的玻璃与目标玻璃各截线z轴坐标差值
Figure BDA0003433638490000081
通过表2可以看出，第一次模具模拟的玻璃与目标玻璃各截线z轴坐标差值多数大于2mm，不符合目标玻璃型面精度要求，因此，需要设计第二次模具继续进行迭代计算。
步骤S6：具体步骤如下：
根据第一次模具模拟成型的玻璃与目标玻璃各截线z轴坐标差值。第二次模具在第一次模具的基础上，在各截点z坐标上加上偏差值，得到新的模具坐标。在CAD软件SolidWorks将各截线的截点连接成曲线，再通过软件的样条曲线功能拟合出曲面。将所得的曲面加厚加宽得到阳模，复制阳模去除中间部分得到阴模，如图7。
将新模具和玻璃原片的几何模型导入CAE软件(ABAQUS)，需要注意的是，第二次模拟导入新的模具，导入的玻璃仍然为平板玻璃原片。重复上一计算模拟步骤，得到第二次试探成型回弹后的玻璃型面数字模型。计算模拟的玻璃型面与目标玻璃的差值，如未达到目标玻璃精度要求，继续在上一次模具上补偿偏差值。经过多次计算迭代，直至玻璃型面上截点与目标玻璃型面的偏差值达到规定精度要求时，计算结束，输出最终成型模具的数字文件，该次的模具型面即为汽车后风挡玻璃生产所需的模具型面。
图8为截面数据迭代原理示意图，取试探模具和玻璃曲面的中心最低点，第一次模具计算的玻璃的回弹量为AB，计算得到的玻璃与目标玻璃型面的偏差值同为AB。因此，根据“位移修正法”在第一次模具的基础上加上误差值AC(AC＝AB)得到第二次模具；第二次模具计算得到的玻璃与目标玻璃型面的偏差值为AD，在第二次模具上补偿偏差值CE(CE＝AD)得到第三次模具；第三次模具计算得到的玻璃与目标玻璃型面的偏差值为AF，这时计算得到玻璃型面值已经在目标玻璃下方，因此新模具需要向上补偿偏差值，在第三次模具上补偿偏差值EG(EG＝AF)得到第四次模具；第四次模具计算得到的玻璃与目标玻璃型面的偏差值为AH，AH及第四次玻璃与目标玻璃上个对应点的偏差值都小于2mm，达到汽车后风挡玻璃模具设计的精度要求，计算结束，输出目标模具的数字文件。
具体步骤如下：
将第二道模具模拟得到的第二次玻璃型面的z轴坐标与对应的目标玻璃进行对比，得到差值，如果有差值仍大于2mm，则不符合精度要求，继续需改模具，重复迭代计算，直至成型模拟的玻璃型面所有截点z坐标的误差范围都在2mm以内，则该道玻璃成型模具符合精度要求，输出最终的模具。
本实例中，玻璃成型模具一共经过四次计算迭代模拟，最终成型的玻璃与目标玻璃各截线z轴坐标差值均在2mm以内，符合目标玻璃精度要求，数据如表3。
表3 第四道模具模拟成型的玻璃与目标玻璃各截线z轴坐标差值
Figure BDA0003433638490000101
通过截点数据连成曲线，通过SolidWorks软件拟合曲线得到曲面，最后设计得到符合玻璃精度要求的模具，如图9。
模具设计完毕，得到该款汽车后风挡玻璃的数字化成型模具文件，输出为xx.stl格式，即yangmu.stl,yinmu.stl，进一步采用有关3D打印工艺分层切片软件，将xx.stl格式转化为3D打印加工文件yangmu.gcode，yinmu.gcode，供3D原型打印，数控加工或金属模具全尺寸3D打印使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：构建热压成型产线加热、热压成型和钢化冷却设备的三维几何模型，确定基本的成型工况参量，其中热压成型工艺的主要工况参量包括：炉内加热及成型温度，加热时间，模压成型加载时间，高风压风冷时间，低风压缓冷时间等；
步骤S2：构建业已稳定投产的某款玻璃的成型产线加热、热压成型和钢化冷却过程的有限元仿真模型，分析成型后的玻璃表面及内部的温度场、应力场和变形量，并与产线实际产品对标，验证模型的可靠性。对于某型号汽车后风挡玻璃，热压成型的工艺条件为：炉内加热及成型温度680℃，加热时间149s，模压成型加载9s，急冷10s，缓冷60s，钢化风压17.2KPa，该参数条件可以在一定范围内微调，与成型模具的形状一起，决定最终后风挡玻璃的形状和残余应力；
步骤S3：针对尚无现存成型模具的新款汽车后风挡玻璃，进行成型模具设计，将目标玻璃设为初始模具型面，构建出第一次试探模具；
步骤S4：考虑玻璃材料的粘弹性特性，将平板玻璃原片与第一次试探模具代入步骤S2中构建出的有限元仿真模型中，计算得到第一次试探成型的玻璃数字型面；
步骤S5：计算试探成型的玻璃与实际目标玻璃的型面上对应点之间的尺寸偏差，若差值未达到预设精度要求，则在初始模具的基础上补偿偏差值得到新的模具数字文件；
步骤S6：将新模具数字文件导入有限元仿真模型中，以平板玻璃原片为成型计算的初始玻璃，重复步骤S5，直至试探成型后的玻璃形状符合目标玻璃精度要求，从而确定出成型模具的型面形状，进而构造出模具尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法，其特征在于，所述玻璃材料的粘弹性特性，具体描述为：
在大应变条件下的三维瞬态粘弹性玻璃的应力本构方程的积分形式为
Figure FDA0003433638480000021
式中，e为剪切模量，ε为体积应变，τ为从非平衡态达到平衡态的缩减时间(reducedtime)，G为剪切模量，K为体积模量，t为真实时间，I为单位张量。
G(t)和K(t)用Prony级数代替，
Figure FDA0003433638480000022
Figure FDA0003433638480000023
式中，G(∞)、Gi为Maxwell元件的剪切模量，K(∞)、Ki为Maxwell元件的体积模量，τi K、τi G对应Prony项的松弛时间。
3.根据权利要求1所述的一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法，其特征在于，所述步骤S3中根据有限元分析中对材料参数的要求，对汽车后风挡玻璃原片进行高温粘弹性力学测试，获得成型温度下玻璃的力学参数。
4.据权利要求1所述的一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法，其特征在于，所述新的模具数字文件由截点数据连成曲线，再通过SolidWorks软件的样条曲线功能拟合成曲面，之后将曲面加厚加宽形成阳模，进一步复制阳模，挖空去除中间部分形成阴模，即阴模框架与阳模是完全贴合的。
5.据权利要求1所述的一种汽车后风挡玻璃热压成型模具的数字化设计方法，其特征在于，所述模具设计完毕，得到相应的模具数字化文件yangmu.stl和yinmu.stl，进一步采用有关3D打印工艺分层切片软件，将xx.stl格式转化为3D打印加工文件yangmu.gcode及yinmu.gcode，供模具原型的高分子线材3D打印，或采用数控加工金属模具，或采用金属粉末全尺寸3D打印金属模具，直接用于汽车后风挡玻璃热压成型生产。
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