汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)含三維5張CAD圖紙+帶任務(wù)書(shū)+開(kāi)題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+答辯ppt+外文翻譯】

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汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝

摘    要

近年來(lái)，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問(wèn)題的日趨嚴(yán)重以及國(guó)家政策的支持和鼓勵(lì)，汽車(chē)輕量化已越來(lái)越被人們所重視，且已逐漸成為當(dāng)前和未來(lái)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的主要方向。基于此，在汽車(chē)車(chē)身及其零配的件的材料選擇上，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注材料本身的重量。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強(qiáng)度、可塑性強(qiáng)的金屬材料，受到了越來(lái)越多汽車(chē)廠商的青睞。然而，在板料成形技術(shù)中，起皺、斷裂、變形不足和回彈等質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費(fèi)，還嚴(yán)重制約了鋁合金板材在汽車(chē)制造中的使用。因此，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優(yōu)秀工藝，成了當(dāng)前眾多汽車(chē)廠商研究的重點(diǎn)。

本文將利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)汽車(chē)保險(xiǎn)杠中鋁成型組件的沖壓成型進(jìn)行分析研究，找出導(dǎo)致其出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的主要因素，并結(jié)合分析結(jié)果嘗試對(duì)現(xiàn)有的沖壓工藝進(jìn)行合理優(yōu)化，達(dá)到提高成品率的目的。

關(guān)鍵字 有限元分析 鋁成型 工藝優(yōu)化

Finite Element Analysis and Process Optimization of Aluminum Brackets for Automobile Bumper

Abstract

In recent years, with the environmental pollution, energy depletion and other issues become increasingly serious and national policy support and encouragement, automotive lightweight has been more and more attention, and has gradually become the current and future development of the main direction of automotive technology The Among them, the aluminum alloy sheet as a low-density, high strength, plasticity of the metal material, by more and more car manufacturers of all ages. However, in the sheet metal forming technology, wrinkling, rupture, deformation and rebound and other quality problems are more and more prominent, which not only caused a lot of material waste, but also seriously restricted the use of aluminum alloy sheet in the automotive industry The Therefore, to explore a suitable for aluminum alloy sheet stamping of the excellent process, has become the focus of many car manufacturers.

In this paper, the finite element analysis software ANSYS Workbench is used to analyze the stamping of aluminum forming components in automobile bumper, and the main factors leading to its quality problems are found out. Combining with the analysis results, the existing stamping process is optimized reasonably, To achieve the purpose of improving the yield.

Key words  Finite element analysis  aluminum forming   process optimization

目錄

第1章 緒論 1

1.1 引言 1

1.2 汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學(xué)意義 1

1.3 汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁成型組件質(zhì)量問(wèn)題的國(guó)內(nèi)外研究狀況 1

1.3.1 國(guó)外研究情況 2

1.3.2 國(guó)內(nèi)研究情況 2

1.4汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢(shì) 2

1.5汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁成型組件缺陷分析 3

1.5.1起皺 3

1.5.2破裂 4

1.5.3回彈 5

1.6本文研究的主要內(nèi)容 5

1.7本章小結(jié) 6

第2章 板材沖壓有限元分析理論 7

2.1 ANSYS Workbench軟件介紹 7

2.2 材料的特性 7

2.3 材料的屈服準(zhǔn)則 8

2.3.1 Tresca 屈服準(zhǔn)則 8

2.3.2 Von Mises 屈服準(zhǔn)則 9

2.4材料的硬化準(zhǔn)則 9

2.4.1各向同性硬化準(zhǔn)則 9

2.4.2隨動(dòng)硬化準(zhǔn)則 10

2.5 沖壓過(guò)程應(yīng)力加載和卸載法則 11

2.6 沖壓過(guò)程接觸算法 11

2.6.1 拉格朗日算法 12

2.6.2 罰函數(shù)接觸算法 12

2.6.3 非線性罰函數(shù)接觸算法 12

第3章 保險(xiǎn)杠組件沖壓成型工藝 15

3.1 保險(xiǎn)杠組件沖壓成型的的工藝特點(diǎn) 15

3.2 保險(xiǎn)杠組件沖壓工藝的詳細(xì)說(shuō)明 16

3.3 本章小結(jié) 20

第4章 有限元分析過(guò)程及結(jié)果 21

4.1概述 21

4.2 分析流程及結(jié)果 21

4.2.1分析流程 21

4.2.2 分析結(jié)果 25

4.3 本章小結(jié) 26

第5章 工藝優(yōu)化內(nèi)容及結(jié)果 27

5.1 工藝優(yōu)化的注意事項(xiàng) 27

5.2 工藝優(yōu)化的內(nèi)容 27

5.3 優(yōu)化效果 30

5.4 本章小結(jié) 30

致  謝 31

參考文獻(xiàn) 32

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第 1 頁(yè) 共 5 頁(yè) 開(kāi)題報(bào)告 學(xué)生姓名 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) 指導(dǎo)教師姓名 職 稱(chēng) 工作單位 課題來(lái)源 學(xué)生自擬課題 課題性質(zhì) 應(yīng)用設(shè)計(jì) 課題名稱(chēng) 汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 本設(shè)計(jì)的科學(xué)依據(jù) （科學(xué)意義和應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外研究概況，目前技術(shù)現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(shì)等 ） 一、 汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學(xué)意義和應(yīng)用前景 近年來(lái)，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問(wèn)題的日趨嚴(yán)重以及國(guó)家政策的支持和鼓勵(lì)，汽車(chē)輕量化已越來(lái)越被人們所重視，且已逐漸成為當(dāng)前和未來(lái)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的主要方向。 鋁合金 具有 密度低，強(qiáng)度高，塑性好等物理特性 ， 在汽車(chē)輕量化和提升碰撞安全性能等方面有著出色的表現(xiàn)，越來(lái)越受到世界各大汽車(chē)廠商的青睞。但由于鋁合金晶的體結(jié)構(gòu)與普通鋼材存在很大差異，導(dǎo)致鋁合金板的成型性能比普通鋼板較差，而汽車(chē)上的鋁合金板材以覆蓋件形式居多，形狀較為復(fù)雜且尺寸輪廓大，導(dǎo)致汽車(chē)鋁合金覆蓋件在沖壓成形過(guò)程中更容易出現(xiàn)起皺、破裂、變形不足以及回彈等缺陷。這些問(wèn)題不但導(dǎo)致材料被大量浪費(fèi)，還增大了零件質(zhì)量控制以及模具設(shè)計(jì)的難度，嚴(yán)重制約了鋁合金材料在汽車(chē)覆蓋件上的應(yīng)用。因此，通過(guò)優(yōu)化工藝方案及工藝參數(shù)，探索出一種適合車(chē)用鋁合金材料的沖壓成 形工藝來(lái)改善鋁合金覆蓋件的成品率和成形質(zhì)量，成為鋁合金材料在汽車(chē)行業(yè)廣泛使用的關(guān)鍵。 二、 汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁合金板材沖壓成型組件回彈問(wèn)題的國(guó)內(nèi)外研究狀況 汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁成型組件屬于板材沖壓成型件，而對(duì)于板料沖壓成形后容易出現(xiàn)的彈性恢復(fù)問(wèn)題，自上世紀(jì) 50 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)板料回彈問(wèn)題進(jìn)行了深入的理論分析、模擬和實(shí)驗(yàn)研究。 1、國(guó)外研究狀況 等人經(jīng)過(guò)多年研究，為板料成形及回彈分析奠定了理論基礎(chǔ)。 人研究了變彈性模量對(duì)板料回彈的影 響。 比較板料成形模擬的靜態(tài)隱式算法和動(dòng)態(tài)顯示算法的特點(diǎn)時(shí)指出，將二者結(jié)合起來(lái)求解回彈問(wèn)題是一種更加有效的手段。 隨著汽車(chē)輕量化的不斷發(fā)展，鋁板和高強(qiáng)度鋼板等輕量化材料在車(chē)身制造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨之帶來(lái)嚴(yán)重的回彈問(wèn)題也引起研究人員的極大重視，并對(duì)其進(jìn)行了分析和研究。 過(guò)數(shù)值模擬討論了沖壓工藝參數(shù)（如摩擦系數(shù) μ、凹模圓角半徑 凹模間隙 C 等）對(duì) U 形件成形后回彈的影響，模擬結(jié)果表明：減小 μ，增大 2 頁(yè) 共 5 頁(yè) 人采用有限元模擬方法，針對(duì)不同形狀零件的模具進(jìn)行回彈迭代補(bǔ)償，使最終成形后的零件正好符合其形狀設(shè)計(jì)要求。 認(rèn)為回彈對(duì)材料參數(shù)的波動(dòng)變化非常敏感，針對(duì)高強(qiáng)度板的大回彈問(wèn)題，提出了工藝參數(shù)優(yōu)化控制和考慮板料變形歷史的模 面迭代補(bǔ)償控制方法。 2、 國(guó)內(nèi)研究狀況 國(guó)內(nèi)的板料成形回彈問(wèn)題研究時(shí)間比較短，但也取得了一定成果。付寶連建立了金屬成形過(guò)程的回彈最小勢(shì)能原理和最小余能原理，最后將該原理用于懸臂梁和曲梁回彈變形計(jì)算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對(duì)板材回彈進(jìn)行數(shù)值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動(dòng)力顯式算法，并開(kāi)發(fā)了有限元分析程序 光等針對(duì)板材成形后的切邊回彈問(wèn)題，發(fā)明了基于大變形彈塑性有限元理論的切邊處理技術(shù) 法。章婷，單以才等采用 術(shù)， 通過(guò)建立正交優(yōu)化試驗(yàn)對(duì) U 形件進(jìn)行沖壓回彈仿真研究，得出影響鋁合金板料成形和回彈精度的數(shù)值模擬參數(shù)。 在回彈控制方面，李延平，朱東波，盧秉恒對(duì)板料回彈進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，建立了能對(duì) 3D 復(fù)雜形狀沖壓件回彈誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制補(bǔ)償系統(tǒng)。張立力，曹飛等針對(duì)于板材成形中的回彈補(bǔ)償問(wèn)題，通過(guò)采用通用機(jī)械軟件 件 開(kāi)發(fā)的回彈補(bǔ)償?shù)哪＞咴O(shè)計(jì)系統(tǒng)，提出了一個(gè)根據(jù)工件的幾何形狀和回彈誤差來(lái)進(jìn)行模具補(bǔ)償?shù)姆椒ā? 三． 目前發(fā)展水平 以目前所在企業(yè)來(lái)說(shuō)，汽車(chē)保險(xiǎn)杠鋁合金板材沖壓成 型組件成品率在 85%左右，其中，以回彈、破裂的失敗率居高。與國(guó)外同行業(yè)的其他企業(yè)相比較，任有較大的提升空間。 第 3 頁(yè) 共 5 頁(yè) 設(shè)計(jì)內(nèi)容和預(yù)期成果 （具體設(shè)計(jì)內(nèi)容和重點(diǎn)解決的技術(shù)問(wèn)題、預(yù)期成果和提供的形式） 一、有限元分析及工藝優(yōu)化內(nèi)容 1、根據(jù)產(chǎn)品尺寸、技術(shù)要求等畫(huà)出產(chǎn)品零件圖（二維、三維），同理畫(huà)出模具裝配圖（三維）等相關(guān)圖紙； 2、結(jié)合有限元分析工具（ 分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，找出導(dǎo)致產(chǎn)品合格率低的相關(guān)因素； 3、以分析結(jié)果為依據(jù)，對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)或者重新設(shè)計(jì)新的加工工藝，最終 達(dá)到提高合格率的目的。 二、預(yù)期成果 1、分析部分 1）目標(biāo)： 根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，完整地畫(huà)出產(chǎn)品零件 2D、 3D 各 1張，模具零件圖若干，裝配圖 1 張，所畫(huà)圖紙徐能滿(mǎn)足產(chǎn)品實(shí)際功能且能滿(mǎn)足客戶(hù)要求；并能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。 2）要求：系統(tǒng)地說(shuō)明分析過(guò)程中問(wèn)題的解決（確定導(dǎo)致產(chǎn)品合格率低的主要原因，并提出可行的改進(jìn)方案），若有必要，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。 3）分析過(guò)程完整有序，計(jì)算結(jié)果正確清晰（計(jì)算過(guò)程只需列出已知條件、計(jì)算公式，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，省略計(jì)算過(guò)程，直接寫(xiě)出計(jì)算結(jié)果），文字說(shuō)明簡(jiǎn)明通順。將 分析結(jié)果整理后，提交公司相關(guān)技術(shù)人員，并請(qǐng)教此結(jié)果是否“合理”或“可行”。 4） 任務(wù)完成驗(yàn)收時(shí)提供材料：分析說(shuō)明書(shū)一份，總裝配圖 1 張、零件圖若干。 2、優(yōu)化部分 工藝優(yōu)化部分，要求以公司實(shí)際生產(chǎn)情況為基礎(chǔ)，提出合理可行的優(yōu)化建議，并要求提供以下資料，且裝訂成冊(cè)： 1）造成目前問(wèn)題的主要因素分析結(jié)果； 2）現(xiàn)有工藝存在的具體問(wèn)題； 3）合理可行的改進(jìn)建議或措施； 4）實(shí)施改進(jìn)所需的器件、資金投入、技術(shù)支持等； 5) 優(yōu)化后具體實(shí)踐數(shù)據(jù)支持； 6) 優(yōu)化前后具體結(jié)果對(duì)比； 第 4 頁(yè) 共 5 頁(yè) 擬采取設(shè)計(jì)方法和技術(shù)支持 （設(shè)計(jì)方案、技術(shù)要求、實(shí)驗(yàn)方法和步驟、可能遇到的問(wèn)題和解決辦法等） 一、 設(shè)計(jì)方法 查閱資料，了解相關(guān)問(wèn)題的分析解決思路并運(yùn)用 出產(chǎn)品的零件圖和模具裝配圖。用 行模擬分析，找出解決問(wèn)題所需因素。 二、 技術(shù)要求 通過(guò)分析能對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行可行有效的優(yōu)化改進(jìn)或者能設(shè)計(jì)新的加工工藝，達(dá)到提到產(chǎn)品合格率的目的。 三、 可能遇到的問(wèn)題 若對(duì) 用不熟悉可請(qǐng)教老師； 若所畫(huà)圖紙有問(wèn)題可請(qǐng)教公司技術(shù)人員； 若所需進(jìn)行實(shí)際 實(shí)驗(yàn)或需要資金支持，可申請(qǐng)公司給予幫助。 實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目已具備的條件 （包括過(guò)去學(xué)習(xí)、研究工作基礎(chǔ)，現(xiàn)有主要儀器設(shè)備、設(shè)計(jì)環(huán)境及協(xié)作條件等） 1、 相關(guān)參考書(shū)籍或文獻(xiàn)自己已選定； 2、 實(shí)習(xí)公司提供實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持； 3、 從事多年相關(guān)工作的技術(shù)人員將會(huì)提供幫助。 各環(huán)節(jié)擬定階段性工作進(jìn)度 (以周為單位 ) 1 完成開(kāi)題報(bào)告 5 查閱資料，確定具體實(shí)施方案 7 周 計(jì)算所需參數(shù) 8 畫(huà)出各個(gè)零件圖和裝配圖 11 完成有限元分析并 提出工藝優(yōu)化建議或措施 13 細(xì)節(jié)工作，準(zhǔn)備答辯 第 5 頁(yè) 共 5 頁(yè) 開(kāi) 題 報(bào) 告 審 定 紀(jì) 要 時(shí) 間 地點(diǎn) 主持人 參 會(huì) 教 師 姓 名 職 務(wù)（職 稱(chēng)） 姓 名 職 務(wù)（職 稱(chēng)） 論 證 情 況 摘 要 記錄人： 指 導(dǎo) 教 師 意 見(jiàn) 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 教 研 室 意 見(jiàn) 教研室主任簽名： 年 月 日