汽车覆盖件具有结构尺寸大、料厚薄、形状复杂和表面质量要求高等特点，其拉深成形过程中容易产生起皱缺陷，给汽车模具的生产和维护带来困难。随着数值模拟技术的发展，数值模拟成为解决汽车覆盖件生产问题和汽车模具开发的重要手段。利用数值模拟技术可以预测金属板料在成形过程中的缺陷，避免制件在生产中发生起皱、过度减薄、破裂等问题，提高制件成形质量，减少模具制造中的问题，缩短生产周期，降低生产成本。
利用Dynaform非线性有限元分析软件，对某汽车左后侧围外板制件拉深成形进行数值模拟仿真。根据模拟结果的起皱缺陷位置，分析起皱产生原因；结合UGNX三维软件对模具结构以及板料尺寸进行优化，合理布置拉深筋，有效解决制件拉深成形时的起皱问题。
1有限元模型建立与仿真分析
01
模型建立
图1汽车左后侧围外板三维模型
汽车左后侧围外板的三维模型如图1所示，制件尺寸mm×mm×1mm。材料为St14，其力学性能参数如表1所示。
将汽车左后侧围外板三维模型导入Dynaform软件中，进行工艺补充面设计、有限元模型建立、成形工具定义以及成形工艺参数的设定。图2所示为汽车左后侧围外板拉深的有限元模型。
图2汽车左后侧围外板有限元模型
02
仿真结果分析
采用单动拉深进行数值模拟，获得如图3所示的汽车左后侧围外板优化前的拉深成形极限图。
图3优化前拉深成形极限图
（a）仿真局部放大
（b）拉深实物局部放大
图4优化前局部放大
图5优化前的左后侧围外板壁厚分布云图
如图3所示，起皱出现在制件的端头部分。图4、图5分别为优化前仿真结果局部放大图和优化前实际生产的局部放大图。如图4、图5所示，A处出现严重起皱缺陷；B处出现了局部破裂缺陷，但破裂缺陷仅发生于工艺补充面上，不影响制件的成形质量。同时，仿真成形结果和实际工况的试验结果相近，验证了有限元模型的正确性。
有限元仿真分析时，一般将最大增厚率作为评判板料起皱严重程度的主要指标（最大增厚率＜5%，则制件符合生产要求）。如图5所示为优化前板料壁厚分布云图，由点1~3可知，板料厚度为1.~1.mm，增厚率为22.6%~34.3%，远超5%，不符合生产要求。
2起皱对模具结构的影响
由图4可知A处起皱主要出现在工艺补充部分，可在后序的修边、冲孔工序中切除，不影响制件的成形质量。但是，拉深过程中A处起皱严重，且起皱区域较大，在反复拉深成形中会对凸模和凹模造成较大的磨损。
（a）凹模
（b）凸模
图6起皱导致的模具零件表面磨损
如图6所示，随着拉深次数的增加，凹模和凸模的A处出现明显的凹坑；同时，由于长期磨损凸模B处凹坑出现向成形区域扩展的趋势，如图6（b）所示。
拉深时端头部分的起皱缺陷会降低制件表面质量，同时增加凸、凹模的维护工作，增加生产成本。从模具结构、板料尺寸以及拉深筋布置和参数3个方面改善板料在拉深成形过程中的起皱问题，提高生产效率。
3起皱缺陷改善
01
模具结构优化
图7优化前凸模三维模型
如图7所示为优化前的凸模三维模型，图7中D处过渡不平滑，两侧圆角半径小，板料拉深时容易发生破裂；E处圆角半径过小，与F处的曲率变化不平滑，导致端头部分拉深时因受力不均导致起皱。
由于此部分为工艺补充部分，在后序修边、冲孔工序中会将其切除。在不影响成形面形状及预设的压料面形状规范的情况下，可以做较大的调整。
图8优化后凸模三维模型
利用UGNX8.0对凸模的端头部分进行优化，图8为优化后的凸模。对比图7和图8可知，优化后的凸模横截断面形状、凸模圆角半径以及接触部分D′、E′处的圆角半径更加光顺。
02
板料几何参数优化
图9优化前原始板料几何尺寸
图10优化前板料成形边界运动特性图
图9所示为左后侧围外板端头起皱优化之前的板料几何尺寸。图10所示为优化前板料成形时的边界运动特性图。图10中G处进料量大，高达.mm；H处进料量约为80mm，相对较小；I处起皱已蔓延至端头部位。同时，板料的流动并不是沿板料的径向均匀进料，容易出现由不均匀的拉应力和剪切力而导致起皱的现象。
可以通过增大板料的尺寸为起皱留有起皱裕度，尽可能将起皱部位留在法兰面上，保护凸、凹模。具体改进如下：
（1）在板料的优化过程中适当增大图10中G处的尺寸。图9优化前原始板料几何尺寸
（2）图10中H处整体收缩量较小，可减小图10中H处尺寸。
（3）为将起皱留在法兰面上保证凸模质量，延长图10中I处尺寸，即将其从原始的mm增加至mm。经过多次试验后确定的板料尺寸如图11所示。
图11优化后的板料几何尺寸
03
拉深筋几何参数的优化
针对汽车覆盖件拉深时的起皱、未充分拉深等问题，可以通过增加拉深筋以及设置拉深筋参数的方式进行改善。
汽车左后侧围外板拉深时端头起皱严重的部位，为避免起皱对凸、凹模造成磨损，在端头法兰面设置拉深筋，拉深筋的布置如图12所示。
图12汽车左后侧围外板端头拉深筋布置
参考文献《板料冲压成形拉深筋高度控制技术基础研究》（关婧）中拉深筋布置方式，在图12中J处设置小弧形短筋，减小Ⅰ处的起皱现象，并把起皱部位固定在法兰区域；在K处设置单筋，减小II处可能出现的起皱现象，并尽可能把起皱部位固定在法兰区域；III处极容易出现破裂现象，2条新增的拉深筋采用不相连的方式以减少破裂风险。经多次试验得出，2条拉深筋参数如表2所示。
4完成优化后的成形分析
将上述优化后的的凸模、凹模、板料模型导入非线性有限元软件Dynaform中，建立有限元模型。如图13所示为完成优化后的有限元模型。
图13优化后的有限元模型
图14优化后板料成形边界运动特性图
如图14所示为优化后的板料成形边界运动特性图。通过对比图10结果可知G处最大收缩量由.mm减小至90.84mm，下降了10.83%；缓解不规则进料趋势，减小了由拉应力和剪切力导致的起皱趋势；板料的整体边界收缩量减小。通过对板料结构的优化可以改进板料拉深时的进料情况。
图15优化后的汽车左后侧围外板拉深成形极限图
如图15所示为优化后的拉深成形极限图。图15中A′处出现了少部分的起皱，B′处出现了轻微的破裂。与图4（a）对比可知，制件整体成形效果良好，解决制件图4中A处严重起皱缺陷问题，并将板料的起皱锁在端头的法兰面上，有效避免凸、凹模的磨损趋势。图15中B′处仍出现小部分的破裂缺陷，但区域小，且位于工艺补充面上不影响制件的成形质量。
图16优化后的汽车左后侧围外板壁厚云图
图16所示为优化后的壁厚云图，优化后端头部分的最大厚度为1.mm，与图5对比可知，最大增厚率从34.89%下降至2.5%，增厚率＜5%，符合生产要求。
▍原文作者：熊文韬1，刘泓滨1，孙元贵1，邓利军2
▍作者单位：1.昆明理工大学；2.昆明学院
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