汽车外覆盖件A级曲面变形的研究

【编者按】汽车A级曲面的定义，以车门外板冲压成形为例，介绍了运用PAMSTAMP-2G软件进行汽车外覆盖件A级曲面回弹变形的分析方法。通过有限元分析方法，在产品设计阶段准确预判A级曲面变形的位置，通过设计优化来提高车型的外观质量。

目前，世界汽车工业正在发生天翻地覆的变化，以欧、美及日为代表的传统市场，已经进入加速恢复阶段，而以“金砖四国”（巴西、俄罗斯、印度和中国）为代表的新兴市场的崛起，正在改变全球汽车产业与市场的格局，正与老牌传统的汽车生产厂商展开角逐。各汽车公司为了迅速占领汽车市场，不断地推出性能良好、价格适中及乘座舒适的汽车产品，以满足汽车用户的要求。而车身是汽车产品的外衣，它不仅影响着汽车的外观质量，而且也影响到汽车的乘座舒适性能。

汽车覆盖件主要缺陷有起皱、破裂和回弹。回弹现象主要表现为整体卸载回弹、切边回弹和局部卸载回弹。当回弹量超过允许公差后，就成为成形缺陷，影响零件的几何精度。而汽车A面区域的回弹使得外观质量大打折扣。通过改善冲压工艺虽然可以在一定程度上减小回弹,但无法从根本上消除。因此，在设计阶段准确地预判汽车外覆盖件A面区域的回弹变形并采取预防措施就非常重要。

A级曲面介绍

A级曲面（Class A Surface）是那些在产品中可见的有特定物理意义的曲面。A级曲面首先用于汽车，并在消费类产品中渐增，它也是美学的需要。

在汽车制造企业有这样的分类法：对于车身来说，A面一般指车身外表可见件及内饰可见件，如顶盖、发动机罩外板、翼子板、保险杠及内饰仪表板等部件；B面是指车门内板及地板等大型不可见件；C面主要是结构件，如支架等不可见件。

如图1的两个曲面相接，视边界连接将会有以下G0、G1和G2三种情况：

1. G0曲线（面）上存在尖点（折断点），在它的两边，斜率和曲率都有跳跃，这种曲线（曲面）只是共同相接于同一边界。用斑马线检测，连接处的斑马线是断开的（见图2）；

2. G1曲线（面）上存在切点，在它的两边，斜率是相同的，但曲率有跳跃。这种曲线（曲面）光滑，也就是一阶导数相同，这种曲面共同相切于同一边界，斜率为连续（曲率不一定连续）。用斑马线检测，连接处的斑马线是连接的，但是尖角过渡（见图3）；

3. G2曲线（面）上的各个点的曲率都是连续变化的，在共同相接的边界曲率相同，也就是二阶导数相同。用斑马线检测，连接处的斑马线是连接的，而且是圆滑过渡（见图4）；

事实上，切连续的点连续能满足大部分基础工业（航空和航天、造船业及BIW等）。基于这些应用，通常并无曲率连续的需要。

A面标准属于汽车企业的核心技术，体现了一个企业的设计水准和风格。欧系和日系企业、专业的设计公司和配件模块供应商的A面标准都是比较高的，都有很严格的A面标准。

预测覆盖件A面变形的方法

我们以某车型车门外板为例，运用PAMSTAMP-2G软件阐述预测汽车覆盖件A面变形的方法。

在应用板料成形有限元仿真分析软件进行覆盖件冲压仿真的过程中，主要包括3个基本部分，即建立设计工艺模面、冲压成形仿真及分析计算结果。对于汽车外覆盖件来说，第一序的拉延成形工序尤为重要，拉延工序的成形效果将决定最终的零件外观质量，拉延工序件的回弹变形在后续成形过程中难以消除。

在此，我们将对车门外板（见图5）的拉延工序进行仿真，然后进行拉延后的回弹计算，最后对回弹结果进行分析和研究。

1.拉延工艺模面的设计

通过相关三维CAD 软件（如CATIA V5）完成拉延工序数学模型（见图6）的设计，将其转化为通用数据格式（此例我们转换为IGES）将曲面数据和拉延筋特征读入PAMSTAMP-2G，再进行网格划分。

2.冲压成形仿真过程

车门外板的材料为B180H1，材料厚度0.7mm，拉延成形过程分为重力阶段、闭合阶段及拉延阶段3个子过程，每个子过程的板料成形状态如图7、图8和图9所示。

3.回弹变形仿真过程

预测A面变形的关键步骤是在PAM中进行回弹的计算，在冲压完毕之后，板料因为内部应力分布不均以及存在弹性变形的原因，形状会发生一定的变化，对最终成形质量有着很大的影响。回弹属性设定过程如下：

（1）定义板料细化属性为“1”；

（2）定义板料回弹属性为“Implicit”；

（3）刚体位移限定对象创建，因为回弹计算使用的是隐式计算，因此，一次要尽可能避免在计算中变形体发生不必要的刚性平移或转动。为此，通过定义变形体上的3个点，共6个位移自由度，以尽可能地避免上述情况的发生（见图10）。

4.冲压成形回弹的检测

常用的曲面品质评价方法有反射线法（Reflection Lines）、等照度线法（Isophote）及高光线法（Highlight Lines）等。PAM软件也提供了多种检测曲面质量的工具，如扫描线检测、高光测试和油石测试方法等。

在此，我们运用PAM中的“Analysis”→“Result Analysis”→“Surface Analysis”工具对成形状态和回弹后的状态进行检查和对比，对比结果如图11、图12所示。

通过分析结果和实际状态（见图13）对比，PAM软件准确地判断出了车门外板的回弹变形风险。

结语

汽车覆盖件设计阶段预测它的冲压成形回弹状态是非常关键的工作。由于回弹是成形的最后一步，成形过程模拟中产生的任何误差都会积累到回弹计算阶段，因此，回弹模拟结果的准确性很大程度上取决于成形过程的模拟精度。PAM软件提供了冲压成形整个过程的分析手段，可以比较准确地预测冲压成形的回弹变形，通过设计优化将回弹变形控制在公差范围之内，大大减少了整车的开发成本。

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