ANSYS非線性功能在汽車剎車踏板設計和制造中的應用

2013-08-07 by:CAE/FEA技術推廣中心來源:仿真在線

有限元分析不僅能幫助新產品的開發和設計,還可用有限元模擬仿真實際的生產加工過程,解決生產中出現的問題,提供對加工模具的要求信息等。剎車踏板生產工藝不同于傳統的沖壓生產工藝,是對鋼片剪切折彎成型。

圖1：加工踏板的機床

在眾多的有限元分析軟件中,ANSYS享有很好的聲譽。特別是ANSYS的非線性功能是最完善和強大的。因此選用了ANSYS。

挑戰:
剎車踏板是由鋼片沖切折彎成型。鋼片在沖剪后,利用鋼材的塑性性能擠壓折彎成踏板所需的最終幾何形狀。顯然模具的形狀影響踏板的幾何形狀,利用模具如何折彎,模具的運動角度也影響踏板的幾何形狀。這就存在如何設計模具的形狀和如何折彎才能得到所需要的踏板的精確幾何形狀。此外,如果鋼片的幾何形狀不規范,生產出的踏板形狀如何?

解決方案:
利用ANSYS建立有限元模型模擬鋼片沖剪后擠壓折彎的整個加工過程。這是一個非線性過程,包括材料非線性,大變形和接觸。

模型包括鋼片,硬折彎固定彎頭,硬折彎動彎頭和折彎臂 ,軟折彎固定彎頭和動彎頭,見圖2和圖3。鋼片為3維立體單元,固定彎頭和動彎頭與鋼片定義接觸。硬折彎動彎頭的折彎臂為剛性梁,動彎頭可以繞梁自由轉動模擬實際的動彎頭運動。

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圖2 折彎鋼片和彎頭。

圖3 有限元模型。

該模擬分析中包括8個階段:

    1.硬折彎固定彎頭和動彎頭運動到正確位置;
    2.硬折彎固定彎頭不動,動彎頭按要求轉動所需的角度。在此過程中,彎頭與沖切后的鋼片接觸使其變形,動彎頭可以繞折彎臂自由轉動;
    3.硬動彎頭回到初始位置。
    4.硬折彎固定彎頭和動彎頭一起回到原位置;
    5.軟折彎固定彎頭和動彎頭運動到正確位置;
    6.軟折彎固定彎頭不動,動彎頭按要求轉動所需的角度。在此過程中,彎頭與沖切后的鋼片接觸使其變形,動彎頭可以繞折彎臂自由轉動;
    7.軟動彎頭回到初始位置;
    8.軟折彎固定彎頭和動彎頭一起回到原位置;

踏板材料是SAE950X鋼。因為踏板的幾何形狀是靠材料的塑性變形得到的,因此,材料模型為非線性。

需要鋼片在折彎加工后的最終三維幾何模型,利用APDL語言編輯一個宏命令, 該宏命令用鋼片變形后的節點位置產生變形后的鋼片幾何模型。

效益
精確的踏板最后幾何形狀不容易得到,踏板的最后形狀由折彎固定彎頭和動彎頭的形狀等決定,沒有有限元分析,只能通過多次試驗,驗證和誤差這樣一個昂貴的過程,其中包括需要多次修改模具,試加工,延長了產品的設計和生產時間,提高了成本。

使用ANSYS模擬實際踏板的生產加工過程, 可以事先驗證模具的設計,如固定彎頭和動彎頭的形狀,事先驗證動彎頭所需轉動的角度。通過該分析,硬折彎所需的力矩和軟折彎所需的力矩都可以得到,這樣就可以知道加工機床的受力,見圖4和圖5。