基于有限元的农用拖拉机挡泥板弯曲成形分析及优化.pdf

山东农业大学学报(自然科学版),2023,54(5):782-791VOL.54 NO.5 2023Journal of ShandongAgricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2023.05.019基于有限元的农用拖拉机挡泥板弯曲成形分析及优化基于有限元的农用拖拉机挡泥板弯曲成形分析及优化王 硕,吴 艳*,马炎漫,曾如铁,熊锦林武汉轻工大学机械工程学院,湖北 武汉 430048摘摘 要要:借助 DYNAFORM 有限元软件建立农用拖拉机挡泥板弯曲成形的有限元模型，分析厚度、压边力、冲压速度、摩擦系数和凹凸模间隙对其弯曲回弹的影响规律，研究 6061 铝合金农用拖拉机挡泥板的回弹问题。在数值模拟的基础上，通过正交优化分析得出：在一定范围内，农用拖拉机挡泥板的回弹量与厚度、压边力、冲压速度、摩擦系数呈现负相关关系，与凸凹模间隙呈现先负后正相关关系；影响回弹量的因素排列次序为压边力、凹凸模间隙、厚度、摩擦系数、冲压速度；最优参数组合为厚度 2 mm，压边力 300 kN，冲压速度 5000 mms-1，摩擦系数 0.65 及凹凸模间隙 1.65 mm。同时，基于工艺参数优化，采用等效拉延筋和回弹补偿策略共同控制该制件的回弹，结果分析表明：等效拉延筋起到降低回弹程度的作用；回弹补偿策略能够有效地减小回弹量。本项研究表明，采用工艺参数控制法、等效拉延筋法和回弹补偿策略能够有效地控制农用拖拉机挡泥板的弯曲回弹程度，为挡泥板实际生产加工过程提供坚实的理论基础与可靠的数值依据。关键词关键词:农用拖拉机挡泥板;数值模拟;正交试验;回弹优化及补偿中图法分类号中图法分类号:TG389文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1000-2324(2023)05-0782-10Finite Element-basedAnalysis and Optimization ofAgriculturalTractor Fender BendingWANG Shuo,WU Yan*,MAYan-man,ZENG Ru-tie,XIONG Jin-linCollege of Mechanical Engineering/Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430048,ChinaAbstract:With the help of Dynaform finite element software to establish the finite element model of agricultural tractorfender bending and forming,we analyzed the thickness,crimping force,stamping speed,friction coefficient and concave andconvex mode gap,and studied the resilience of 6061 aluminum alloy agricultural tractor fender.On the basis of numericalsimulation,through orthogonal optimization analysis,it is concluded that,within a certain range,the rebound quantity ofagricultural tractor fender is negatively correlated with the thickness,crimping force,stamping speed and friction coefficient,and negatively correlated with the concave-convex mold gap;the factors affecting the rebound quantity are in the order ofcrimping force,concave-convex mold gap,thickness,friction coefficient,stamping speed,the optimal parameter combinationof the thickness of 2 mm,crimping force of 300 kN,concave-convex mold gap,friction coefficient,stamping speed.Theoptimal parameter combination is thickness of 2 mm,crimping force of 300 kN,stamping speed of 5000 mms-1,frictioncoefficient of 0.65 and die clearance of 1.65 mm.Meanwhile,based on the optimization of process parameters,the reboundof the part is controlled by the equivalent stretching bar and the rebound compensation strategy,the results shows that:theequivalent stretching bar plays a role in reducing the degree of rebound;the rebound compensation strategy can effectivelyreduce the amount of rebound.This study shows that the process parameter control method,the equivalent stretching barmethod and the rebound compensation strategy can effectively control the degree of bending rebound of the agriculturaltractor fender,and provide a solid theoretical basis and a reliable numerical basis for the actual production process of thefender plate.Keywords:Agricultural tractor fender;numerical simulation;orthogonal testing;rebound optimization and compensation随着汽车轻量化进程的不断推进，冲压成形工艺在汽车零件生产中得到了广泛应用。近年来，材料轻量化问题备受关注，研究表明，通过减轻汽车质量 10%，可实现油耗降低 6%7%1。实现汽车质量减轻的主要途径之一是采用轻量化材料替代传统钢板，而铝合金因其低密度、轻重量、高比强度、高比刚度、强耐腐蚀性以及高回收率等优点，被公认为是最具研究价值的轻量化材料之一2。因此，铝合金在汽车轻量化技术中逐渐替代汽车钢板并得到广泛应用3。同时，农用拖拉机作为农收稿日期收稿日期:2023-10-27修回日期修回日期:2023-11-11基金项目基金项目:混晶调控改善再结晶纳米变形镁合金热稳定性机制模型研究(D20221606)第第 1 作者简介作者简介:王 硕(2000-),男,硕士研究生,主要研究方向:金属材料冲压成形工艺.E-mail:*通讯作者通讯作者:Author for correspondence.E-mail:第 5 期王 硕等:基于有限元的农用拖拉机挡泥板弯曲成形分析及优化783业中不可或缺的设备，其挡泥板作为必要零件，其成形过程存在着起皱、破裂及回弹等问题，这些缺陷在一定程度上制约了农用拖拉机在汽车轻量化进程中的发展与推广。在这些缺陷中，回弹被认定为弯曲成形过程中最难控制的缺陷之一4。汽车零件的回弹优化与补偿问题一直都是学者研究的热点。例如，艾锋5以某汽车挡泥板为研究对象，基于 Design-exper 软件建立摩擦系数、压边力、拉延筋阻力系数与板料拉裂、起皱之间关系的数学模型，以解决板料成形中起皱、破裂及回弹的问题；王大鹏6等人为解决某汽车纵梁冲压成形过程中存在的破裂、起皱和回弹等缺陷，采用基于正交试验设计、数值模拟、克里金模型和遗传算法相结合的优化策略，并使用 DYNAFORM 有限元软件对某汽车纵梁进行了工艺优化和回弹补偿；苟春梅7等人研究了某汽车后地板零件的回弹控制问题，采用 AutoForm 软件对某汽车后地板零件进行工艺优化和回弹补偿。这些研究都属于采用数值模拟技术模拟金属板料成形过程，并进行缺陷预测与改善的领域。实际研究表明，不同结构的制件成形过程存在着截然不同的变化规律，各工艺参数对于制件成形质量有着不同的影响1。农用拖拉机挡泥板在弯曲成形过程中容易出现回弹现象，该难题严重影响着农用拖拉机挡泥板的成形质量、尺寸精度与使用寿命等。本文主要从优化工艺参数和改善铝合金板料弯曲性能两个角度出发，通过对 6061 铝合金挡泥板弯曲成形进行数值模拟，考察厚度、压边力、冲压速度、摩擦系数和凹凸模间隙等工艺参数对其弯曲回弹的影响，结合优化设计理念，从而达到改善农用拖拉机挡泥板成形质量的目的，为解决 6061铝合金板料回弹提供理论基础与数值依据，这对于提高弯曲件的产品质量和生产效率具有重要意义。1材料及零件模型材料及零件模型1.1材料参数和模型材料参数和模型在大多数情况下，农用拖拉机挡泥板主要采用钢材等重质材料进行制造。6061 铝合金虽然不常作为生产挡泥板等关键零件的首选材料，但考虑到减轻整体重量的需求，选用其作为挡泥板材料。此外，6061 铝合金具备优异的强度、耐腐蚀性和可加工性等特性，这些特性使其能够满足挡泥板在实际使用中的基本需求。采用 6061 铝合金作为农用拖拉机挡泥板材料，其化学成分如表 1 所示8。通过 6061 铝合金板料单向拉伸试验获得力学性能数据，拟合数据输入至 DYNAFORM 软件中的 36号材料模型(3 参数 Barlat 材料模型)。36 号材料模型特别适合应用于任何金属薄板冲压成形分析中，能够更好地反映出各向异性对冲压成形的影响，从而获得更可靠的分析结果9,10，故 6061 铝合金材料须采用此模型进行分析。表表 1 6061 铝合金化学成分表铝合金化学成分表Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy元素Si/%Fe/%Cu/%Mn/%Mg/%Cr/%Zn/%Ti/%Al/%含量0.400.700.150.150.61.20.050.350.250.1余量在 DYNAFORM 软件中创建 6061 铝合金材料模型，其力学性能参数如表 2 所示，应力-应变曲线及成形极限曲线如图 1 所示8。表表 2 6061 铝合金力学性能参数表铝合金力学性能参数表Table 2 Mechanical property parameters of 6061 aluminum alloy参数杨氏模量 E/GPa泊松比屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%各向异性参数r0r45r90数值700.3123217250.380.480.66图图 1 应力应力-应变曲线应变曲线(a)及成形极限曲线及成形极限曲线(b)Fig.1 Stress-strain curve(a)and forming limit curve(b)784山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷1.2成形工艺分析成形工艺分析本文研究的是 400-12 型号的农用拖拉机前轮挡泥板，该挡泥板适配时风和福田品牌的小型农用拖拉机，成形工艺为翻边-弯曲。弯曲毛坯件的尺寸计算11：(1)(2)(3)式中，弯曲半径 为 300 mm；应变中性层位移系数为 0.5；材料厚度 为 0.1 mm；应变中性层半径为 300.05 mm；弯曲角度为 60；弯曲件圆弧展开部分长度=314.05233 mm；弯曲件直线部分展开长度为 200 mm，弯曲件毛坯展开总长度为 514.05233 mm。这种挡泥板是标准的对称型零件，根据实际生产要求将部分尺寸近似取整数，以便于后期的有限元分析。弯曲毛坯件总长度为 520 mm，宽度 为 100 mm，弯曲后的板料高度为 105 mm，板料凸起部分与板料连接处圆角 为1 mm。这些参数为设计和制造这类零件提供了明确的规格要求，农用拖拉机挡泥板工件如图 2 所示。图图 2 农用拖拉机挡泥板工件图农用拖拉机挡泥板工件图Fig.2Agricultural tractor fender workpiece drawing1.3有限元模型有限元模型运用 CATIA 软件设计出农用拖拉机挡泥板的三维模型，并且将其进行相应处理后，导入DYNAFORM 软件中进行网格划分。采用双动成形技术，利用 DYNAFORM 模面工程(DFE)模块，自动生成凸模、凹模和压边圈工具，并对相应的参数及成形工序进行了定义与设置。有限元分析中的网格质量是确保模拟准确性和计算效率的关键9。在 DYNAFORM 软件中，壳元网格适用于薄壁结构成形模拟，能够有效捕捉材料的厚度变化。结合自动、手动网格划分及其局部细化，允许仿真初步验证后逐步提高网格密集度，增强模拟仿真的精度，使设计验证和性能预测更为精确。在板料弯曲冲压过程中，凸模下行，压边圈与凹模首先贴合并压紧板料，凸模继续下行完成弯曲冲压。模拟过程中不考虑板料与模具之间的热交换问题，即将其视为等温问题8。6061 铝合金农用拖拉机挡泥板弯曲成形有限元光照模型，如图 3 所示。图图 3 农用拖拉机挡泥板弯曲成形有限元光照模型农用拖拉机挡泥板弯曲成形有限元光照模型Fig.3 Finite element light modeling of agricultural tractor fender bending and forming第 5 期王 硕等:基于有限元的农用拖拉机挡泥板弯曲成形分析及优化7852基于正交试验的回弹分析基于正交试验的回弹分析2.1正交试验正交试验正交试验具有优良的均衡分散性和整齐可比性，能够简化数值模拟及计算的繁杂性，是研究多变量多水平问题的有效试验方法12,13。在板料弯曲成形过程中，回弹量受到很多因素的影响，但材料确定后，其他主要影响因素就是工艺参数14,15，例如厚度、压边力、冲压速度、摩擦系数和凹凸模间隙等。这些工艺参数对弯曲件的成形质量起着至关重要的作用。本文正交试验考察了以上 5 个影响因素，其主要目的是研究各影响因素对弯曲回弹量的影响程度并探讨其影响规律。正交试验能否取得实质性效果的关键是，确定影响因素的水平16。在本试验中，根据板料成形数值模拟经验，可将厚度分别设定为 1.0 mm、1.5 mm 和 2.0 mm 三个水平；结合实际生产经验和文献2，综合考虑取 100 kN、200 kN 和 300 kN 作为压边力的三个水平2；在板料成形数值模拟时，通常将实际拉深速度放大若干倍作为冲压速度(即虚拟冲压速度)，依据文献2作为参考，故取 1000 mms-1、3000 mms-1和 5000 mms-1作为冲压速度的三个水平2；在数值模拟中，可以认为挡泥板制件各处的摩擦系数是一致的17，取 6061 铝合金板料在 1427 润滑剂、3959 润滑剂以及无润滑剂（干摩擦）三种润滑条件下的摩擦系数，分别为 0.10、0.14 和 0.65，并将其设定为摩擦系数的三个水平；在实际生产过程中，通常根据经验公式 Z=(0.91.3)t 来确定凹凸模间隙，故将凹凸模间隙设定为 0.9t、1.1t 和 1.3t 三个水平（t 值指厚度大小）。采用上述 5 个因素作为研究因素，针对每个因素设置 3 个不同的水平值，并且制定出正交试验因素水平表，具体内容详见表 3。表表 3 正交试验因素水平表正交试验因素水平表Table 3 Orthogonal test factor level table研究因素/水平厚度 A/mm压边力 B/kN 冲压速度 C/mms-1摩擦系数 D 凹凸模间隙 E/mm空列 F空列 G11.010010000.100.9t1121.520030000.141.1t2232.030050000.651.3t33基于上述因素水平表，则相应地选择 L18(37)标准正交试验表，正交表中会有 2 个空白列，且在试验中不起作用，但可以用于其他分析。回弹问题是直接影响农用拖拉机挡泥板成形质量的最大问题，需要对回弹量(弯曲角回弹量)进行综合性研究，故将其设置为评价指标。在板料弯曲成形数值模拟过程中，根据公式(4)2能够计算出弯曲变形区在卸载过程中的弯曲角回弹量大小。(4)式中2：0加载时的中性层曲率半径；0加载时的弯曲角；0卸载后的中性层曲率半径；卸载后的弯曲角回弹量。正交试验表列于表 4。表表 4 正交试验表正交试验表Table 4 Orthogonal test table试验方案因素评价指标厚度 A/mm 压边力 B/kN 冲压速度 C/mms-1摩擦系数 D 凹凸模间隙 E/mm 空列 F 空列 G回弹量/11.0010010000.100.9t1127.5221.0020030000.141.1t2223.7831.0030050000.651.3t3317.7241.5010010000.141.1t3319.5051.5020030000.651.3t1118.1761.5030050000.100.9t2221.1772.0010030000.101.3t2321.2182.0020050000.140.9t3120.1792.0030010000.651.1t1216.48101.0010050000.651.1t2117.26111.0020010000.101.3t3224.08121.0030030000.140.9t1319.30131.5010030000.650.9t3222.34141.5020050000.101.1t1317.86151.5030010000.141.3t2118.47162.0010050000.141.3t1220.50172.0020010000.650.9t2319.08182.0030030000.101.1t3115.53786山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷2.2极差与方差分析极差与方差分析极差分析结果如表 5 所示，从此表中可以看出厚度、压边力、冲压速度、摩擦系数和凹凸模间隙 5 个因素均为有效影响因素。从极差分析结果来看，因素的极差值 R 愈大，则说明回弹量受到该因素的影响愈显著。由表 5 可知，影响回弹量的因素排列次序为 B(压边力)E(凹凸模间隙)A(厚度)D(摩擦系数)C(冲压速度)。回弹量越小，即各因素水平对应的 ki值也越小7。A 因素 k3较小，故 A3较好；B 因素 k3较小，故 B3较好；C 因素 k3较小，故 C3较好；D 因素 k3较小，故 D3较好；E 因素 k2较小，故 E2较好。根据各因素水平的 k 值，得到最优参数组合为 A3B3C3D3E2，即厚度为 2.0 mm，压边力为 300 kN，冲压速度为 5000 mms-1，摩擦系数为 0.65 及凹凸模间隙为 1.65 mm。表表 5 极差分析结果极差分析结果Table 5 Extreme variance analysis resultskiABCDEFGk121.61021.38820.85521.22821.59719.97219.520k219.58520.52320.05520.28718.40220.16221.392k318.82818.11219.11318.50820.02519.89019.112极差 R2.7823.2761.7422.7203.1950.2722.280因素主次BEADC最佳值A3B3C3D3E2优选组合A3B3C3D3E2注:其中 ki为同一因素下第 i 个水平的回弹量平均值(i=1、2、3)，R 为因素的极差。Note:In this context,kirepresents the average rebound quantity at the ith level under the same factor(i=1,2,3),and R denotes the range of thefactor.由于极差分析无法估计试验误差的大小，也不能进行显著性测量18。通过方差分析，可进一步了解各因素对回弹量影响的量化估计19。根据各因素的试验数据进行定量分析，得出各因素的显著性结果。各因素对回弹量影响的方差分析结果，如表 6 所示。表表 6 方差分析结果方差分析结果Table 6 Variance analysis results方差来源SSDDOFMSFF0.05P-value影响性A24.822212.4111.8595.140.235#B34.602217.3012.5915.140.154#C9.12024.560D22.895211.4481.7155.140.258#E30.627215.3132.2945.140.182#误差 e30.93947.735新误差 e40.05966.677总和153.00517注:1.SSD-离差平方和；DOF-自由度；MS-均方；F-分布统计量；F0.05-显著性水平 a=0.05 时查表获得的 F 临界值，F0.05=5.14；P-value-因素对试验结果无显著影响的概率；*-该因素的影响性显著；#-该因素对试验结果有影响，但不显著。2.均方计算完成后，若某个因素的均方比误差 e 的均方小或者相等，则应该将这些因素归为误差5，从而构成一个新误差 e。在方差分析中得到 MSCMSe，这表明了 C 因素对试验结果的影响较小，将其归入误差 e，从而形成新误差 e，新误差 e的离差平方和、自由度和均方都发生变化。Note:1.SSD-Sum of Squares for Deviation;DOF-Degrees of Freedom;MS-Mean Square;F-distribution statistic;F0.05-the critical F-value at thesignificance level a=0.05,where F0.05=5.14;P-value-the probability that the factor has no significant impact on the experimental results;*-indicatesthat the effect of the factor is significant;#-indicates that the factor has an effect on the experimental results,but it is not significant.2.After calculating the mean square,if the mean square of a factor is less than or equal to that of the error e,these factors should be attributed tothe error11,thus forming a new error e.In the analysis of variance,if MSC凹凸模间隙厚度摩擦系数冲压速度，并且得到了最优参数组合 A3B3C3D3E2，即厚度为 2.0 mm，压边力为 300 kN，冲压速度为5000 mms-1，摩擦系数为 0.65 及凹凸模间隙为 1.65 mm；（2）根据正交试验和各因素水平变化趋势图，分析得出：在一定范围内，农用拖拉机挡泥板的弯曲回弹量与厚度、压边力、冲压速度、摩擦系数呈现负相关关系，与凸凹模间隙呈现先负后正相关关系；（3）在最优参数组合的回弹模型上，采用等效拉延筋方法对 6061 铝合金板料弯曲成形进一步优化，以达到改变进料阻力分布、调节材料流动情况的目的，从而减小回弹量。同时，也验证了拉延筋模型能够有效地降低回弹程度；第 5 期王 硕等:基于有限元的农用拖拉机挡泥板弯曲成形分析及优化791（4）在使用等效拉延筋的回弹模型基础上，采用回弹补偿策略对制件进行回弹补偿，其回弹量明显减少；（5）本项研究表明，采用工艺参数控制法、等效拉延筋法和回弹补偿策略能够有效地控制制件的回弹问题，缩短试模调试时间，降低模具成本。致谢:感谢湖北省教育厅科学研究计划，编号：D20221606 资助。参考文献参考文献1臧其其,闫华军,张双杰,等.基于Dynaform的铝合金汽车地板梁成形分析及工艺参数优化J.塑性工程学报,2019,26(2):125-1312任 静.6061铝合金板材冲压成形回弹问题研究D.武汉:华中科技大学,20173张 铧.铝合金变压边力冲压成形的模拟分析及智能预测D.合肥:合肥工业大学,20104柴海啸,胡树根,王 耘.基于神经网络的板料冲压回弹预测系统的研究J.机械工程师,2006,24(1):82-845艾 锋.基于Design-expert软件的汽车挡泥板多目标优化J.热加工工艺,2015,44(11):126-1316王大鹏,李晓峰.某汽车内板冲压成形工艺优化及回弹补偿J.塑性工程学报,2022,29(9):40-467苟春梅,吴 民,董 静,等.汽车冲压件工艺参数优化及回弹控制J.锻压技术,2018,43(2):34-378Ma WP,Wang BY,Xiao WC,et al.Springback analysis of 6016 aluminum alloy sheet in hot V-shape stamping J.Journal of Central South University,2019,26(3):524-5359李奇涵,王文广,邓 义,等.基于数值模拟的油箱底壳拉延筋设置与优化J.锻压技术,2014,39(12):31-3410 尹晓阳,凃杰松,段海涛,等.表面润滑对6061铝合金板材成形性能的影响J.塑性工程学报,2018,25(2):65-7211 王孝培.冲压手册M.2版.北京:机械工业出版社,2011:17812 郜 晓,刘妮娜,李 俊,等.加强黄土的动力特性研究J.地震工程学报,2022,44(4):854-86413 王苏静,邓沛然,宣守强.6061高强度铝合金拉深工艺参数优化J.模具工业,2021,47(2):6-1014 郭 驿.拉延筋对拉深成形及回弹影响的关键技术研究D.合肥:合肥工业大学,201715 高 嵩,于长春,梁继才,等.铝型材多点三维拉压复合弯曲成形工艺J.机械工程学报,2019,55(20):152-15916 车 利,李小曼,王悉颖,等.6061铝合金飞机溢油口拉深成形研究J.精密成形工程,2023,15(3):112-11917 余国庆,鲁世红.基于有限元分析的铝合金板料弯曲回弹的影响因素研究J.机械科学与技术,2005(9):1077-108018 闵范磊,朱光明,高绪杰,等.铝合金板材挤压自弯曲成形机理及模具优化设计J.中国有色金属学报,2021,31(12):3508-351919 沈 智,金 康,周英丽,等.6014铝合金U形件弯曲回弹J.锻压技术,2021,46(10):88-9220 Zhou J,Yang XM,Wang BY,et al.Springback prediction of 7075 aluminum alloy V-shaped parts in cold and hotstamping J.The International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology,2021,119(1-2):203-21621 Sun XM,Ji YN,Xiao A,et al.Influence of single-pulse and high-amplitude current on springback and mechanicalproperties ofAA5052 aluminum alloy sheets J.Materials Characterization,2022,194:167-18522 刘迪辉,李光耀.等效拉延筋模型对回弹预测的影响J.塑性工程学报,2007,67(6):88-9123 张泉达,孙福臻,吉日格勒,等.基于Dynaform的球底筒形件充液成形回弹有限元模拟J.锻压技术,2023,48(5):275-28124 张 勇,范 轶,薛 洋.基于DYNAFORM和正交试验的轿车加强梁冲压工艺参数优化J.锻压技术,2019,44(2):37-42