ANSYS非線性功能在汽車剎車踏板設(shè)計和制造中的應(yīng)用

2013-08-07 by:CAE/FEA技術(shù)推廣中心來源:仿真在線

有限元分析不僅能幫助新產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計,還可用有限元模擬仿真實際的生產(chǎn)加工過程,解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題,提供對加工模具的要求信息等。剎車踏板生產(chǎn)工藝不同于傳統(tǒng)的沖壓生產(chǎn)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(zhàn):
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(shè)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(guī)范,生產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)點位置產(chǎn)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(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)時間,提高了成本。

使用ANSYS模擬實際踏板的生產(chǎn)加工過程, 可以事先驗證模具的設(shè)計,如固定彎頭和動彎頭的形狀,事先驗證動彎頭所需轉(zhuǎn)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。