一种变曲率汽车门框上条拉弯加载轨迹设计方法与流程

本发明涉及一种变曲率汽车门框上条拉弯加载轨迹的设计方法，特别涉及一种基于拉伸量控制的汽车门框上条拉弯成形方法。属于汽车制造工程/材料加工工程领域。

背景技术：

拉弯是型材弯曲成形最为常见的工艺方法之一，其制品精度高、回弹小、表面质量好，广泛应用于汽车、高速列车、航空飞行器等的弯曲件加工成形。汽车门框上条拉弯件外形轮廓复杂，特征型线相对弯曲半径大、为变曲率三维空间曲线。拉弯工艺方法对拉弯成形精度有重要影响，拉弯过程夹钳加载轨迹决定着拉弯件的成形质量。设计合理的夹钳加载轨迹有助于提高拉弯件尺寸精度，减小拉弯件的截面畸变，改善拉弯件表面成形质量。

型材拉弯拉伸量的均匀分配能够减小起皱，提高产品成形质量。对于变曲率的拉弯件，较大的弯曲曲率半径处应分配较大的拉伸量才能不发生起皱，因此，该设计方法将拉伸量按照弯曲曲率及弧段长度均匀分配，设计了与弯曲曲率和弯曲弧段长度相关的夹钳加载轨迹方法。通过对型材拉弯过程的有限元数值模拟，可在产品的设计阶段研究各种设计参数对成形质量的影响，能够有效地缩短产品的研发周期，提高产品质量，降低生产成本。本发明主要针对大相对弯曲半径、变曲率的三维门框上条拉弯件来完成基于拉伸量控制的门框上条拉弯成形方法概述。

目前未见有针对汽车门框上条，考虑弯曲曲率分配拉伸量的型材拉弯加载轨迹设计方法。

技术实现要素：

本发明涉及一种基于拉伸量控制的门框上条拉弯成形方法，目的在于减小成形缺陷，提高产品成形质量，提供了一种考虑模具特征线弯曲曲率的型材拉弯成形加载轨迹设计方法。本发明选择了合理的夹钳加载参考点位置，将拉伸量按照特征线弯曲曲率和弧段长度的比例关系均匀分配到每一个弯曲增量步，设计了合理的夹钳加载轨迹，改善了拉弯件的成形质量。

本发明通过如下技术方案实现：

一种变曲率汽车门框上条拉弯加载轨迹设计方法，包括步骤：

1)、建立坐标系，确定夹钳加载参考点坐标；

2)、由模具特征线转化得到用于轨迹计算的特征线；

3)、将特征线离散成n段线段单元，并得到各离散点坐标；

4)、确定每个位移增量步中型材的总拉伸量的分配量，建立与模具弯曲曲率和特征线每段线段长度相关的拉伸量计算公式，得到每个弯曲增量步的型材拉伸量；

5)、由每个弯曲增量步中型材与模具型面相切计算得出夹钳加载参考点每个弯曲增量步的坐标；

6)、将夹钳加载参考点运动轨迹转化为运动的时间幅值曲线，导入有限元软件进行型材拉弯成形数值模拟。

进一步地，所述步骤1)具体包括：将模具型面及型材离散成网格单元，用(x(i)，y(i)，z(i))(i＝1,2，…，k)表示型材固定端面的k个离散点坐标，夹钳加载参考点坐标为(g-l0，y0，z0)，

其中,l0为型材初始长度,g为夹钳夹持长度，

进一步地，所述步骤2)具体包括：以模具上面两条互相平行且曲率相近的特征线为引导线，按经过点(0，y0，z0)的直线扫掠得到经过点(0，y0，z0)与模具特征线形状相同的空间曲线，即为轨迹计算特征线。

进一步地，所述步骤3)具体包括：将特征线离散成n段线段单元，用(x(j)，y(j)，z(j))表示组成n段线段单元的n+1个离散点的坐标(j＝0,1,2，…,n)，且有[x(j)，y(j)，z(j)]|j＝0＝(0，y0，z0)。

进一步地，所述步骤4)具体包括：将总拉伸量按照

的比例关系均匀分配到每一个弯曲增量步，

其中,ε(i)为每个弯曲增量步的应变量,总应变量为为特征线上每段离散线段长度，(i＝1,2，…,n)。

进一步地，所述步骤5)具体包括：夹钳加载参考点第i个弯曲增量步的空间坐标为(x(i)，y(i)，z(i))，(i＝0,1,2，…，n)，其中：

x轴坐标：

y轴坐标：

z轴坐标：

为特征线上第i个离散线段长度，

为第i个弯曲增量步型材自由部分长度，

l(i)＝l(i)f+δli为第i个弯曲增量步型材未贴模部分总长度，

δli＝ε(i)l0为第i个弯曲增量步拉伸量，ε(i)为采用步骤四方法计算得到的第i个弯曲增量步的拉伸应变量；

将所述夹钳加载参考点坐标(g-l0，y0，z0)代入到以上坐标公式，经过迭代计算得到夹钳加载参考点每个弯曲增量步的坐标。

进一步地，所述步骤6)具体包括：给定仿真计算时间为t0，均匀分配到每一个弯曲增量步的时间增量当t＝kδt(1≤k≤s)时，对应的位移幅值为

将计算得到的时间位移幅值曲线导入abaqus型材拉弯仿真模型中，采用边拉边弯的拉弯工艺进行仿真计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过选取合理的夹钳运动轨迹加载参考点，将给定拉伸量按照模具特征线弯曲曲率和弧段长度乘积相关的比例关系均匀分配到每个弯曲增量步，避免了型材截面材料拉伸的不均匀，保证了最外层和最内层材料变形的一致性。该方法可以很好地控制三维变曲率门框上条拉弯成形的均匀性，有利于减小截面畸变，提高尺寸成形精度和表面质量。

附图说明

图1为拉弯型材模具装配关系示意图；

图2为拉弯夹钳参考点示意图；

图3为轨迹计算特征线示意图；

图4为特征线离散弧段曲率半径计算示意图；

图5为每个弯曲增量步拉伸量分配比例示意图；

图6为夹钳运动轨迹计算示意图；

图7为夹钳三维运动轨迹示意图；

图8为时间位移幅值曲线示意图；

图9为仿真拉弯成形型材贴模效果图；

图10为仿真拉弯成形产品质量图。

附图标号说明：1-模具型面，2-型材可变形部分，3-夹钳加载参考点所在截面，4-型材夹持部分，5-直线段，6-第一扫掠引导线，7-第二扫掠引导线，8-轨迹计算特征线，9-型材可变形部分中心线，10-型材，11-模具。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明方法进一步详细描述。

本实施例中采取长度为800mm的复杂截面门框上条型材，拉弯型材与模具的装配关系如图1所示，模具设置有模具型面1，拉弯型材设置有型材可变形部分2，夹钳加载参考点所在截面3，型材夹持部分4。

一种变曲率汽车门框上条拉弯加载轨迹设计方法，具体包括以下步骤：

1)、建立坐标系，确定夹钳加载参考点坐标；

2)、由模具特征线转化得到用于轨迹计算的特征线；

3)、将特征线离散成n段线段单元，并得到各离散点坐标；

4)、确定每个位移增量步中型材的总拉伸量的分配量，建立与模具弯曲曲率和特征线每段线段长度相关的拉伸量计算公式，得到每个弯曲增量步的型材拉伸量；

5)、由每个弯曲增量步中型材与模具型面相切计算得出夹钳加载参考点每个弯曲增量步的坐标；

6)、将夹钳加载参考点运动轨迹转化为运动的时间幅值曲线，导入有限元软件进行型材拉弯成形数值模拟。

具体而言，结合附图1和附图2，所述步骤1)具体包括：型材固定端与模具完全贴合，在三维坐标系中描述模具及型材上点的坐标。型材初始长度为l0，夹钳夹持长度为g，型材长度方向沿x轴方向，坐标原点位于型材固定端面内，则夹钳加载参考点坐标为(g-l0，y0，z0)。将模具型面及型材离散成网格单元，用(x(i)，y(i)，z(i))(i＝1,2，…，k)表示型材固定端面的k个离散点坐标，则有：本实施例中，计算得到型材可变形部分中心线9的起始点坐标为(0，18.03，-3.08)，终点坐标为(-792.5，18.03，-3.08)，夹钳加载参考点坐标即为(-792.5，18.03，-3.08)。

具体而言，结合附图3，所述步骤2)具体包括：在型材固定端面内过点(0，y0，z0)作一条直线段5，以模具上面两条互相平行且曲率相近的第一扫掠引导线6和第二扫掠引导线7作为引导线，对其进行扫掠得到经过点(0，y0，z0)与模具特征线形状相同的空间曲线，即用于轨迹计算的轨迹计算特征线8，以下简称特征线。

具体而言，所述步骤3)具体包括：将特征线离散成n段线段单元，用(x(j)，y(j)，z(j))表示组成n段线段单元的n+1个离散点的坐标(j＝0,1,2，…,n)，且有[x(j)，y(j)，z(j)]|j＝0＝(0，y0，z0)＝(0，18.03，-3.08)。

具体而言，所述步骤4)具体包括：如附图4所示，(x(j-1)，y(j-1)，z(j-1))，(x(j)，y(j)，z(j))，(x(j+1)，y(j+1)，z(j+1))为特征线离散线段上相邻三点坐标，除去特征线上两个端点，此处j取从1到n-1的正整数。

分别计算三点在xoy平面和xoz投影所在圆的曲率半径：

其中，

(n(j)xy,m(j)xy)为弧段在xoy平面投影所在圆的圆心，(n(j)xz,m(j)xz)为弧段在xoz平面投影所在圆的圆心。

特征线离散为n段线段单元，平面上每三个点可以确定一个圆弧曲率半径，对应xoy平面和xoz平面可以得到2n-2个不同的曲率半径。用衡量空间三点确定圆弧的总的曲率半径，其中k＝j。

给定总的拉伸应变量为ε0，则总拉伸量表示为△l＝ε0l0，将总拉伸量按照

的比例关系均匀分配到每一个弯曲增量步，

为特征线上每段离散线段长度，(i＝1,2，…,n)。

本实施例给定总拉伸量为ε0＝1.5％，总拉伸量按照

的比例关系分配到每一个弯曲增量步，其相应的分配比例如附图5。

具体而言，结合附图6，所述步骤5)具体包括：夹钳加载参考点初始坐标为(g-l0，y0，z0)，夹钳加载参考点第i个弯曲增量步的空间坐标为(x(i)，y(i)，z(i))，(i＝0,1,2，…，n)，其中：

x轴坐标：

y轴坐标：

z轴坐标：

特征线上第i个离散线段长度为

第i个弯曲增量步型材自由部分长度为

第i个弯曲增量步拉伸量δli＝ε(i)l0，ε(i)为采用步骤4)中方法计算得到的第i个弯曲增量步的拉伸应变量，第i个弯曲增量步型材未贴模部分总长度l(i)＝l(i)f+δli。

本实施例中，将夹钳加载参考点坐标(-792.5，18.03，-3.08)代入到以上坐标公式，又轨迹计算特征线8离散得到离散线段上各点坐标为已知，经过迭代计算得到夹钳加载参考点每个弯曲增量步的坐标。拉弯加载空间运动轨迹如附图7，中间轨迹为加载空间运动轨迹，另两条为空间轨迹在xoy和yoz平面上的投影。

具体而言，步骤6)具体包括：第i个弯曲增量步夹钳参考点位移表示为(δx(i),δy(i),δz(i))，

其中，δx(i)＝x(i)-x(i-1)，δy(i)＝y(i)-y(i-1)，δz(i)＝z(i)-z(i-1)。

记表示夹钳加载参考点每步位移绝对值之和的平均值，简称位移平均值；

记表示第i个弯曲增量步位移大小与位移平均值的比例系数，[cxi]、[cyi]、[czi]分别表示不超过cxi、cyi、czi的最大整数。令cimax＝max([cxi],[cyi],[czi])，将第i个弯曲增量步平均分为cimax个弯曲增量步，总弯曲增量步数重新划分后的弯曲增量步位移为(δx(j),δy(j),δz(j))，(j＝1,2，…，s)。给定仿真计算时间为t0，均匀分配到每一个弯曲增量步的时间增量当t＝kδt(1≤k≤s)时，对应的位移幅值为将计算得到的时间位移加载幅值曲线导入abaqus型材拉弯仿真模型中，采用边拉边弯的拉弯工艺进行仿真计算。

本实施例中计算所得时间位移幅值曲线如附图8。仿真拉弯成形型材贴模效果如附图9，可见采用拉伸量按弯曲曲率和弧段长度乘积比例关系分配的方法，成形型材贴模效果很好，型材10与模具11间隙小而且非常均匀。仿真拉弯成形产品表面质量如附图10，可见采用该方法，产品表面没有发生起皱，夹钳附近没有发生大的畸变，拉伸量得到了合理分配。

采用本实例方法，通过选取合理的夹钳运动轨迹加载参考点，将给定拉伸量按照模具特征线弯曲曲率和弧段长度乘积相关的比例关系均匀分配到每个弯曲增量步，避免了型材截面材料拉伸的不均匀，保证了最外层和最内层材料变形的一致性。该方法可以很好地控制三维变曲率门框上条拉弯成形的均匀性，有利于减小截面畸变，提高尺寸成形精度和表面质量。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。