一种型材三维拉弯成形性预测评价优化方法与流程

本发明涉及机械加工制造领域，具体涉及一种型材三维拉弯成形性预测评价优化方法。

背景技术：

三维拉弯成形技术在汽车、铁路机车、航空航天等领域应用广泛，像汽车门框上条、车门导轨，轨道车辆车顶弯梁，飞机的框肋缘条、长桁等零件都由拉弯工艺制成。此类零件的特点是纵向尺寸长、弯曲半径大和形状准确度要求高，在生产中普遍采用拉弯成形工艺制造。拉弯成形具有残余应力少，适用于变曲率弯曲件等优点。然而拉弯成形件又具有空心、薄壁等特点，容易在拉弯成形过程中产生壁截面畸变缺陷。弹塑性的金属型材在成形卸载后由于内应力的释放出现回弹现象，造成成形后零件形状的改变，降低产品精度，影响零件的使用。因此，复杂截面型材的高精度拉弯成形成为机械加工制造领域的关键技术。

汽车车身基于减小风阻系数的考虑一般造型成流线型，有些车身部件的空间形状也很符合流线型规则。以汽车门框上条为例，它的扫掠线在空间中的形状就是三维曲线，因此汽车门框上条这种零件就很适合三维拉弯成形。虽然门框上条很符合流线型规则，但是可能在加工制造环节产生较严重的成形缺陷。最终结果就是零件成形性差，造成零件成本高昂，生产周期过长，降低整车产品的竞争力。因此型材三维拉弯成形性的预测成为亟待解决的难题。

拉弯型材的截面通常有多个尺寸，拉弯成形结束后，各个尺寸的变化量可能并不一致，如何科学衡量整个截面的变形量就显得尤为重要！面对多方案的择优选型时也需要科学评价各个方案的优劣，以确定最优的拉弯产品设计方案。

有时，在拉弯产品经过预测之后，成形性并不能满足设计要求。如何引进优化技术，对部分设计变量进行优化，使得优化后拉弯零件的成形性满足要求也是需要解决的一大问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种型材三维拉弯成形性预测评价优化方法可以预测、评价并优化型材进行三维拉弯成形性。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种型材三维拉弯成形性预测评价优化方法，其包括以下步骤：

s1、建立有限元计算模型，预测型材在三维拉弯后及回弹后的有限元计算结果，进而得到型材三维拉弯成形性；

s2、根据型材在三维拉弯后及回弹后的有限元计算结果评价型材三维拉弯成形性；

s3、根据有限元计算模型和成形性要求，优化三维拉弯成形性参数，进而优化三维拉弯成形性。

进一步地，有限元计算模型的建模方法包括以下步骤：

s1-1、单元定义：根据模具和未三维拉弯型材的数据，采用abaqus获取型材的中面、模具与型材的接触面并对型材的中面、模具与型材的接触面划分网格，得到模具网格和型材中面网格，其中模具网格包括固定模具网格、正下方的下侧整形模具网格和型材斜上方的侧方整形模具网格；

s1-2、材料定义：将固定模具网格、正下方的下侧整形模具网格和型材斜上方的侧方整形模具网格设置为离散刚体，并在各自的质心位置处添加运动参考点，将型材中面网格设置为弹塑性，并在型材中面网格厚度方向设置至少五个高斯积分点；

s1-3、接触定义：根据abaqus将步骤s2中所有的模具网格和型材中面网格建立通用接触属性，并通过库伦摩擦公式得到型材与所有拉弯模具接触界面的切向行为；若型材为多层焊接型材，根据两层壳单元相互绑定方法进行模拟，根据焊点直径设置绑定区域的尺寸；

s1-4、载荷定义：

s1-4-1、建立参考点a-e；

a点在型材中间截面远离拉弯模具型材水平方向上方；

b点在夹钳夹持端向外一定距离处，且保证ab点连线与初始型材轴线平行；

c点在b点竖直向下一定距离处；

d点位置使得dc连线同时与bc连线、ed连线垂直；

e点位于夹钳夹持端与型材轴线交点处；

s1-4-2、根据参考点建立参考坐标系：

将下方整形模具固定端截面上任一网格节点作为坐标原点o,竖直向上方向作为x轴，与型材轴线初始位置垂直方向为y轴，与型材轴线初始位置平行方向为z轴，建立局部坐标系o-xyz；

将侧方整形模具固定端截面上任一网格节点作为坐标原点o2，侧方整形模具指向型材对应整形表面的方向作为x2轴，在固定端截面内与x2垂直方向为y2轴，根据右手定则确定z2轴，进而建立局部坐标系o2-x2y2z2；

将a点作为坐标原点o3，ab线作为x3轴，y3轴方向与型材轴线初始位置平行，方向由型材指向固定模具，根据右手定则确定z3轴并作为虚拟立柱，建立坐标系o3-x3y3z3；

s1-4-3、根据参考坐标系施加载荷：

对de线施加圆柱副作为虚拟夹钳，并在e点对型材施加沿型材轴向的拉力f；

对ab线施加刚性连接约束，将ab线作为虚拟横张臂、bc线作为虚拟纵张臂、cd线作为虚拟引伸臂；施加绕z3轴的正向角位移θz，使型材弯曲靠入固定模具；

对a点施加z3轴正向位移sz，带动型材端部上升，使型材端部进入固定模具；

使下方整形模具和侧方整形模具分别沿局部坐标系o-xyz的x轴和局部坐标系o2-x2y2z2的x2轴移动一定距离，完成对型材外观面的整形；

s1-5、根据abaqus建立动态显示分析步，得到型材三维拉弯成形结果，并将型材三维拉弯成形结果作为拉弯回弹有限元计算模型；

s1-6、在型材拉弯成形结果作为拉弯回弹有限元计算模型基础上，以型材内应力作为回弹载荷，得到型材回弹后的型材位置，进而得到型材在回弹后的有限元计算结果，即完成对型材三维拉弯成形性预测。

进一步地，型材三维拉弯成形结果包括型材三维拉弯成形后应力应变状态、厚度分布和单元节点位置。

进一步地，根据型材在三维拉弯后及回弹后的有限元计算结果评价型材三维拉弯成形性的方法包括：

评价型材三维拉弯截面变形量：

根据加权均方误差公式

δε＝max(εi)(i＝1,2,3...)

得到型材多个测量截面中变形最严重的一个截面的评价值，即型材三维拉弯截面变形量的评价指标δε，其值越大，截面变形越严重；其中εi为第i个测量截面的评价结果；p为每个截面需要测量的尺寸个数；wj为第j个尺寸的权重系数即常数且0<wj<1；s0j为成形前尺寸j的测量值；sij为成形后第i个测量截面内尺寸j的测量值；

评价型材三维拉弯截面回弹量：

根据公式

δr＝r2-r1

得到型材三维拉弯回弹半径与设计型材的半径匹配程度，即型材三维拉弯截面回弹量评价指标δr；其中r2为型材三维拉弯回弹后的弯曲半径计算值，r1为型材设计弯曲半径；

根据公式

i＝wεwaδε+wrδr

wa＝δr/δε

wε+wr＝1

得到型材三维拉弯成形性的指标i，即型材三维拉弯成形性的评价结果；其中wε为型材三维拉弯截面变形项的权重；wa是平衡截面变形和弯曲回弹两项之间量级的权重；δε是型材三维拉弯截面变形量的评价指标；wr为弯曲回弹项的权重；δr为型材三维拉弯回弹量评价指标。

进一步地，根据有限元计算模型和成形性要求，优化三维拉弯成形性参数，进而优化三维拉弯成形性的方法为：

将截面变形量、回弹量或者两者一起作为优化目标，使其取到最小值，以型材截面轮廓线、弯曲角度、首尾端高度差、材料力学性能参数、焊点直径、焊点间距其中的一项作为优化设计变量，剩余项作为优化设计的约束，根据公式

min{δε、δr、i}

subjectto:

以及有限元计算模型和型材三维拉弯成形性评价方法对型材三维拉弯的成形性进行优化；其中θ为型材两截取平面间的夹角；δh为型材首尾端高度差；dsp为型材上焊点直径；isp为型材上焊点间距；kcs为型材截面刚度；σs为型材的屈服强度；θ1和θ2分别为型材两截取平面间夹角取值的下限与上限；h1和h2分别为型材首尾端高度差的下限与上限；d1和d2分别为型材上焊点直径的下限和上限；i1和i2分别为型材上焊点间距的下限和上限；k1和k2分别为型材截面刚度的下限和上限；σ1和σ2分别为型材屈服强度的下限和上限。

本发明的有益效果为：本发明一方面可以准确预测并评价型材三维拉弯的截面变形量和成形卸载后的回弹情况，另一方面提供了一种拉弯零件的优化设计方法，以拉弯件成形性要求为目标，拉弯成形工艺参数为约束，优化某些设计变量。本系统既可以用于型材的二维平面拉弯成形性预测、评价与优化，也可以用于型材的三维弯成形性预测、评价与优化，避免或减少开模、试模工作，减少生产成本的同时明显缩短开发周期，使拉弯成形零件更具市场竞争力。

附图说明

图1是本发明实施例中汽车门框上条的设计参数说明；

图2是图1中的m-m剖视图和截面需要测量的截面尺寸；

图3是是本发明实施例中汽车门框上条的焊点信息；

图4是本发明实施例的汽车门框上条拉弯成形性分析有限元模型；

图5是本发明实施例有限元模型的n向视图；

图6是本发明实施例拉弯成形前后截面变形对比示意图；

图7是本发明实施例拉弯回弹前后扫掠线半径对比示意图。

其中：1、夹钳夹持端；2、门框上条固定端；3、回弹后的型材扫掠线；4、焊点；5、固定模具；6、下方整形模具；7、侧方整形模具；8、虚拟立柱；9、门框上条；10、虚拟夹钳；11、虚拟引伸臂；12、虚拟纵张臂；13、虚拟横张臂；14、回弹前的型材扫掠线。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

该型材三维拉弯成形性预测评价优化方法包括以下步骤：

s1、建立有限元计算模型，预测型材在三维拉弯后及回弹后的有限元计算结果，进而得到型材三维拉弯成形性；s2、根据型材在三维拉弯后及回弹后的有限元计算结果评价型材三维拉弯成形性；s3、根据有限元计算模型和成形性要求，优化三维拉弯成形性参数，进而优化三维拉弯成形性。

有限元计算模型的建模方法和预测成形性的方法包括以下步骤：

s1-1、单元定义：根据模具和未三维拉弯型材的数据，采用abaqus获取型材的中面、模具与型材的接触面并对型材的中面、模具与型材的接触面划分网格，得到模具网格和型材中面网格，其中模具网格包括固定模具网格、正下方的下侧整形模具网格和型材斜上方的侧方整形模具网格；

s1-2、材料定义：将固定模具网格、正下方的下侧整形模具网格和型材斜上方的侧方整形模具网格设置为离散刚体，并在各自的质心位置处添加运动参考点，将型材中面网格设置为弹塑性，并在型材中面网格厚度方向设置至少五个高斯积分点；

s1-3、接触定义：根据abaqus将步骤s2中所有的模具网格和型材中面网格建立通用接触属性，并通过库伦摩擦公式得到型材与所有拉弯模具接触界面的切向行为；若型材为多层焊接型材，根据两层壳单元相互绑定方法进行模拟，根据焊点4直径设置绑定区域的尺寸；

s1-4、载荷定义：

s1-4-1、建立参考点a-e；

a点在型材中间截面远离拉弯模具型材水平方向上方；

b点在夹钳夹持端1向外一定距离处，且保证ab点连线与初始型材轴线平行；

c点在b点竖直向下一定距离处；

d点位置使得dc连线同时与bc连线、ed连线垂直；

e点位于夹钳夹持端1与型材轴线交点处；

s1-4-2、根据参考点建立参考坐标系：

将下方整形模具6固定端截面上任一网格节点作为坐标原点o，竖直向上方向作为x轴，与型材轴线初始位置垂直方向为y轴，与型材轴线初始位置平行方向为z轴，建立局部坐标系o-xyz；

将侧方整形模具7固定端截面上任一网格节点作为坐标原点o2，侧方整形模具7指向型材对应整形表面的方向作为x2轴，在固定端截面内与x2垂直方向为y2轴，根据右手定则确定z2轴，进而建立局部坐标系o2-x2y2z2；

将a点作为坐标原点o3，ab线作为x3轴，y3轴方向与型材轴线初始位置平行，方向由型材指向固定模具5，根据右手定则确定z3轴并作为虚拟立柱8，建立坐标系o3-x3y3z3；

s1-4-3、根据参考坐标系施加载荷：

对de线施加圆柱副作为虚拟夹钳，并在e点对型材施加沿型材轴向的拉力f；

对ab线施加刚性连接约束，将ab线作为虚拟横张臂13、bc线作为虚拟纵张臂12、cd线作为虚拟引伸臂11；施加绕z3轴的正向角位移θz，使型材弯曲靠入固定模具5；

对a点施加z3轴正向位移sz，带动型材端部上升，使型材端部进入固定模具5；

使下方整形模具6和侧方整形模具7分别沿局部坐标系o-xyz的x轴和局部坐标系o2-x2y2z2的x2轴移动一定距离，完成对型材外观面的整形；

s1-5、根据abaqus建立动态显示分析步，得到型材三维拉弯成形结果，并将型材三维拉弯成形结果作为拉弯回弹有限元计算模型；

s1-6、在型材拉弯成形结果作为拉弯回弹有限元计算模型的基础上，以型材内应力作为回弹载荷，得到型材回弹后的型材位置，进而得到型材在回弹后的有限元计算结果，即完成对型材三维拉弯成形性预测。

型材三维拉弯成形结果包括型材三维拉弯成形后应力应变状态、厚度分布(如图2所示)和单元节点位置。

根据型材在三维拉弯后及回弹后的有限元计算结果评价型材三维拉弯成形性的方法包括：

评价型材三维拉弯截面变形量：

根据加权均方误差公式

δε＝max(εi)(i＝1,2,3...)

得到型材多个测量截面中变形最严重的一个截面的评价值，即型材三维拉弯截面变形量的评价指标δε，其值越大，截面变形越严重；其中εi为第i个测量截面的评价结果；p为每个截面需要测量的尺寸个数；wj为第j个尺寸的权重系数即常数且0<wj<1；s0j为成形前尺寸j的测量值；sij为成形后第i个测量截面内尺寸j的测量值；

评价型材三维拉弯截面回弹量：

根据公式

δr＝r2-r1

得到型材三维拉弯回弹半径与设计型材的半径匹配程度，即型材三维拉弯截面回弹量评价指标δr；其中r2为型材三维拉弯回弹后的弯曲半径计算值，r1为型材设计弯曲半径；

根据公式

i＝wεwaδε+wrδr

wa＝δr/δε

wε+wr＝1

得到型材三维拉弯成形性的指标i，即型材三维拉弯成形性的评价结果；其中wε为型材三维拉弯截面变形项的权重；wa是平衡截面变形和弯曲回弹两项之间量级的权重；δε是型材三维拉弯截面变形量的评价指标；wr为弯曲回弹项的权重；δr为型材三维拉弯回弹量评价指标。

根据有限元计算模型和成形性要求，优化三维拉弯成形性参数，进而优化三维拉弯成形性的方法为：

将截面变形量、回弹量或者两者一起作为优化目标，使其取到最小值，以型材截面轮廓线、弯曲角度、首尾端高度差、材料力学性能参数、焊点4直径、焊点4间距其中的一项作为优化设计变量，剩余项作为优化设计的约束，根据公式

min{δε、δr、i}

subjectto:

以及有限元计算模型和型材三维拉弯成形性评价方法对型材三维拉弯的成形性进行优化；其中θ为型材两截取平面间的夹角；δh为型材首尾端高度差；dsp为型材上焊点4直径；isp为型材上焊点4间距；kcs为型材截面刚度；σs为型材的屈服强度；θ1和θ2分别为型材两截取平面间夹角取值的下限与上限；h1和h2分别为型材首尾端高度差的下限与上限；d1和d2分别为型材上焊点4直径的下限和上限；i1和i2分别为型材上焊点4间距的下限和上限；k1和k2分别为型材截面刚度的下限和上限；σ1和σ2分别为型材屈服强度的下限和上限。

以汽车门框上条9为例，如图1所示，汽车门框上条9产品在主视图和俯视图两个平面上都存在弯曲，这种现象称为门框上条9的三维弯曲。汽车门框上条9产品的截面形状如图2所示。为便于区分不同的三维拉弯设计方案同时便于拉弯成形性预测计算，如图1中所示，选取主视图中门框上条9夹持端和门框上条固定端2在竖直方向上的高度差δh和俯视图中首尾端截取平面夹角θ两个特征参数表征这种设计方案。

如图4和图5所示，有限元计算模型的建模方法包括以下步骤：

网格定义：根据固定模具5、下方整形模具6、侧方整形模具7和未三维拉弯门框上条9的数据，采用abaqus获取门框上条9的中面、模具与门框上条9的接触面并对门框上条9的中面、模具与门框上条9的接触面划分网格，得到模具网格和门框上条9的网格，其中模具网格包括拉弯固定模具5的网格、下方整形模具6的网格和门框上条9斜上方的侧方整形模具7的网格；

材料定义：将固定模具5的网格、下方整形模具6的网格和门框上条9斜上方的侧方整形模具7的网格设置为离散刚体，并在各自的质心位置处添加运动参考点，将门框上条9的网格设置为弹塑性，并在门框上条9网格厚度方向设置至少五个高斯积分点；

接触定义：根据abaqus将步骤s2中所有的模具网格和门框上条9网格建立通用接触属性，并通过库伦摩擦公式得到门框上条9与所有拉弯模具接触界面的切向行为，接触搜索算法选择罚函数，摩擦系数取0.125；若型材为多层焊接型材，根据两层壳网格相互绑定方法进行模拟，根据焊点4直径设置绑定区域的尺寸；

载荷定义：

建立参考点a-e；

a点在门框上条9中间截面上方远离拉弯固定模具5方向；

b点在门框上条9的夹钳夹持端1向外一定距离处，且保证ab点连线与初始门框上条9轴线平行；

c点在b点竖直向下一定距离处；

d点位置使得dc连线同时与bc连线、ed连线垂直；

e点位于门框上条9的夹钳夹持端1与门框上条9轴线交点处；

根据参考点建立参考坐标系：

将下方整形模具6固定端截面上任一网格节点作为坐标原点o，竖直向上方向作为x轴，与门框上条9轴线初始位置垂直方向为y轴，与门框上条9轴线初始位置平行方向为z轴，建立局部坐标系o-xyz；

将侧方整形模具7固定端截面上任一网格节点作为坐标原点o2，侧方整形模具7指向门框上条9对应整形表面的方向作为x2轴，在固定端截面内与x2垂直方向为y2轴，根据右手定则确定z2轴，进而建立局部坐标系o2-x2y2z2；

将a点作为坐标原点o3，ab线作为x3轴，y3轴方向与门框上条9轴线初始位置平行，方向由门框上条9指向固定模具5，根据右手定则确定z3轴，建立坐标系o3-x3y3z3；

根据参考坐标系施加载荷：

对de线施加圆柱副作为拉弯机虚拟夹钳10，固定门框上条固定端2处，并在e点(门框上条9的夹钳夹持端1处)对门框上条9施加沿轴向的拉力f；

对ab线施加刚性连接约束，将ab线作为虚拟横张臂13、bc线作为虚拟纵张臂12、cd线作为虚拟引伸臂11；施加绕z3轴(虚拟立柱8)的正向角位移θz，使门框上条9弯曲靠入固定模具5；

对a点施加z3轴正向位移sz，带动门框上条9的夹钳夹持端1上升，使门框上条9的夹钳夹持端1进入固定模具5；

如图5，使下方整形模具6和侧方整形模具7分别沿局部坐标系o-xyz的x轴和局部坐标系o2-x2y2z2的x2轴移动一定距离，完成对门框上条9外观面的整形；

根据abaqus建立动态显示分析步，得到门框上条9三维拉弯成形结果，并将门框上条9三维拉弯成形结果作为拉弯后有限元计算模型；

在门框上条9拉弯成形结果作为拉弯后有限元计算模型基础上，以门框上条9内应力作为回弹载荷，得到门框上条9回弹后的位置，进而得到门框上条9在三维拉弯后及回弹后的有限元计算结果，即完成对门框上条9三维拉弯成形性的预测。

如图3所示，焊点4直径记为dsp，焊点4间距记为isp。对于图2中门框上条9三层板料焊接部位使用两层壳网格相互绑定的方法模拟，依照前述的门框上条9产品上的焊点4直径dsp设置绑定区域的尺寸，相邻两个绑定区域之间的距离参考焊点4间距值isp。门框上条9的夹持使用耦合约束，将门框上条9需要夹持住的节点的六个自由度与参考点e耦合，如图4所示。

依据汽车门框上条9的实际拉弯过程，在a-e处建立五个参考点，并在各点之间添加运动副然后施加载荷。

de线模拟夹钳，在e点对门框上条9施加沿轴向的拉力f，值为22000n；ab线作为拉弯机虚拟横张臂13，可以绕虚拟立柱8转动。施加绕z3轴的正向角位移θz(其值与θ相关)，使门框上条9弯曲靠入固定模具5；在a点施加z3轴正向位移sz(其值与δh相关)，通过虚拟横张臂13、虚拟纵张臂12、虚拟引伸臂11、虚拟夹钳10将运动传递至点e，带动门框上条9的夹钳夹持端1上升，让门框上条9端部也能顺利进入固定模具5；如图5所示，下方整形模具6和侧方整形模具7分别沿x轴和x2轴移动一定距离，完成对门框上条9外观面的整形。

提交有限元软件分析后得到拉弯成型结果，将拉弯成形前后截面变形对比图(如图6所示)、回弹前的型材扫掠线14与回弹后的型材扫掠线3对比图(如图7所示)输出至人机接口，方便用户查询预测结果。同时系统评价该门框上条9的拉弯成形性，将δε、δr、i三个指标输出到人机交互界面，供用户参考。至此，本方法组成的系统(专家系统)也完成一次自我学习，本次学习的全部知识将以计算机可识别的格式存入知识库。

在本发明的一个实施例中，如果某些设计方案的成型性不能满足设计要求，则需要借助系统的成形性优化子系统对型材拉弯的成型进行优化。首先系统从知识库中调取相关的专家知识，存储至全局数据库，推理机使用该数据进行推理。推理过程其实就是前述预测过程的不断循环迭代，与单独的预测计算不同之处为：推理过程中使用的相关计算参数是变量，变量值可以在一定范围内变化。如此循环迭代直到计算得到的成形性指标与目标成形性指标之间的差值小于系统容差，则迭代完成优化结束。最后通过人机接口显示优化结果，解释器负责向用户解释本次推理运用了哪些专家知识，推理机是如何得到结果等问题。

本发明一方面可以准确预测并评价型材三维拉弯的截面变形量和成形卸载后的回弹情况，另一方面提供了一种拉弯零件的优化设计方法，以拉弯件成形性要求为目标，拉弯成形工艺参数为约束，优化某些设计变量。本系统既可以用于型材的二维平面拉弯成形性预测、评价与优化，也可以进行型材的三维弯成形性预测、评价与优化，避免或减少开模、试模工作，减少生产成本的同时明显缩短开发周期，使拉弯成形零件更具市场竞争力。