Предварительное моделирование при разработке автомобиля

Предварительное моделирование имеет большое значение для автомобильных деталей из листового металла. Моделирование процесса формования металла, такого как глубокая вытяжка, влияет технологический процесс и выбор материала. Моделирование процесса формования листового металла деталей кузова автомобиля может быть классифицировано в соответствии с используемым методом, таким как одношаговое или точное поэтапное моделирование конечных элементов и этапом процесса разработки, на котором реализуется метод.

Как правило, на начальных этапах в цикле разработки транспортного средства (например, во время разработки концепции или на ранней стадии разработки прототипа) предварительное моделирование может быть выполнено только с помощью одношаговых методов, поскольку технологическое проектирование или конструирование инструмента еще не было выполнено. Одношаговые методы обычно обеспечивают предварительную обратную связь, такую ​​как приблизительная оценка местоположения (но не абсолютного значения) критических зон деформации или складок на листе металла.
Для получения более точных результатов требуются дополнительное моделирование. В процессе формования, такого как глубокая вытяжка, при моделировании необходимо правильно спроектировать инструменты (оснастка, штамп, заготовка) и параметры формования (форма заготовки, силы сопротивления, ребра жесткости и т.д.). Для этого требуется модель инструментального средства автоматизированного проектирования (САПР), которая обычно доступна только на более поздних стадиях прототипа или при создании производственного инструмента.

С помощью поэтапного моделирования конструкторы и инженеры автомобильной сферы могут очень точно моделировать и определять возможности изготовления таких деталей, как двери автомобиля, крылья, рама, стойки и т.д. Геометрия и параметры процесса изготовления также могут быть оптимизированы. В результате, использование различных методов предварительного моделирования может привести к экономии затрат при изготовлении инструмента и подготовительных этапах, если они полностью интегрированы в процесс разработки. Затем моделирование может значительно сократить общее время разработки и повысить качество продукта.

В этой статье обсуждается интеграция моделирования формования листового металла в процессе разработки транспортного средства. В нем рассматриваются различные периоды разработки транспортного средства, различные применяемые методы моделирования и данные, необходимые для каждого из методов. Он также описывает результаты, которые могут быть достигнуты в результате моделирования.

Особенностью моделирования и разработки автомобилей в последние годы стало растущее стремление ускорить процесс и снизить стоимость разработки автомобилей, которые будут обладать меньшей массой. Это достигается благодаря широкому использованию высокопрочных сталей, алюминия, магния и пластмасс, а также с постоянно растущим использованием уникальных деталей.

Производство деталей кузова из этих материалов создает трудности, потому что процесс формовки сложнее, чем с мягкой сталью, и у производителей недостаточно опыта при работе с подобными материалами. Поэтому предварительное моделирование процесса формования на стадии разработки становится все более важным. Сегодня существует ряд методов моделирования для достижения различных целей на каждом этапе.

На этапе разработки концепции разработчик детали может учитывать различные проблемы которые могут возникнуть в процессе формовки. Один из надежных способов сделать это - поручить этот этап специалисту имеющему большой практический опыт. Однако в отношении новых материалов - высокопрочных сталей, алюминия и магния - на многие подробные вопросы в отношении новых материалов не имеют полного ответа, поэтому опыт не помогает определить, как следует производить детали. Базы данных содержат знания, к которым можно обращаться в любое время. Тут важным является корректное внесение новой информации и обслуживание большого объема информации. Кроме того, пользователи должны обладать самосознанием, чтобы передавать свои знания в общую базу данных. Но несмотря на существующие информационные базы, все еще существуют вопросы об использовании новых материалов.

Выбранный метод предварительного моделирования процесса формования зависит от конечных результатов, которые должны быть получены, и данных, доступных на данном этапе разработки. При подобных методах обычно для моделирования требуется только геометрия компонента. Характеристики материала и толщина листа являются достаточным набором характеристик для начала работы по моделированию формования.
Более точные одностадийные результаты можно получить, включив элементы в математическую модель расчета, чтобы учесть влияние инструмента формовки. Кроме того, эти данные можно использовать для последующего точного проектирования самой оснастки.

В настоящее время результаты предварительного одношагового моделирования должны рассматриваться как грубая оценка конечного результата. Тем не менее, на ранних стадиях разработки результаты являются достаточно точными, чтобы позволить разработать производимую деталь, которую может одобрить руководитель проекта.

Более точные расчеты для оптимизации процесса могут быть получены с помощью дополнительных методов. В этом случае процесс формования детали может быть точно воспроизведен начиная с заготовки и расчета её деформации в прессе. Но для подобного предварительного моделирования необходимо CAD-описание инструментов. Эти данные, однако, недоступны до более поздней стадии разработки транспортного средства (этап модели-прототипа, этап подготовки производства). Поэтому интеграция дополнительных методов в процесс разработки будет происходить главным образом на этих более поздних этапах.

Другие входные данные включают характеристики материала и описание параметров процесса. Инкрементальное моделирование предоставляет все соответствующие данные, которые интересуют специалиста по формовке, от распределения деформации, толщины листа и возможных трещин, до упругого изменения в обрезанной детали, распределения напряжений и упрочнения зон. Следовательно, с помощью этих методов можно оптимизировать как оснастку, так и саму деталь.

План методов составляется на основе геометрии детали, которая может быть известна приблизительно или точно, в зависимости от стадии разработки.
Если же предварительное моделирование не выполняется, то происходит производство инструмента. Только после того, как инструмент будет изготовлен, можно проверить способен он выполнить формовку детали или нет. Любые изменения оснастки требуют кропотливой доработки на специальном оборудовании вследствие чего может произойти изменение геометрии детали.

Почти все уточнения и поправки данных поверхности САПР могут быть выполнены до начала создания инструмента. Например, один производитель штампов сократил общее время подготовки и тестирования матрицы с 44 до 20 недель (более 50%), используя дополнительные моделирования для сборки деталей пола из восьми частей. Нужно постоянно искать оптимальные методы выполнения предварительного моделирования и дальнейшего производства штампа. Дополнительная информация относительно надежности процесса и вероятных пределов осуществимости может быть получена путем выборочного изменения отдельных параметров процесса, таких как характеристики материала и толщина листа.

Интеграция предварительного моделирования формования в процесс создания производственных инструментов отличается от этапа разработки прототипа. Геометрия готовой детали является окончательной, поэтому любой ценой следует избегать изменений в геометрии. Следовательно основной задачей является обеспечение надежности процесса, который предстоит при массовом производстве. Кроме того, отформованная деталь должна быть необходимого качества, например, для внешних автомобильных деталей кузова, которые видны клиенту.

Как и на этапе прототипа, сначала готовится план способов формовки, а затем разрабатывается инструмент, но только на этапе испытаний производственный процесс может считаться надежным, а оснастку правильно изготовленной. Изменения на этом этапе очень дорого стоят и требуют большого количества времени. В худшем случае испытания могут показать, что деталь вообще не может быть изготовлена, это будет означать пересмотр методов формовки или даже изменения детали. Все это сопровождается большими затратами.

Интегрируя предварительное моделирование форм в процесс разработки, изменения можно вносить своевременно и по разумной цене. Изменяя параметры процесса, можно оптимизировать надежность процесса и качество готовых деталей. Например, один производитель автомобилей разработал штамповочную оснастку, которая не могла производить детали в соответствии со спецификацией готового изделия. Этот штамп стоимостью 200 000 долларов будет списан как непригодный для использования, но производитель провел поэтапное моделирование для оптимизации параметров пресса и затем смог изготовить детали с необходимыми допусками. Работа на стадии испытания ограничивается настройкой распределения давления при смыкании штампа, которое из-за производственных допусков не может быть рассчитано заранее.

Когда для штамповки детали используются специальные заготовки, можно использовать нужный листовой материал необходимой толщины в нужных местах. К сожалению, расположение сварного шва, определенное на этапе проектирования (например, для снижения веса), часто создает сложности при производстве. В этом случае, предварительное моделирование формования позволяет заранее позиционировать шов, чтобы исключить проблем в процессе производства.

Был разработан новый метод моделирования заготовок. С помощью этого метода, в случае если деталь состоит из нескольких листов, нет необходимости учитывать различную толщину металла в инструменте.

Разная толщина допускается в алгоритме программы предварительного моделирования, поэтому, если местоположение шва изменяется, геометрические изменения в инструменте не требуются. Таким образом, можно в течение нескольких часов рассчитать различные альтернативные положения для шва и оптимизировать место сварки перед операцией формования.

Моделирование процесса глубокой вытяжки является важным шагом на каждом этапе создания транспортного средства. Последовательное применение методов моделирования на каждом этапе разработки может сэкономить на производстве и подгонке штампов и времени, потраченном на их изготовление. Посредством моделирования можно повысить точность оснастки для прессования и как следствие качество готовых деталей.