由于高强钢和超高强钢具有超高的强度和优异的塑性，将其应用于车身零部件在减轻车身重量的同时，还能提高汽车车身的结构强度及能量吸收能力，因此高强钢和超高强钢在汽车上的应用越来越广泛。典型的超高强钢应用零件有前、后门左/右防撞梁，前、后保险杠，A/B/C 柱加强板，下边板，地板中通道及车顶加强梁等各种结构件。截至目前，采用高强钢和超高强钢仍然是最经济、最有效的轻量化途径之一，且1480MPa 级高强度材料的商业化正在接近。然而，高强度钢的强度比传统低强度钢有很大的提高，且其硬度是传统低强度钢板的4 ～5 倍。进而超高强度钢的大量使用会给汽车模具设计、制造和使用带来诸多问题，包括以下方面：

⑴模具失效和非正常损毁变得越来越频繁，如模具强度不够造成的压裂；

⑵模具变形导致零件精度下降和生产质量不稳定，模具磨损严重及寿命变低等；

⑶模具设计基于传统方案，即选择更好的模具材料或增大模具尺寸来解决潜在由于模具变形引起的问题，这样必然导致材料的浪费及制造成本和搬运成本的增加。

目前，市面上典型的冲压CAE 仿真软件默认不考虑模具结构的变形，仅提取与板材接触的数模面当作刚体来执行冲压零部件的工艺分析与仿真模拟。然而在真实的冲压加工中，如图1 所示，成形时压力机对模具施加非常大的载荷，导致模具发生弯曲变形，进而引起上、下模具的间隙发生变化，与此同时模具表面压力和模具接触也会发生变化，从而影响零件的材料流入量、尺寸精度和表面质量。综上，冲压模具的结构变形对模具的设计制造及钣金件的成形精度都存在影响，因此为了提升冲压CAE 的精度，考虑模具受力变形对零件成形影响的模拟分析是十分必要的。

图1 冲压模具成形过程中受力变形示意图

冲压零部件模具变形预测CAE 解决方案

2021 年4 月份，定位于高精度钣金冲压成形仿真解决方案的JSTAMP/NV 软件发布了面向冷冲压成形模具的强耦合模具变形分析功能。以某翼子板零件拉延工序为例，如图2 所示，该功能使用弹性体的模具结构模型进行冲压工艺成形分析，一次计算即同时获取制件的成形和模具的变形结果。

图2 某翼子板零件拉延工序强耦合模具变形分析计算结果

图3 强耦合模具变形分析机理之加速技术的应用

图4 强耦合模具变形分析机理之自动提取接触面

图5 强耦合模具变形分析机理之快速造型模具结构

对于强耦合模具变形分析的机理，不仅能够使用四面体网格单元的模具结构弹性体模型进行全工序的模具变形分析，进而再现真实的合模过程以提升CAE计算的精度，预测模具的变形量用来指导模具结构设计并优化确认设计方案，并可视化模具的受力来方便更进一步地理解模具变形的内在原理，而且能够在短时间内实现模具变形的快速分析且具备以下3个特征。

加速技术的应用——计算中应用粗密相结合的耦合模型

精细的模面壳单元和粗放的模具结构四面体实体单元分别划分单元并结合；用于板材成形计算的模面详细壳单元网格可以保持模面形状不变；用于模具变形计算的模具结构粗实体单元可以减少前处理网格划分和计算时间。

方便快捷地创建强耦合模具变形分析的有限元分析模型

自动提取接触面，转换各种分析条件，例如载荷、强制位移及约束等。

自动完成简易模具结构的建模

即使没有完成详细的模具结构设计方案，使用该简易模具结构快速造型功能，您可以从模具面直接创建一个简单的模具结构模型，自动生成简易挤出模型形状及简化模具间的接触面，进而进行考虑模具变形量的强耦合模具变形分析的计算。

基于JSTAMP/NV 的冲压零部件模具变形预测实例

利用JSTAMP/NV 对冲压成形和模具结构进行解耦有限元分析，研究模具各部件在成形过程中的应力分布规律和变形结果，可以为模具结构的优化设计和模具疲劳校核提供参考，且在冲压成形仿真过程考虑模具结构变形的影响，以进一步提升制品的成形精度。下面介绍两个冲压零件模具变形预测的实例，分别是典型的汽车覆盖件翼子板与常见的高强度钢板零件——汽车前地板面板中心。

实例1——翼子板拉延工序的强耦合模具变形分析

在执行强耦合模具变形分析之前，如图6 所示的相关数据需要提前准备，包括使用刚体数模面进行分析的JSTAMP 项目文件、模具工艺方案中支撑压料板的定位销和已经完成网格划分的模具结构四面体实体网格数据。

图6 需要提前准备的数据

运行JSTAMP 软件，打开上述已完成计算的翼子板刚体模型分析计算项目，选择拉延工序进入到强耦合模具变形分析设置的界面，逐个导入该翼子板拉延工序所需的3 个四面体实体网格的模具结构与支撑压料板的缓冲销布置信息，然后设置约束与边界条件，即可获取如图7 所示的翼子板拉延工序的强耦合模具变形分析的仿真模型。经过计算后，使用JSTAMP 后处理工具查看翼子板拉延成形过程中的材料流入量、板厚减薄率及模具结构的变形量等计算结果。

图7 翼子板拉延工序刚体分析及强耦合模具变形分析仿真模型

该翼子板拉延计算结果中对材料流入量的评价，如图8 所示，选取了13 个位置的测量点，分别记录了未考虑模具变形的刚体模型(蓝色曲线)与考虑模具变形的强耦合模具变形分析模型(红色曲线)，把上述13 个测量点的材料流入量结果绘制成如图9 所示的折线图对比曲线，考虑模具变形存在的与否，导致两者材料流入量的最大差异为10mm。

图8 翼子板拉延工序材料流入量13 个测量点的位置

图9 是否考虑模具变形翼子板拉延工序的材料流入量对比

比较流入测量点No.12 附近的板厚减薄率，如图10 所示，在考虑变形的情况下，板厚的减少量较小，其最大减薄率的数值为25.8%。这个区域有布置一个双拉深筋，从而存在较大的材料流入阻力，于是使用刚体模型进行分析时，测量点No.12 附近的最大板厚减薄率为32.8%。在考虑模具变形的情况下，该局部区域即使存在双拉深筋，但是由于模具变形引起的模具间隙增大，从而导致材料流入量的增加又进而抑制了成形后制件板厚的减薄。

图10 是否考虑模具变形翼子板拉延工序的板厚减薄率对比

考虑模具变形翼子板拉延模具的变形量及计算时间对比，如图11 所示，利用JSTAMP 后处理工具可以对拉延模具中的各个模具结构的变形量快速地可视化显示出来。对该翼子板的拉延工序而言，即使考虑模具的变形情况，与未考虑模具变形的刚体模型相比，其计算时间增加的很小(不到1.6 倍)，完全满足工程应用的时效性要求。

图11 考虑模具变形翼子板拉延模具的变形量及计算时间对比

实例2——前地板面板中心二次弯曲成形强耦合模具变形分析对回弹精度的提升

图12 所示为前地板面板中心二次弯曲成形实例的回弹面积比率计算结果汇总，该测量结果由与JSTAMP 软件开发商JSOL 公司合作开发的丰田汽车公司提供。在本例中，回弹后的形状误差是参考实际试件测量的，一个带有刚性模具的案例(Case0 所在列)，一个带有详细形状的弹性体模具的案例(Case1所在列)，以及一个带有简单形状的弹性体模具的案例(Case2 所在列)。

图12 前地板面板中心零件是否考虑模具变形的回弹面积比率对比

图12 中的条形图显示了误差幅度及其面积比，蓝色部分表示回弹量的面积比在0.5mm以内的误差，与刚体模型相比，在考虑模具变形的情况下，回弹结果在0.5mm 以内的面积比率有显著提高，由刚体模型模具的48.1%提升到弹性体模具强耦合模具变形分析的82.3%。因此，在冲压成形仿真过程考虑模具结构的变形对制品成形精度的提升有重要帮助与显著影响。

结束语

本文介绍了一种可以考虑模具变形量的冷冲压零部件的CAE 成形模拟解决方法，详细描述其强耦合模具变形分析的内在机理，以考虑模具变形对制件仿真结果的影响。通过两个应用实例可知，在冲压成形仿真过程考虑模具结构的变形非常必要，对制品成形精度的提升非常明显。即使是模具变形的微小量也可以对最终产品形状的可预测性产生显著影响，特别是对于高强钢或超高强度钢的零部件，这可能是传统成形模拟方法在未考虑模具变形情形下的回弹模拟不准确的主要原因。