王德倫，劉雁冰

(重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

車身作為汽車組成的三大部件之一，是影響產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素，車身沖壓件作為車身的重要組成部件，它的質(zhì)量影響著后續(xù)的焊接質(zhì)量和裝配質(zhì)量。因此，可以說(shuō)車身沖壓其對(duì)整車產(chǎn)品強(qiáng)度和精度影響巨大［1］。在板料沖壓成形過(guò)程中，車身金屬?zèng)_壓件受到成形力的作用而產(chǎn)生變形，在成形過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)板料的起皺、破裂、劃傷、凹痕、回彈等缺陷［2］。車身覆蓋件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，預(yù)測(cè)沖壓成形的可行性和準(zhǔn)確性具有一定的難度。模具的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)短影響著整車開(kāi)發(fā)時(shí)間，可以嘗試通過(guò)利用有限元軟件的方式來(lái)模擬模具開(kāi)發(fā)與板料成形過(guò)程，并可在此基礎(chǔ)上對(duì)回彈變形進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。有助于企業(yè)降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約制造成本，提高設(shè)計(jì)精度。

汽車梁類件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，針對(duì)其特點(diǎn)，以基于LS-DYNA 所開(kāi)發(fā)的一款板料成形數(shù)值模擬軟件eta/Dynaform 為基礎(chǔ)，對(duì)某汽車懸架安裝梁中段進(jìn)行成形設(shè)計(jì)與分析，對(duì)其回彈工序進(jìn)行模擬分析。采用截面法計(jì)算截面回彈量，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該數(shù)值模擬過(guò)程的準(zhǔn)確性，此方法同樣適用于大多數(shù)梁類件。

1 沖壓件工藝設(shè)計(jì)及成形分析

1.1 梁類件的特點(diǎn)及有限元算法

梁類件作為車身重要組成結(jié)構(gòu)部件之一，具有固定、支撐和承受外部載荷的作用，如前后縱梁、地板橫梁、頂蓋橫梁以及部件安裝支架和加強(qiáng)板等。梁類件要求有較高的強(qiáng)度，因此其厚度相對(duì)外覆蓋件稍厚，一般厚度t≥1.5 mm，截面形狀多為U 形。在焊接工序中要求梁與其他板料進(jìn)行焊接，所以其結(jié)構(gòu)中的安裝孔與定位孔較多。本文采用某車中段懸架安裝梁作為研究對(duì)象，其材料為B250P，厚度t =1.6 mm，材料具體參數(shù)如表1 所示。

表1 B250P 材料參數(shù)

板料成形過(guò)程是一個(gè)大變形的非線性力學(xué)過(guò)程［3］，影響其結(jié)果的因素有很多，其中物理因素包括坯料的參數(shù)與性能、模具間隙、壓邊力大小、工藝補(bǔ)充面的形狀等。仿真技術(shù)因素包括材料模型、網(wǎng)格密度、求解算法等。成形模擬分析方法采用動(dòng)態(tài)顯式(dynamic explicit)算法。

動(dòng)力顯式有限元方程:

采用中心差分方算法［4］離散時(shí)間位移后得到

式(2)中:M 為一致質(zhì)量矩陣;C 為阻尼矩陣;Fent為等效外力矢量;Fint為等效內(nèi)力矢量;U¨表示節(jié)點(diǎn)加速度矢量;U·節(jié)點(diǎn)速度矢量。

由于中心差分格式的算法是條件穩(wěn)定的，穩(wěn)定性條件通常由系統(tǒng)的最高頻率決定［5］，滿足穩(wěn)定性條件的時(shí)間增量步長(zhǎng)為

Tmin為系統(tǒng)最小固有振動(dòng)周期，Δtω臨界時(shí)間步長(zhǎng)。

1.2 沖壓件成形分析

Dynaform 成形分析過(guò)程主要由3 部分組成，即建立計(jì)算模型、求解和分析研究計(jì)算結(jié)果［6］，具體流程如圖1 所示。

圖1 dynaform 分析步驟

首先建立有限元模型。將所要研究的安裝梁的數(shù)模導(dǎo)入到CAD 軟件中，對(duì)零件的幾何模型進(jìn)行填充等局部處理。轉(zhuǎn)換為igs 格式后導(dǎo)入到Dynaform 軟件中，導(dǎo)入后的三維模型如圖2 所示，可以看到這是一個(gè)非對(duì)稱的U 形件。

圖2 三維數(shù)模圖

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用前處理中的surface mesh 網(wǎng)格生成器劃分單元尺寸為5 ～25 mm 大小的網(wǎng)格。網(wǎng)格類型一般為四邊形，部分可以用三角形。零件是深度均勻側(cè)壁平整的U 形件，因此可選擇Z 方向作為沖壓方向。零件本身具有法蘭，因此依據(jù)壓料面盡量簡(jiǎn)化的原則，采用法蘭面作為模具的壓料面。工藝補(bǔ)充面部分采用工藝補(bǔ)充截面法(profile)生成，在Master profile 中選擇類型2。據(jù)此生成的工藝補(bǔ)充面(Addendum)。對(duì)模面進(jìn)行檢查，包括側(cè)壁傾斜度、拉深深度狀況和截面拉深比檢查。

利用BSE 模塊對(duì)坯料尺寸進(jìn)行估算，得到其尺寸為435 mm×298 mm。對(duì)板料、凸模、凹模和壓壓邊圈進(jìn)行網(wǎng)格劃分。凹模單元網(wǎng)格數(shù)量為12 695，凸模單元網(wǎng)格數(shù)量為7 011，壓邊圈單元網(wǎng)格數(shù)量為6 509，坯料單元數(shù)量為3 962，板料網(wǎng)格自適應(yīng)等級(jí)為3。檢查單元網(wǎng)格的質(zhì)量包括法向檢查，邊界檢查，單元重疊檢查和翹曲變形檢查。參考生產(chǎn)中的制造經(jīng)驗(yàn)與工藝，拉深工序采用單動(dòng)壓力機(jī)，壓邊力參數(shù)選擇為60 kN，摩擦系數(shù)為0.125，模具間隙取0.1 t。拉深速度為5 000 mm/s，壓邊圈運(yùn)動(dòng)速度為2 000 mm/s。設(shè)置拉深筋來(lái)增加材料流動(dòng)阻力，調(diào)整材料流速，有利于減少起皺凹陷等不良現(xiàn)象，拉延筋采用單側(cè)布置的半圓等效拉延筋。

針對(duì)工藝補(bǔ)充面的直壁傾斜角度和凹模圓角等因素對(duì)零件成形質(zhì)量的影響進(jìn)行了模擬分析。第一次成形將工藝補(bǔ)充面的凹模圓角半徑R 設(shè)置為15 mm，直壁傾斜角度(拔模角)設(shè)置為20°。通過(guò)LS-DYNA 進(jìn)行求解運(yùn)算等到成形結(jié)果及即成形極限圖(FLD)，如圖3(a)所示。從圖3 中可以看出，零件直壁部分出現(xiàn)大面積開(kāi)裂。將工藝補(bǔ)充面直壁部分的傾斜角度調(diào)整為10°，進(jìn)行第二次拉深成型模擬。如圖3(b)從圖中可以看出零件直壁部分出現(xiàn)了起皺現(xiàn)象，同時(shí)底面出現(xiàn)成形不充分區(qū)域，在工藝補(bǔ)充面部分出現(xiàn)了大面積拉裂，不能滿足質(zhì)量要求。據(jù)此，繼續(xù)減小工藝補(bǔ)充面拔模角度，調(diào)整為6°，進(jìn)行第三次拉深模擬，其成形結(jié)果如圖3(c)。

可以看到，相比拔模角度為10°，零件兩側(cè)面起皺面積減少，成形充分面積增加，圓角處未出現(xiàn)拉裂狀況，但頂面仍然成形不充分。接下來(lái)可以優(yōu)化工藝補(bǔ)充面圓角。初始工藝補(bǔ)充面凹模圓角部分半徑R =15 mm，零件凹模圓角部分半徑為11 mm，因此減小工藝補(bǔ)充面圓角部分半徑至11 mm，同時(shí)減小工藝補(bǔ)充面拔模角度至3°進(jìn)行分析。最終成形結(jié)果如圖4 所示，工藝補(bǔ)充面上凹模圓角部分未出現(xiàn)的拉裂，頂面拉延充分，中間部分區(qū)域出現(xiàn)輕度起皺。模面的四個(gè)頂角處為1.18 mm，其他部分成形后厚度變化均勻，減薄率在4.13%左右。由于減薄率控制在4% ～10%［7］是可以接受的，所以此結(jié)果達(dá)到了此安裝梁的成形要求。

圖3 拉深成形FLD 圖

圖4 調(diào)整模具圓角及拔模角后的FLD 圖

2 回彈模擬分析

回彈的產(chǎn)生在理論上是不可避免的，尤其是強(qiáng)度較高的鋼板，回彈是金屬板料成形中最難控制的缺陷，包括拉深工序的卸載回彈、切邊回彈和翻邊中的局部卸載回彈［8］。影響回彈的因素主要包括材料屬性，壓邊力大小，凹凸模圓角半徑和摩擦系數(shù)大小等，采用數(shù)值模擬法預(yù)測(cè)回彈克服了解析法和實(shí)驗(yàn)法的不足［9］，文章采用Dynaform 對(duì)上一步拉深后的零件進(jìn)行回彈模擬。

2.1 成形后卸載回彈模擬

打開(kāi)Dynaform 導(dǎo)入上一步拉深結(jié)束后生成的dynain 文件。在回彈分析中重新定義材料參數(shù)，選擇全積分單元(fully integrated)，厚向積分參數(shù)為7，同時(shí)選擇粗化網(wǎng)格，合并角度5°?；貜椨?jì)算采用無(wú)模法，在零件底部選擇3 個(gè)節(jié)點(diǎn)作為限制運(yùn)動(dòng)的約束點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到卸載后零件坐標(biāo)系中X、Y、Z 3 個(gè)方向位移?？梢园l(fā)現(xiàn)X 方向的回彈位移最大值為0.06。在Y方向上的底面沒(méi)有回彈，零件中間部分回彈量最大，其最大回彈值為0.45 mm。在Z 方向上底面回彈量為0.2 mm，直壁部分的回彈量為0.34 mm。法蘭面回彈量為0.9 ～1.2 mm。邊角有出現(xiàn)翹曲，部分會(huì)在切邊工序中切除。卸載回彈較小，會(huì)累積到下一工序切邊回彈中。

2.2 切邊回彈模擬

切邊模擬相對(duì)于拉深模擬不同，切邊涉及到形狀邊界問(wèn)題［10］。前一工序?qū)ζ滟|(zhì)量影響不大，可以將其簡(jiǎn)化為只考慮邊界的幾何過(guò)程。提取零件的輪廓線生成切邊線，導(dǎo)入拉深模擬生成的dynain 文件，調(diào)整局部單元進(jìn)行切邊。再次導(dǎo)入切邊生成的dynain 文件進(jìn)行回彈模擬。將回彈計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入eta/Post 后處理中，取X=-64，X=-130，X=-178，X=-225，X=-275 五處的截面作為回彈分析位置，在每個(gè)截面?zhèn)缺谏献? 個(gè)等分點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

第一個(gè)截面各點(diǎn)位移模擬測(cè)量結(jié)果如表2 所示，從位移云圖可以看到Y(jié) 軸正向和Y 軸負(fù)向的回彈量為0.3 ～0.9 mm 和0.5 ～0.9 mm。

表2 X=-64 mm 處測(cè)點(diǎn)位移測(cè)量值

第二個(gè)截面各點(diǎn)位移模擬測(cè)量結(jié)果如表3 所示，從位移云圖可以看到Y(jié) 軸正向和Y 軸負(fù)向的回彈分別為0.606 ～0.977 mm 和0.641 ～1.874 mm。

表3 X=-130 mm 處測(cè)點(diǎn)位移測(cè)量值

第三個(gè)截面各點(diǎn)位移模擬測(cè)量結(jié)果如表4 所示，從位移云圖可以看到Y(jié) 軸正向和Y 軸負(fù)向的回彈分別為1.120 ～1.742 mm 和1.174 ～2.357 mm。

表4 X=-178 mm 處測(cè)點(diǎn)位移測(cè)量值

第四個(gè)截面各點(diǎn)位移模擬測(cè)量結(jié)果如表5 所示，從位移云圖可以看到Y(jié) 軸正向和Y 軸負(fù)向的回彈分別為1.224 ～1.752 mm 和1.345 ～2.457 mm。

表5 X=-225 mm 處測(cè)點(diǎn)位移測(cè)量值

第五個(gè)截面各點(diǎn)位移模擬測(cè)量結(jié)果如表6 所示，從位移云圖可以看到，Y 軸正向和Y 軸負(fù)向的回彈分別為0.290 ～0.458 mm 和0.589 ～0.867 mm。

表6 X=-275 mm 處測(cè)點(diǎn)位移測(cè)量值

對(duì)上述5 組截面的測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行擬合，得到曲線如圖5 所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)回彈量曲線圖

從曲線可以看出，由于在成形時(shí)拉延筋是單側(cè)分布的，Y軸正向的直壁部分受到較大的拉應(yīng)力，所以Y 軸正向的回彈量要小于Y 軸負(fù)向的回彈量。形狀復(fù)雜的位置由于成形受力不均，所以回彈量也要大一些。

3 模型的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

通常，汽車車身沖壓零件的外形特征、尺寸公差、幾何參數(shù)采用檢具來(lái)測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是操作性好，缺點(diǎn)是精度上無(wú)法完全保證?；诠鈱W(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助工程的CMM 測(cè)量(三坐標(biāo)測(cè)量)作為新型測(cè)量技術(shù)具有高精度、高效性等優(yōu)點(diǎn)［11］。文章采用CMM 測(cè)量實(shí)際測(cè)產(chǎn)品回彈量的大小。

測(cè)量分為以下幾步，選取上述的5 個(gè)截面，每個(gè)截面取8個(gè)點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)。如圖6 所示，采用RPS 基準(zhǔn)定位建立測(cè)量作坐標(biāo)系。通過(guò)零件的特征定位建立零件坐標(biāo)系。導(dǎo)入三維模型到Metrolog μ-log 中，特征對(duì)齊，使兩個(gè)坐標(biāo)系相匹配，測(cè)量值讀取。

圖6 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

運(yùn)用測(cè)點(diǎn)分析功能，對(duì)比實(shí)際測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值與之前模擬的理論值，輸出測(cè)得的5 組數(shù)據(jù)測(cè)量值，并將其擬合。圖7 為數(shù)值模擬與測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。

圖7 模擬與試驗(yàn)對(duì)比圖

從圖7 中曲線看出，數(shù)值模擬得到的回彈值與實(shí)際測(cè)量的回彈值盡管存在一定的誤差，但總體趨勢(shì)一致。都是零件中間部分的回彈量要大于兩側(cè)的回彈量，Y 軸正向的回彈量小于Y 軸負(fù)向的回彈量。

4 結(jié)束語(yǔ)

以某車型的懸架安裝梁中段為研究對(duì)象，基于Dynaform對(duì)其進(jìn)行拉深模擬成形，通過(guò)調(diào)整工藝補(bǔ)充面，壓邊力和拉延筋布置等工藝參數(shù)，得到了滿足條件的成形結(jié)果。分析了影響回彈的因素，對(duì)卸載回彈和切邊回彈問(wèn)題進(jìn)行了分析。得出成形后的卸載回彈量較小，切邊之后回彈量增大，分析了兩側(cè)回彈量不等的原因。獲得了具有一定參考價(jià)值的工藝參數(shù)。

采用三坐標(biāo)測(cè)量法(CMM)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)出的零件回彈量進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)測(cè)量結(jié)果與有限元仿真回彈值進(jìn)行對(duì)比，獲得回彈趨勢(shì)一致的結(jié)論，從而驗(yàn)證了金屬板料成形有限元模擬分析對(duì)梁類件在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的指導(dǎo)意義。

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