汽車B柱加強板成形性模擬分析及優(yōu)化

汽車B柱加強板成形性模擬分析及優(yōu)化摘要：產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計合理性是決定產(chǎn)品可成形性的兩個主要因素。本文對DP600汽車B柱加強板進行了工藝分析、設(shè)計和優(yōu)化，并進行了數(shù)值模擬驗證和物理實驗?？偨Y(jié)了DP600的產(chǎn)品設(shè)計特點，設(shè)計后變更處的產(chǎn)品減薄率由24.8%降低到18.2%；對坯料和拉延筋進行了優(yōu)化，結(jié)果顯示產(chǎn)品最大開裂減薄率只有19%，效果良好，為高強度鋼類零件設(shè)計和工藝設(shè)計提供了借鑒。關(guān)鍵詞：汽車B柱加強板產(chǎn)品設(shè)計工藝設(shè)計數(shù)值模擬Abstract:Themaintwoconcernsabouttheformabilityofproductsaretheproductdesignandprocessdesign.Weproposedtheproductdesignspecificationsof

HSS(highstrengthsteel)DP600accordingtoHSS'scharacteristics.Theprocessanalysis,designandoptimizationwithregardtoDP600Bpillarwereimplementedrespectivelyand

verifiedbythesimulationandmanufacture.Theresultsshowedthatafteroptimization,themaximumthinningdecreasedfrom24.8%to18.2%.Withtheoptimizationof

theblankandbead,themaximumthinningattheoriginalbrokenareaminimizedto19%.ThespecificationsandoptimizationmethodcanprovidethesupportfortheproductandprocessdesignmadeofHSS.Keywords:CarB-pillar,Productdesign,ProcessDesign,Numericalsimulation0引言 汽車覆蓋件形狀復(fù)雜，多為空間曲面，成形多為小應(yīng)變大變形，成形性難以靠經(jīng)驗準確判斷。板料成形存在著材料非線性、幾何非線性、邊界接觸非線性的問題，有限元模擬方法使得分析這類問題成為可能。通過數(shù)值模擬分析技術(shù)可以預(yù)測汽車覆蓋件的可成形性，使工藝設(shè)計到達最優(yōu)。圖1汽車B柱零件圖汽車B柱屬典型覆蓋件，具有空間曲面、形狀不對稱、強度要求高等特點。B圖1汽車B柱零件圖本文針對汽車B柱加強板進行了拉延模面設(shè)計，利用數(shù)值模擬軟件對成形過程進行了模擬，對B柱的成形進行了虛擬的試模調(diào)試，并利用仿真結(jié)果預(yù)測產(chǎn)品設(shè)計的可行性，總結(jié)產(chǎn)品設(shè)計特點，提出并驗證了設(shè)計修改方案；防止在模具設(shè)計、加工、調(diào)試階段進行產(chǎn)品設(shè)計變更；驗證了工藝方案的可行性，節(jié)省模具調(diào)試時間[1][2][3]。1汽車B柱加強板工藝分析及模面設(shè)計1.1汽車B柱加強板工藝分析B柱在車身中不僅要保證在承受一定撞擊下前車門能翻開，同時還作為前車門鎖扣、后車門鉸鏈以及前排平安帶卷收器和高度調(diào)節(jié)器的安裝部位，需要有足夠的剛度和強度。DP600的某汽車B柱加強板三維模型如圖1所示。圖1顯示B柱的形狀很復(fù)雜，兩端四臺階深度較深，中間凸臺較高，形狀變化劇烈，容易開裂；一端有大平面，容易起皺；工藝上要求B柱兩側(cè)的切邊在法蘭上。1.壓料面1.壓料面2.工藝補充3.零件4.修邊線5.凸模輪廓線6.拉延筋中心位置圖2完成后拉延模面134562模面設(shè)計要考慮產(chǎn)品的成形質(zhì)量及工序的安排，其中壓料面設(shè)計非常關(guān)鍵，壓料面位置決定了各部位的拉延深度。壓料面的平滑度，傾角及曲面構(gòu)成決定了拉延時材料的流動是否順利。針對該B柱兩側(cè)切邊位置在法蘭上的特點，可以選擇壓料面的位置和法蘭一致，中間沒有工藝補充；或者加大相對應(yīng)位置的壓料面深度，增加工藝補充。第二種方法成形充分，回彈量減小，本文采用第二種拉延方案。工藝補充面必須保證切邊強度，向外過渡要光順。由于B柱4個臺階處拉延深度較深，臺階又分布在產(chǎn)品內(nèi)側(cè)，進料困難，故需要添加工藝補充面。并采用大圓弧過渡面，以免拉深時開裂。臺階處圓角為10mm，該處均采用過渡圓角25mm的工藝補充。B柱兩側(cè)的凹模圓角為10mm，兩端頭凹模圓角為20mm，完成后的拉延模面如圖2所示。2有限元模型2.1DP600雙相鋼的特點不同材料供給商提供的DP600的材料性能會有差異，本文采用NUMISHEET2005考題2提供的DP600的材料屬性，表1是厚度為的DP600平均性能參數(shù)[4]。表1DP600平均性能參數(shù)模擬選用以動力顯式算法為核心的LS-DYNA971中的37號(厚向異性材料)材料模型[3]，該材料模型以Hill各向異性理論為根底，材料的塑性變形在平面內(nèi)表現(xiàn)為各向同性，在厚度方向表現(xiàn)為各向異性。在平面應(yīng)力狀態(tài)下，材料的屈服準那么是：式中，r為材料板厚的各向異性參數(shù)，和表示正應(yīng)力，和為剪應(yīng)力，代表屈服應(yīng)力121234圖3模擬成形有限元模型數(shù)值模擬建模采用ETA/DYNAFORM[5][6]。用靜態(tài)摩擦系數(shù)作為潤滑條件；設(shè)備類型采用單動沖壓方式；板料初始單元尺寸采用12mm，網(wǎng)格重劃分為4級，重劃分后最小單元尺寸為；時間步長采用0.5E-06；模擬成形速度采用5000mm/s；壓邊行程為90mm；壓邊力為100噸。網(wǎng)格模型及拉延類型〔單動〕如圖3所示。在建立模擬模型的時候，要注意壓邊和凸模的相對位置。一般要求在壓邊閉合過程，凸模和板料不能有干預(yù)。模擬驗證與優(yōu)化通過模面設(shè)計、選定材料和隨后的有限元分析，可以驗證產(chǎn)品設(shè)計的合理性，優(yōu)化坯料尺寸和拉延筋布置，保證產(chǎn)品成形性，提高材料利用率。3.1產(chǎn)品設(shè)計對B柱原設(shè)計方案進行模擬發(fā)現(xiàn)中間凸臺相對較高，高差為12mm，該處最大減薄量%，拉延發(fā)生開裂，如圖4A圖圖4原始汽車B柱FLD圖ACEDBF圖6原始截面減薄和優(yōu)化后截面減薄122.優(yōu)化后產(chǎn)品截面形狀圖5原始產(chǎn)品和優(yōu)化后的產(chǎn)品截面在不改變產(chǎn)品功能需求條件下，對凸臺處材料的延伸進行控制，模擬優(yōu)化為高差圖6原始截面減薄和優(yōu)化后截面減薄122.優(yōu)化后產(chǎn)品截面形狀圖5原始產(chǎn)品和優(yōu)化后的產(chǎn)品截面 從圖4模擬結(jié)果，可以得到DP600等高強度鋼在汽車產(chǎn)品中的應(yīng)用設(shè)計特點：〔1〕由于DP600等高強度鋼的屈服強度和抗拉強度較高，當工件存在較大平面區(qū)域塑性變形難以完成時，需要在大平面區(qū)域增加拉延筋，以解決產(chǎn)品成形缺乏，甚至材料松動及起皺問題。如圖4中B區(qū)域有拉延筋，變形充分，反之那么變形缺乏，如C區(qū)域?！?〕產(chǎn)品形狀應(yīng)盡量簡化，防止應(yīng)力變化劇烈。由于DP600延伸率較低，容易過度減薄甚至開裂。該工件A區(qū)域凸臺太高，需優(yōu)化以滿足成形性；高凸臺和平面之間的過渡區(qū)域B應(yīng)力變化急劇，有起皺危險。圖7圖7模擬優(yōu)化后的坯料形狀及尺寸3.2坯料尺寸合理的毛坯形狀是決定覆蓋件能否拉延成功的重要因素，也是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。一般零件盡量不采用落料模，但如果出現(xiàn)凸模輪廓線變化較大的情況可以考慮采用，DP600的B柱即采用落料模以保證成功拉延。采用方形料片或者多邊形料片，拉延開裂。模擬后最終采用的坯料尺寸形狀如圖7所示。在B的三個臺階處，如圖7所示的1，2，3處，坯料形狀采用圓弧內(nèi)凹，使材料沿著Y方向容易流動，材料流入量增加，降低減薄率。在優(yōu)化坯料的過程中，變形后的材料邊界最好在拉延筋中心線以外，拉延筋應(yīng)保證足夠的阻力使得相應(yīng)位置的材料得到充分變形；要保證邊界材料塑性變形結(jié)束時不在切邊線以內(nèi)，而且切邊線位置的材料不能有明顯起皺，以免傷害切邊模。圖圖8成形完成坯料流入分布及材料形狀尺寸關(guān)鍵點變形后的坯料形狀及關(guān)鍵點尺寸如圖8所示。經(jīng)過模擬優(yōu)化的坯料尺寸可以保證各處工藝和成形條件的前提下，材料利用率最高。圖8所示，優(yōu)化前材料利用率為38.2%，優(yōu)化后的材料利用率為44.8%。臺階1在優(yōu)化前材料流入量為50mm，優(yōu)化后增加到57mm，如圖3.3拉延筋布置根據(jù)模擬驗證，采用封閉的拉延筋，在產(chǎn)品的四個臺階處產(chǎn)生開裂。由于產(chǎn)品為開口設(shè)計，所以可以在相應(yīng)位置取消拉延筋，近似于開口拉延。經(jīng)過模擬優(yōu)化后的拉延筋布置以及相應(yīng)部位的拉延筋的幾何尺寸如圖9所示。3.4產(chǎn)品設(shè)計變更和工藝優(yōu)化后的模擬分析結(jié)果經(jīng)過以上產(chǎn)品設(shè)計變更，優(yōu)化板料尺寸和拉延筋布置，最后模擬的材料減薄分布如圖10所示。圖圖9拉延筋布置及幾何形狀尺寸圖圖10工藝優(yōu)化和產(chǎn)品設(shè)計變更后的拉延減薄分布圖 采用上述的增加拉延深度壓料面，變形充分，保證零件強度；均勻過渡的工藝補充，使變形均勻；產(chǎn)品易開裂的四臺階處，減薄率降低。由于DP600的總延伸率23.8%，均勻延伸率14.3%，根據(jù)理論和經(jīng)驗判斷，圖中A，B區(qū)域產(chǎn)品減薄率到達19%，處于開裂危險區(qū)域。調(diào)整拉延筋布置和坯料形狀B區(qū)域可以得到改善，但是問題不能根本解決，建議更改兩處的產(chǎn)品形狀。根據(jù)裝配關(guān)系，減緩A處過渡形狀，降低B處凹坑深度。C區(qū)域經(jīng)過設(shè)計變更，處于平安區(qū)域。D區(qū)域有起皺趨勢，在大平面處加拉延筋解決起皺問題。物理實驗結(jié)果及結(jié)論按照前述工藝設(shè)計的數(shù)學模型，實際加工制造出模具，零件毛坯，拉延筋，局部產(chǎn)品形狀采用的是優(yōu)化后的形狀，在試模時對拉延筋，及圓角處工藝補充進行了微調(diào)，最終的零件成形結(jié)果如下圖和模擬分析的結(jié)果根本一致，對該件的產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化、工藝方案設(shè)計、模面設(shè)計、毛坯優(yōu)化及模擬分析進行了驗證。物理實驗結(jié)果如圖11。圖圖11物理實驗的結(jié)果通過DP600的汽車B柱加強板的工藝設(shè)計及模擬分析，得出以下結(jié)論：〔1〕汽車B柱加強板的中間凸臺設(shè)計高度需要減小，從12mm減小到8mm?！?〕毛坯的形狀尺寸優(yōu)化主要集中在汽車B柱加強板3個凸臺處，實現(xiàn)金屬流動條件的改善?！?〕優(yōu)化了合理的拉延筋布置位置，產(chǎn)品由開裂到最大減薄率19%.〔4〕復(fù)雜汽車零部件設(shè)計時需要考慮材料特性，使得產(chǎn)品設(shè)計平緩，過渡均勻，對于有大平面的零件需要加設(shè)成形筋；為了保證拉延深度和材料變形充分，需要根據(jù)零件特點確定適宜的壓料面和工藝補充。參考文獻[1],AdvancedHighStrengthSteel(AHSS)ApplicationGuidelines,Michigan,2005[2]吳錦，徐志剛.超高強度鋼的沖壓工藝及仿真技術(shù)的應(yīng)用，吉利汽車研究院，2006[3]馬鳴圖，劉克素.先進汽車用材料.2007，