超高強度鋼車身B柱加強板熱成形工藝參數多目標優(yōu)化

高云凱 鄧有志 曹 偉

1.同濟大學,上海,201804 2.浙江吉利汽車研究院有限公司,臨海,317000

超高強度鋼車身B柱加強板熱成形工藝參數多目標優(yōu)化

高云凱1鄧有志1曹 偉2

1.同濟大學,上海,201804 2.浙江吉利汽車研究院有限公司,臨海,317000

對超高強度鋼車身B柱加強板熱成形中的沖壓速度、壓邊力、摩擦因數、板料初始溫度及工具初始溫度進行了工藝參數正交分析,并運用模糊數學中的綜合評判法,對成形后的最大減薄率和危險點的主應變均值兩個目標值進行了綜合。通過綜合指標的極差分析,確定沖壓速度、壓邊力與摩擦因數組合、板料初始溫度及工具初始溫度對綜合評分的影響程度,分析得出最優(yōu)的車身B柱加強板熱成形工藝參數組合方案。

超高強度鋼;車身B柱加強板熱成形;工藝參數優(yōu)化;多目標;正交試驗設計

0 引言

車身輕量化已經成為汽車(特別是轎車)工業(yè)的發(fā)展趨勢之一。使用高強鋼后,可以通過減小壁厚來減輕零件重量,實現(xiàn)車身輕量化,同時其超高的強度又能提高車輛碰撞安全性,滿足輕量化和提高安全性的要求,因此高強鋼在汽車領域的應用越來越廣泛。但是高強度鋼板隨著強度的提高,其沖壓成形性能降低,強度越高,成形難度越大,尤其是當強度超過1000M Pa時,車身B柱等一些形狀復雜的零件用常規(guī)的冷沖壓工藝幾乎無法成形。熱成形技術是一項專門用于成形高強度鋼板沖壓件的新技術,可以成形強度高達1500MPa的沖壓件,而且高溫下成形幾乎沒有回彈,具有成形精度高、成形性能好等優(yōu)點,因此引起業(yè)界的普遍關注并迅速成為汽車制造領域的熱門技術[1]。

熱成形過程中工藝條件對制品質量的影響存在諸多非線性時變和不確定因素,是成形過程工藝優(yōu)化和質量控制的一大難點。傳統(tǒng)的試模方法不僅費時、成本高,而且過于依賴經驗和以往案例,精確度不高,難以滿足新產品投放周期短的要求。數值仿真雖然可以降低試模的成本,也可以對工藝調整作出定性指導,但這種指導缺乏定量的精度,要想獲得好的結果,經驗和反復試驗調整仍是必需的。試驗設計方法在一定程度上可以減少反復試驗的盲目性,能以較少的試驗次數得到試驗范圍內較優(yōu)的工藝組合。

現(xiàn)選取某車型典型沖壓件車身B柱加強板,對其熱成形工藝進行研究,并利用正交試驗理論找出其中的主次影響因素,得出一組最優(yōu)的工藝參數組合以指導該車身B柱加強板的實際生產。

1 模型的建立

1.1 有限元模型

在前處理軟件HYPERMESH的LSDYNA 971模板下建立有限元模型,見圖1。工具和板料都使用四節(jié)點Hughes-Liu殼單元,沿厚度方向上有5個積分點,同時在關鍵字*CONTROL_SHELL設置 TSHELL=1,使得熱計算中殼單元被當成十二節(jié)點Brick單元[2],以考慮單元厚度方向上的熱傳遞。板料和工具的初始溫度假設為各向同性;板料和工具接觸面間的傳熱系數取3000W/(m2?K),同時考慮工具和板料與周圍環(huán)境的輻射換熱及對流換熱,環(huán)境溫度假設為 20℃,工具和板料的表面發(fā)射率考慮為0.6[3]。工具和板料間僅考慮靜摩擦而不考慮動摩擦。為了縮短仿真計算時間,把仿真過程中的沖壓速度放大為實際沖壓速度的50～100倍,同時相應地放大熱導率、傳熱系數和熱輻射因子以補償由于速度提高帶來的誤差。

圖1 有限元模型

由于車身B柱加強板形狀較為復雜,為保證其成形性能,布置了8條等效拉深筋(圖2),阻力系數根據成形的難易程度設為0.03～0.40不等。板料的初始厚度為 1.5mm,尺寸為1680mm×540mm。

圖2 拉深筋布置

1.2 材料模型

材料基本參數參考NUM ISHEET2008標準考題BM 03[4],見表 1和表2。LS-DYNA中使用材料號*MAT_106[2]可方便輸入這些材料參數。

表1 材料基本參數[4]

表2 22M nB5在不同溫度下的機械性能[4]

1.3 成形模擬結果及分析

為了使后續(xù)的優(yōu)化設計更有針對性,先對B柱加強板進行成形仿真試驗,以獲得一組能夠滿足各項成形指標的工藝參數,這些參數將作為確定正交試驗各因素水平的基準。參考生產實際經驗,并多次試算后,獲得了以下一組工藝參數:沖壓速度取2m/s;壓邊力取100kN,靜態(tài)摩擦因數取0.125,板料初始溫度取810℃,工具初始溫度取75℃。在上述熱成形工藝參數下,B柱加強板的各項成形性能指標結果見圖3～圖7。

成形極限圖(FLD)是評價材料成形性的一個有效工具,如圖3所示,本文研究對象車身B柱加強板的成形性較好,沒有裂紋和過分變薄現(xiàn)象,有少量起皺和變形不充分的地方。

成形后板料最大厚度1.596mm,最小厚度1.130mm(圖4),相應的最大減薄率是24.667%。最小厚度出現(xiàn)在圖4圓圈處,該處位于凹模底部過渡圓角區(qū)域,且此處的拉深深度達81.4mm。最大厚度出現(xiàn)在圖4矩形處,該處局部形狀較為復雜,材料容易在較小的凹槽處堆積。

圖3 成形極限圖

塑性應變(圖5)最大為0.4997,最大塑性應變沒有超過材料的極限應變。

圖4 厚度分布

圖5 板料塑性應變

圖6 終止時刻板料溫度分布

圖7 終止時刻壓邊圈溫度分布

拉深終止時刻板料或工具的溫度分布如圖6、圖7所示。板料在模腔部分的溫度較高,模腔外部分的溫度較低,最高溫度為637.2℃。該現(xiàn)象可解釋為:板料的熱成形是內部溫度場與應力場同時共存,相互作用、耦合的變化過程。模腔部分的板料發(fā)生了相對較大的塑性變形,而模腔外的板料基本上無塑性變形或變形較小。變形能轉化為內能,因此溫度較高。塑性變形越大,由變形能轉化而來的內能越大,溫度就越高。壓邊圈溫度分布則受熱接觸影響較大,與板料先接觸的部分溫度較高。由于圖7圓圈處的壓邊圈部分最早與板料接觸,所以獲得最多的接觸傳熱,溫度最高。

雖然在上述工藝參數下,車身B柱加強板的各項成形性能指標均已合格,但這種憑借經驗和多次試算所得到的工藝參數并不是最優(yōu)的組合,有進一步優(yōu)化的必要。

2 熱成形工藝參數優(yōu)化設計方法

正交試驗設計是利用規(guī)格化的正交表,恰當地設計出試驗方案和有效地分析試驗結果,提出最優(yōu)配方和工藝條件,進而設計出可能更優(yōu)秀的試驗方案的一種科學方法[5]。熱成形工藝是一個復雜的過程,影響制件成形性能的工藝參數很多,為了減少試驗次數,同時獲得足夠多的參數,模擬試驗采用正交試驗法,通過分析試驗結果,提出最優(yōu)的熱成形工藝條件。

2.1 優(yōu)化目標設計

對某些熱沖壓產品,起皺和減薄等缺陷是一些無法徹底消除的問題,只能通過工藝參數的優(yōu)化,減輕制件的這些缺陷,從而滿足制件的設計要求。常用的評價板料成形性能的指標有最大減薄率 T1、危險點的主應變ε1和成形極限圖。FLD雖然直觀,但不便于數值化以用做正交試驗指標;最大減薄率T1和危險點主應變ε1的數值越小,表示成形質量越好[6]。因此,本文針對最大減薄率、最危險的5個點主應變均值εe兩個指標的綜合值,討論得到使綜合指標達到最優(yōu)的工藝參數組合。這里取每次試驗中最危險的5個點主應變均值εe作為評價指標的原因是為了避免取單個點造成的片面性,使評價指標更合理、更有效。

2.2 正交試驗的設計

分析的目標是確定最大減薄率 T1和每次試驗中最危險的5個點主應變均值εe兩個指標的綜合值。為保證制件的成形質量和使用要求,必須滿足以下條件:T1≤30%,εe≤0.7。

影響B(tài)柱加強板熱成形質量的因素很多,選取對熱成形過程影響較大的4個因素,每個因素設置3個水平。因素分別設置為沖壓速度A、壓邊力Fbinder和靜態(tài)摩擦因數 fs組合B、板料的初始溫度C和工具的初始溫度D。由于板料和壓邊圈之間的摩擦力是由壓邊力和摩擦因數共同決定的,因此將壓邊力和摩擦因數視為一個組合因素。因素水平表見表3。

表3 因素水平表

根據4因素3水平,選取正交表L9(34)。按照正交表所規(guī)定的試驗方案,經過 LS-DYAN 971分析,提取成形后車身B柱加強板的最大減薄率和危險點的主應變數據。

2.3 正交試驗結果數據處理

模擬試驗所選取的目標指標對車身B柱加強板成形質量的影響程度各有側重,同時各指標的量綱并不一致,為兼顧各個指標,有必要建立一個使各個指標都盡可能好的綜合評判方法,從而將多目標問題轉化為單目標,實現(xiàn)多目標問題的綜合優(yōu)化。因此,采用模糊數學中的映射函數[7]進行處理,將各個指標值統(tǒng)一映射到[0,1]的數值區(qū)間中,結合加權評分法,在模糊處理的基礎上再對權值進行分配。權值分配根據正交試驗分析結果和指標對制品綜合質量的影響程度,按百分制加權,最大減薄率和危險的主應變的權值分別為:k1=70,k2=30。加權綜合評分值Ln的計算公式如下:

式中,p＞0,通常取1、2、3等,本文取 p=1;n為試驗號,n=1,2,3,…,9;i為目標指標,最大減薄率和危險點主應變均值的i分別為1、2;Ln為第n次試驗的綜合評分;Lni為第n次試驗的第i項指標的映射值;xni為第n次試驗的第i項指標的實驗值;x0、x1分別為各個目標指標映射函數的邊界點取值。

各參數取值見表4。綜合評分結果見表5。

表4 函數各參數取值

表5 正交試驗結果及綜合評分

將上述仿真試驗的指標值,利用極差分析法(也簡稱為R法)來進行處理[8-9]。這種極差分析法的計算內容和主要步驟如圖8所示。其中,ljk為第j因素k水平所對應的試驗指標為ljk的平均值 。由大小可以判斷j因素的優(yōu)水平,各因素優(yōu)水平的組合即為最優(yōu)設計組合。另外,Rj為第j因素的極差,其計算式為

Rj反映了第j因素水平變動時試驗指標的變動幅度。Rj越大,說明該因素對指標的影響越大,也就越重要。依據極差Rj的大小就可以判斷因素間的主次。這種極差分析法充分體現(xiàn)了正交設計的靈活性和直觀性,因此該處理方法也叫直觀分析法,極差分析結果見表6。

圖8 R法示意圖

表6 綜合評分極差分析結果

2.4 結果分析

由表6中結果可以判斷:影響綜合評分的主次因素依次是板料初始溫度C、沖壓速度A、摩擦力和壓邊力組合B、模具初始溫度D,同時還可以直觀地看出各因素的優(yōu)水平。最后可以挑選出其中最優(yōu)的一組因素水平組合方案,如表6最后一行所示,即C1、A 1、B2、D1。表5中沒有相應的組合方案,因此需要經過試驗驗證。經LS-DYNA分析得該方案的最大減薄率為23.31%,危險點應變均值為0.417,綜合評分值為17.830。與表5比較可知,該方案的綜合評分最高,表明該方案為較優(yōu)方案。

3 結論

(1)熱成形可顯著提高超高強度鋼板的成形性能。

(2)試驗證明,采用分析軟件LS-DYNA結合正交試驗及運用綜合評判法,可以對超高強度鋼車身B柱加強板熱成形工藝參數進行優(yōu)化,能夠通過較少的試驗就得到一組綜合評分較高的工藝參數組合,證明這種方法是可行的。

(3)該車身B柱熱成形最優(yōu)工藝參數組合,即板料初始溫度取760℃;沖壓速度取1m/s,;壓邊力取100kN,靜態(tài)摩擦因數取0.125;工具初始溫度取75℃。由于熱成形數值分析對材料的物性參數以及熱邊界條件依賴較大,因此還需要進一步試驗驗證。文中的方法可為相關研究提供參考。

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Multi-objectiveOptim ization for Ultra High Strength Steel B-pillar of Car Body Hot Form ing Process Parameters

Gao Yunkai1Deng Youzhi1Cao Wei2
1.Tongji University,Shanghai,201804 2.Zhejiang Geely Autom obile Research Institute Co.,Ltd.,Linhai,Zhejiang,317000

The u ltra high strength steel B-pillar o f car body hot forming p rocess param eters,such as punch velocity,binder force,static friction,initial tem perature of b lank,initial tem perature of tools etc.w ere analyzed based on orthogonal experimental design method and the comp rehensive evaluation tomaximum thinning rate and mean valueof dangerous points'principal strain wasobtained by means of fuzzy mathematics.From this evaluation,the extent of overall influences on the process parameters was clarified.Through analyzing the factors resulted from the simulation results,the optimized B-pillar of car body hot forming process parameters scheme was obtained.

ultra high strength steel;B-pillar of car body hot form ing process;process parameter op timization;multi-objective;orthogonalexperimental design

TG386

1004—132X(2011)05—0621—04

2010—06—07

中韓國際科技合作項目(2008DFB50020)

(編輯 袁興玲)

高云凱,男,1963年生。同濟大學汽車學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為車身結構設計與分析。出版專著1部,發(fā)表論文20余篇。鄧有志,男,1984年生。同濟大學汽車學院碩士研究生。曹 偉,男,1983年生。浙江吉利汽車研究院有限公司工程師。