JSTAMP/NV在汽車輕量化沖壓仿真中的應(yīng)用

文/李彥波，劉紅武·廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院

JSTAMP/NV在汽車輕量化沖壓仿真中的應(yīng)用

文/李彥波，劉紅武·廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院

安全、節(jié)能、環(huán)保是汽車技術(shù)發(fā)展的永恒主題。安全和舒適的功能會增加汽車的質(zhì)量，節(jié)能和環(huán)保要求減少二氧化碳?xì)怏w的排放及良好的回收再利用。國外研究表明，一般情況下車重每減輕10%，可節(jié)省燃油3%～7%。因此，隨著全球環(huán)境和能源危機(jī)的日益加劇，汽車輕量化技術(shù)已成為當(dāng)前汽車行業(yè)的發(fā)展潮流，得到了廣泛關(guān)注。在汽車沖壓件的設(shè)計和生產(chǎn)過程中，成形工藝分析與設(shè)計采用傳統(tǒng)的方法并依靠工程師的經(jīng)驗，已不能滿足新產(chǎn)品開發(fā)的需求，板料沖壓成形的數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用可以很好地解決相關(guān)問題。目前，該技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家已成為縮短汽車沖壓件模具研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本必不可少的工具。

汽車輕量化的技術(shù)途徑

汽車輕量化就是在保證汽車強度和安全性的前提下，盡可能降低汽車的整車質(zhì)量，從而提高汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性并降低排氣污染。目前，全球中型乘用車平均質(zhì)量約為1200～1400kg，發(fā)達(dá)國家力爭在2015年將中型乘用車整車質(zhì)量減輕到1000kg以下。實現(xiàn)汽車輕量化主要有以下幾種途徑：一是采用輕質(zhì)材料，如使用低密度的鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、工程塑料或碳纖維復(fù)合材料等；二是使用高強度鋼代替普通鋼材，降低鋼板厚度規(guī)格。高強度鋼是輕量化的關(guān)鍵材料，大量使用不僅可實現(xiàn)整車的輕量化，又能保證汽車安全性和可靠性要求。因此，高強鋼使用面廣且量大；三是采用先進(jìn)的加工制造技術(shù)，即指采用新材料生產(chǎn)汽車零部件所需的特殊加工技術(shù)，主要有零部件表面處理技術(shù)、先進(jìn)的材料連接技術(shù)等。目前，應(yīng)用較為廣泛的有熱成形、激光拼焊板和液壓成形技術(shù)等；四是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，即對汽車車身、底盤、發(fā)動機(jī)等零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等。

JSTAMP/NV軟件及其數(shù)值模擬流程

JSTAMP/NV是由日本株式會社JSOL開發(fā)的基于LS-DYNA通用求解器的鈑金沖壓成形仿真軟件，能夠模擬鈑金沖壓的幾乎全部類型，包括自重偏斜、板料夾緊、壓邊、拉深筋布置、沖壓加載、拉深成形、切邊、翻邊、卸載回彈、液壓成形、管材內(nèi)高壓成形、熱成形及拼焊板成形等；能夠精確地預(yù)測開裂、褶皺、回彈，尤其是高強度鋼板的回彈，是當(dāng)前市場上少有的可以不通過第三方軟件便可以生成高精度回彈補償模面數(shù)據(jù)，并直接用于CNC加工的軟件；能幫助模具設(shè)計人員顯著減少模具設(shè)計時間和修模周期，以縮短交貨工期，降低生產(chǎn)成本；目前廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、鋼鐵冶煉和家電等工業(yè)領(lǐng)域。此外，JSTAMP/NV還具有精確計算模具變形量，溜料仿真等功能。可簡單應(yīng)用實體單元進(jìn)行多工序拉延，提供豐富的材料數(shù)據(jù)庫、拉深筋數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用JSTAMP/NV軟件執(zhí)行數(shù)值模擬仿真的一般流程，如圖1所示。

圖1 基于JSTAMP/NV數(shù)值仿真的流程

JSTAMP/NV在汽車輕量化沖壓仿真中的應(yīng)用

針對目前汽車輕量化3種主要的先進(jìn)加工制造技術(shù)：熱成形、激光拼焊和液壓成形技術(shù)，以汽車B柱、車門內(nèi)板和副車架典型零件為實例，應(yīng)用鈑金成形仿真軟件JSTAMP/NV對這3種工藝方式分別進(jìn)行數(shù)值模擬。

JSTAMP/NV在熱成形仿真中的應(yīng)用

熱成形工藝通過將板料加熱到高溫狀態(tài)，然后在專用熱成形模具上快速成形并保壓淬火，可以得到抗拉強度在1500MPa以上的零件。熱成形技術(shù)可以很好地解決高強度鋼冷沖壓成形過程中，極易發(fā)生拉裂及成形后回彈量較大等成形缺陷。由于高溫下材料塑性大、變形抗力小，且模具內(nèi)淬火后制件回彈較小，因此熱成形工藝是一種有效解決高強度鋼板沖壓成形的新型方法。超高強度鋼制件在車身上的應(yīng)用使得車身力學(xué)性能提高的同時，重量得以減輕。目前，車身上越來越多的零部件開始采用熱成形工藝。

利用有限元數(shù)值模擬方法研究熱成形材料的變形機(jī)理和流動規(guī)律以及工件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變場的分布情況、溫度場分布及其變化情況，探索熱成形工藝參數(shù)對材料流動變形、溫度分布以及殘余應(yīng)力分布的作用規(guī)律，預(yù)測成形制件的硬度值及相變過程中的馬氏體比率，從而將熱成形超高強度鋼板技術(shù)在科學(xué)研究上系統(tǒng)化、理論化,在生產(chǎn)應(yīng)用上輔助零件設(shè)計，優(yōu)化模具型面結(jié)構(gòu)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低工藝開發(fā)成本。應(yīng)用JSTAMP/NV軟件的加熱成形仿真模塊對汽車B柱的熱成形工藝過程包括加熱拉深、淬火、冷卻等工序進(jìn)行數(shù)值模擬。在仿真中，使用實體模具網(wǎng)格進(jìn)行冷卻分析，以評價模具的溫度分布，還能方便快速地獲取多個循環(huán)成形工序不同節(jié)點的溫度歷史曲線，如圖2a、b所示。為了間接評價熱成形制件的表面硬度和組織構(gòu)成，并模擬計算淬火冷卻后制件在相變過程中的馬氏體比率和維氏硬度分布，如圖2c、d所示，仿真時應(yīng)用了相變材料模型（*MAT_UHS_STEEL）。

圖2 汽車B柱熱成形仿真結(jié)果

JSTAMP/NV在激光拼焊板成形仿真中的應(yīng)用

激光拼焊板技術(shù)是基于成熟的激光焊接技術(shù)發(fā)展起來的先進(jìn)加工工藝技術(shù)，是通過高能量的激光將幾塊不同材質(zhì)、不同厚度或不同涂層的鋼材焊接成一塊整板再進(jìn)行沖壓生產(chǎn)，以滿足零部件不同部位對材料不同性能的要求。拼焊板工藝的出現(xiàn)解決了由傳統(tǒng)單一厚度材料所不能滿足的超寬板及零件不同部位具有不同工藝性能要求的工藝問題。激光拼焊板技術(shù)應(yīng)用于汽車車身具有減輕車身重量、節(jié)能環(huán)保、降低生產(chǎn)成本、改善車身安全性能等優(yōu)勢。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于車身覆蓋件、車身骨架件、車門內(nèi)板、梁柱類零件等車身零部件加工制造。然而，隨著高強度鋼板在激光拼焊板車身零部件成形過程中使用的越來越多，在焊接過程中焊縫及熱影響區(qū)的材料性能改變，以及拼焊材料性質(zhì)及強度差別或厚度差別的負(fù)面影響容易導(dǎo)致破裂起皺、焊縫偏移和回彈過大等缺陷。采用數(shù)值模擬技術(shù)探尋激光拼焊板車身零部件工藝規(guī)律，如圖3所示為應(yīng)用JSTAMP/NV對某汽車門內(nèi)板執(zhí)行激光拼焊板仿真的結(jié)果。數(shù)值模擬結(jié)果表明：焊縫移動對成形性影響很大，控制焊縫移動可以抑制較薄或較弱側(cè)金屬的局部塑性變形，增加厚或強側(cè)金屬流入凹模中的比例，提高拼焊板的沖壓成形性能。完善該類零件拉延成形優(yōu)化的方法體系，為解決高強度激光拼焊板車身零部件生產(chǎn)中的問題提供指導(dǎo)。

JSTAMP/NV在液壓成形仿真中的應(yīng)用

圖3 汽車門內(nèi)板激光拼焊成形仿真結(jié)果

圖4 汽車副車架管材液壓成形仿真結(jié)果

利用流體介質(zhì)來代替?zhèn)鬟f力以實現(xiàn)金屬塑性加工成形稱為液壓成形。液壓成形分為2種：一種是內(nèi)高壓成形，即在金屬管內(nèi)充滿高壓液體并利用模具施壓使其成形；另一種是金屬板料的液壓成形，利用高壓液體代替一般模具，使板料成形，獲得工件。由于液壓成形的應(yīng)力狀態(tài)良好，可以比其他成形工藝獲得更大的變形程度，可以與彎曲、沖孔、壓印等工序復(fù)合。它不僅簡化了模具結(jié)構(gòu)、縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，可以制造出其他常規(guī)工藝方法不能制造的復(fù)雜工件，而且對于提高汽車燃油效率、減少零件數(shù)據(jù)和汽車自重都具有重要意義。液壓成形技術(shù)是一門新型的金屬成形技術(shù)，目前該技術(shù)在車身結(jié)構(gòu)中的懸架系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)件的零部件中有大量應(yīng)用。如圖4所示為利用JSTAMP/NV軟件對某汽車副車架的管材液壓成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取的制件最終成形工序的壁厚和成形極限分布。完整的管材液壓成形工藝需要將零件設(shè)計、材料選擇、內(nèi)部壓力的加載和軸向進(jìn)給等工藝條件和參數(shù)進(jìn)行合理的組合?；谟邢拊治鲕浖﨡STAMP/NV對管材液壓成形的工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可在制造模具和開始試模前確定工藝參數(shù)，并可以預(yù)測和消除成形過程中在變形區(qū)出現(xiàn)的缺陷，如屈曲、起皺和破裂等。

結(jié)束語

汽車輕量化技術(shù)目前已被我國眾多汽車廠家高度重視，汽車輕量化有助于節(jié)能減排、提高發(fā)動機(jī)的效率、降低尾氣排放。從輕量化技術(shù)的內(nèi)涵來看，需要在滿足產(chǎn)品功能要求和成本控制的條件下，將從優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、新材料的使用及與多種先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用等方面，實現(xiàn)汽車的輕量化。利用JSTAMP/NV有限元分析軟件對汽車輕量化的先進(jìn)制造技術(shù)如熱成形、拼焊板成形和液壓成形技術(shù)進(jìn)行仿真分析和預(yù)測，可以真實地模擬出零件的實際沖壓過程，并在試模前能準(zhǔn)確預(yù)測出汽車零部件可能出現(xiàn)的缺陷，從而對實際生產(chǎn)中采取工藝措施來減少和控制此類缺陷的出現(xiàn)有重要指導(dǎo)意義，可大幅度減少模具返修次數(shù)及修模工作。