汽車門框上條件拉彎成形過程的數(shù)值模擬研究*

陳亞兵，夏琴香，沈亞靜，吳 鋒

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640；2.敏實(shí)集團(tuán)廣州敏惠汽車零部件有限公司，廣東廣州 511356）

汽車門框上條件拉彎成形過程的數(shù)值模擬研究*

陳亞兵1，夏琴香1，沈亞靜1，吳 鋒2

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640；2.敏實(shí)集團(tuán)廣州敏惠汽車零部件有限公司，廣東廣州 511356）

復(fù)雜截面型材的高精度拉彎成形是制造汽車門框的關(guān)鍵技術(shù)?；趧?dòng)態(tài)顯式有限元軟件ABAQUS/Explicit，針對(duì)一種由SPCD與B250P1拼焊板滾壓得到的汽車門框上條型材零件，對(duì)其力控制方式的直進(jìn)臺(tái)面式拉彎成形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)比分析了不同預(yù)拉力和不同摩擦系數(shù)對(duì)型材截面畸變的影響程度。結(jié)果表明，增加預(yù)拉力可以減小截面畸變程度，但當(dāng)預(yù)拉力大于1.3倍屈服強(qiáng)度時(shí)，畸變量反而變大，當(dāng)預(yù)拉應(yīng)力取1.1倍的屈服強(qiáng)度時(shí)，整體的畸變量達(dá)最?。划?dāng)摩擦系數(shù)為0.08～0.12時(shí)，截面畸變量較小，可以得到較好的成形精度。

拼焊板；型材；拉彎成形；截面畸變；數(shù)值模擬

0 引言

目前在汽車行業(yè)中，越來越多的人們開始關(guān)注輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減輕車重既可節(jié)約能源，又可減少環(huán)境污染[1]。汽車門框是轎車上的重要組成部件，通常是通過彎曲工藝來完成。生產(chǎn)中彎曲成形方法很多，其中主要有壓彎、折彎、滾彎和拉彎[2]。拉彎成形是指毛料在彎曲的同時(shí)加以切向拉力，改變毛料截面內(nèi)的應(yīng)力為拉應(yīng)力的一種型材彎曲工藝，能夠成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、屈服比大的型材，具有彎曲精度高、回彈小、表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)[3]。因此拉彎工藝廣泛應(yīng)用于汽車型材彎曲件的制造中。

對(duì)于型材拉彎成形的數(shù)值模擬，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，其中型材截面有簡(jiǎn)單對(duì)稱的，也有復(fù)雜無規(guī)則的；有二維平面拉彎，也有三維空間曲面拉彎；加載方式有力控制的，也有位移控制的。但現(xiàn)有研究普遍都是探討拉彎工藝參數(shù)對(duì)型材回彈的影響規(guī)律[4-8]，也有針對(duì)補(bǔ)拉力、摩擦系數(shù)對(duì)矩形鋁型材拉彎成形精度的影響進(jìn)行的研究[9]，但對(duì)于復(fù)雜截面拼焊板型材截面畸變的研究還未見報(bào)道。

本文以某汽車門框上條工件為研究對(duì)象，其截面形狀復(fù)雜、非對(duì)稱，成形過程必定存在一定的截面畸變?；谟邢拊M方法進(jìn)行研究，采用了ABAQUS動(dòng)力顯示模塊Explict，建立了直進(jìn)臺(tái)面式的拉彎模型，分析了預(yù)拉力及摩擦系數(shù)對(duì)本型材截面畸變變化的影響規(guī)律，為復(fù)雜截面拼焊板型材拉彎成形工藝參數(shù)的選擇提供了參考。

1 型材拉彎有限元模型

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

拉彎方式一般包括轉(zhuǎn)臺(tái)式和張臂式兩種。轉(zhuǎn)臺(tái)式拉彎集合了拉彎和繞彎的特點(diǎn)，通用靈活，可成形圓環(huán)形、S形等多種類型零件；張臂式拉彎適用于成形幾何尺寸大、直線段較長(zhǎng)、三維復(fù)雜形狀、可兩件對(duì)稱成形的零件。

本文中的某汽車門框上條件不僅具有壁薄、空心的特點(diǎn)，上下部分還分別帶有凸筋特征，截面形狀為非對(duì)稱不規(guī)則形式，型面為三維變曲率，成形過程復(fù)雜，故采用張臂式拉彎成形方式[10]。本文采用先預(yù)拉后彎曲的加載方式，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，在X正方向?qū)ぜ膬啥耸┘宇A(yù)拉力F，并保證F大小不變，方向始終垂直于工件端部，使工件橫截面的應(yīng)力達(dá)到屈服極限；然后模具在Y負(fù)方向發(fā)生S的位移，工件由于受到模具的推力作用開始貼膜[11]。

1.2幾何建模

圖1 直進(jìn)臺(tái)面式拉彎試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮韴D

型材進(jìn)行拉彎成形涉及到的幾何模型主要是型材和模具，型材采用可變形實(shí)體、實(shí)體單元；和型材相比，模具的變形量很小，故在此將其視為剛體，采用離散剛體、殼單元進(jìn)行建模，而為了減少網(wǎng)格數(shù)量，加快運(yùn)行速度，模具只考慮與型材接觸的部分，其他的忽略。

（1）型材模型。型材截面如圖2所示，型材毛坯為長(zhǎng)度為1100 mm，壁厚為0.8 mm的直型材。由于型材細(xì)長(zhǎng)故截面方向上網(wǎng)格尺寸要小些，且截面圓角較多，故在圓角位置均勻分布3個(gè)單元，厚度方向劃分兩層，長(zhǎng)度方向每5 mm分布一個(gè)種子點(diǎn)，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 某汽車門框上條件型材截面形狀

圖3 某汽車門框上條件型材的有限元網(wǎng)格劃分

（2）拉彎模具模型。模具的半徑為2 000 mm，所對(duì)圓心角為60°。由于模型的形狀、約束、加載等條件具有良好的對(duì)稱性，因此只需建立1/2模型進(jìn)行模擬，這樣可以大大減少計(jì)算量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，節(jié)約計(jì)算機(jī)資源。模具對(duì)模擬結(jié)果影響較小，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模具只劃分和型材接觸的面，在圓弧方向每10 mm分布一個(gè)種子點(diǎn)，其網(wǎng)格模型如圖4所示。整個(gè)裝配后的有限元模型如圖5所示。

圖4 拉彎模具的有限元網(wǎng)格劃分

圖5 型材拉彎的模型裝配圖

1.3 材料模型

型材材料為SPCD鋼與B250P1鋼的拼焊板，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)單向拉伸試驗(yàn)獲得拼焊板的材料特性，其真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，屈服強(qiáng)度為282 MPa，抗拉強(qiáng)度為450 MPa，彈性模量E=224 GPa，泊松比為0.3。模擬過程中不考慮材料的各向異性效應(yīng)，采用VonMises屈服準(zhǔn)則，隨動(dòng)硬化法則。

圖6 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

本文采用ABAQUS動(dòng)力顯示算法Explicit模塊對(duì)該復(fù)雜截面型材模擬計(jì)算，分析型材截面畸變，研究預(yù)拉力、摩擦系數(shù)等因素對(duì)截面畸變的影響[4]。

2.1 成形精度的衡量標(biāo)準(zhǔn)

型材彎曲過程中，對(duì)于非對(duì)稱截面型材，彎曲過程中彎曲力作用點(diǎn)不易通過型材截面的彎心，則型材除了產(chǎn)生彎曲外，還產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形。對(duì)于本文研究的復(fù)雜非對(duì)稱截面型材，進(jìn)行截面畸變的分析時(shí)，定義型材中間對(duì)稱面三個(gè)位移量a，b，c，如圖7所示，規(guī)定向內(nèi)凹為正值，向外凸為負(fù)值。

圖7 截面畸變的定義

2.2 預(yù)拉力的影響

本文介紹的拉彎成形過程的加載方式是預(yù)拉、保持預(yù)拉力不變彎曲，但是預(yù)拉力的大小會(huì)對(duì)型材的截面精度造成影響。本文針對(duì)這一問題，采用相同的材料SPCD與B250P1拼焊板，摩擦系數(shù)取為0.1，預(yù)拉力分別取為屈服強(qiáng)度的0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4倍，進(jìn)行模擬研究，定量分析預(yù)拉力對(duì)成形精度的影響。

根據(jù)模擬結(jié)果，得到最易發(fā)生截面畸變的中截面對(duì)應(yīng)的a、b、c的數(shù)據(jù)，作圖8、9、10。由圖8-10可知，當(dāng)預(yù)拉力不足以使型材達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，型材的截面畸變量比較大，尤其是畸變量c為負(fù)值，表示型材頂部有往上翹曲的趨勢(shì)；而隨著預(yù)拉力的增大，畸變量a、b、c都變小，當(dāng)預(yù)拉應(yīng)力達(dá)到1.1倍屈服強(qiáng)度后，畸變量a達(dá)到最小，畸變量c由負(fù)變正，說明當(dāng)預(yù)拉應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后型材頂部由上翹轉(zhuǎn)變?yōu)橄滤划?dāng)預(yù)拉應(yīng)力繼續(xù)增大，由圖8、10可知，畸變量a、c隨之變大，畸變量c的變化量比較大；由圖9可知，隨著預(yù)拉應(yīng)力的增大，畸變量b的值有變小的趨勢(shì)，當(dāng)預(yù)拉應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，畸變量b變化量變小。預(yù)拉應(yīng)力從0.9倍變到1.0倍時(shí)，畸變量a、b、c變化劇烈，變形量急劇變化，說明當(dāng)型材預(yù)拉時(shí)是否達(dá)到屈服強(qiáng)度對(duì)于拉彎成形是一個(gè)非常重要的影響因素。綜上，當(dāng)預(yù)拉應(yīng)力取1.1倍的屈服強(qiáng)度時(shí)，整體的畸變量達(dá)最小。

圖8 不同預(yù)拉力對(duì)畸變量a的影響

圖9 不同預(yù)拉力對(duì)畸變量b的影響

2.3 摩擦系數(shù)的影響

為了考察不同摩擦系數(shù)μ對(duì)畸變量的影響，對(duì)于預(yù)拉應(yīng)力為1.1倍屈服強(qiáng)度的情況下，改變型材與模具之間的摩擦系數(shù)μ=0，0.04，0.08，0.10，0.12，0.15進(jìn)行模擬，得到畸變量a，b，c與摩擦系數(shù)的關(guān)系，如圖11所示。

由于摩擦力的存在，拉力均勻傳遞到中間截面比較困難，導(dǎo)致沿型材長(zhǎng)度方向拉力分配不均勻。由圖11可知，畸變量a雖然隨著摩擦系數(shù)的增加有增大的趨勢(shì)，但總體上變化不大，畸變量為0.9 mm左右，說明畸變量a受摩擦系數(shù)的影響不大；當(dāng)摩擦系數(shù)為0～0.04時(shí)，畸變量b內(nèi)凹，而畸變量c外凸，且隨著摩擦系數(shù)的增加，畸變量變大；當(dāng)摩擦系數(shù)為0.08～0.12時(shí)，畸變量b與c較小，且基本保持不變，均表現(xiàn)為內(nèi)凹；當(dāng)摩擦系數(shù)為0.15時(shí)，畸變量b表現(xiàn)為外凸。以上表明了摩擦系數(shù)對(duì)畸變量b與c的影響較大。

圖10 不同預(yù)拉力對(duì)畸變量c的影響

圖11 不同摩擦系數(shù)u對(duì)畸變量的影響

3 結(jié)論

本文針對(duì)一種典型的汽車門框上條件的SPCD與B250P1拼焊板型材的直進(jìn)臺(tái)面式拉彎成形，利用動(dòng)態(tài)顯示有限元軟件ABAQUS/Explicit進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比分析了預(yù)拉力、摩擦系數(shù)對(duì)截面畸變的影響規(guī)律，其主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)預(yù)拉應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度時(shí)，截面的畸變量較大；而當(dāng)預(yù)拉應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí)，截面畸變量較小且變化平穩(wěn)，取預(yù)拉應(yīng)力為1.1倍屈服強(qiáng)度可得到較好的成形精度；

（2）由于摩擦力的存在，拉力均勻傳遞到中間截面比較困難，導(dǎo)致沿型材長(zhǎng)度方向拉力分配不均勻。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.08～0.12時(shí)，中間截面的畸變量較小，可得到較好的成形精度。

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Numerical Simulation of Stretch Bending of the Upper Strip Used for Automobile Doorframe

CHEN Ya-bing1，XIA Qin-xiang1，SHEN Ya-jing1，WU Feng2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640，China；2.Guangzhou Minhui Automobile Parts Co.，Ltd，Guangzhou511356，China）

High precision stretch bending of complex profile parts is regard as the key technology for manufacturing of automobile doorframe.The process of the stretch bending forming with force-controlled for the typical kind of upper strip of automobile doorframe rolled by the tailor welded blanks of SPCD and B250P1 was simulated by ABAQUS/Explicit，the dynamic explicit FEM software;the influence of different pretension and friction coefficient on the cross-section distortion was investigated.The results show that，generally，the cross-section distortion decreases with the increasing of the pretension;however，when the pretension is 1.1 times of the yield strength，the cross-section distortion is the minimum;when the pretension exceeds 1.3 times of the yield strength，the cross-section distortion increases inversely.When the friction coefficient is between 0.08 and 0.12，the value of cross-section distortion is small and the workpieces with high forming precision can be obtained.

tailor welded blanks；profiled beam；stretch bending；cross-section distortion；numerical simulation

TG386.41

A

1009－9492(2014)07－0047－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.014

陳亞兵，男，1989年生，福建廈門人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：塑性加工及模具計(jì)算機(jī)技術(shù)。

夏琴香，女，1964年生，江西九江人，教授，博導(dǎo)。研究領(lǐng)域：塑性加工及模具計(jì)算機(jī)技術(shù)，meqxx?ia@scut.edu.cn。

(編輯：向 飛)

*廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：12A32081585）；廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（編號(hào)：PEMT1202）

2014－01－01