車身高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件回彈趨勢分析方法

文/李馳，鐘劍·廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司

車身高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件回彈趨勢分析方法

文/李馳，鐘劍·廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司

李馳，技術(shù)中心工藝規(guī)劃室副主任，工程師，先后負(fù)責(zé)AD/AF/A28多款新車型項目沖壓領(lǐng)域工藝規(guī)劃，同步工程和模檢具導(dǎo)入工作，獲得過發(fā)明專利1項。

隨著汽車工業(yè)節(jié)能、環(huán)保、安全要求的日益提高，高強(qiáng)鋼在車身結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用比例不斷增加，高強(qiáng)鋼回彈造成的幾何尺寸偏差，成為影響車身精度和品質(zhì)提升的重要因素。針對高強(qiáng)鋼零件的回彈研究，主要包括回彈趨勢分析，工藝參數(shù)對回彈量的影響，以及模具的回彈補(bǔ)償?shù)确矫妗?/p>

由于零件幾何形狀的復(fù)雜性，零件回彈量包含尺寸/曲率收縮、扭曲回彈、角度回彈等各種回彈趨勢的疊加，并且受工藝參數(shù)——包括材料性能、工藝方案（拉延或者壓形）、壓邊力、成形力、保壓時間等因素的影響，因此首先要建立起零件回彈趨勢的分析方法，根據(jù)不同的回彈類型對回彈量進(jìn)行分析，是開展工藝參數(shù)對回彈量的影響以及模具回彈補(bǔ)償研究的前提。

沖壓件回彈的機(jī)理

沖壓件在成形過程中，會發(fā)生彈性變形和塑性變形，當(dāng)外力卸載時（零件從模具中取出或者廢料部分通過修邊切除后），彈性變形導(dǎo)致的殘余應(yīng)力釋放，使沖壓件朝變形相反的方向恢復(fù)，從而產(chǎn)生回彈。

單向拉伸產(chǎn)生的回彈

圖1所示是單向拉伸的回彈過程，零件的初始長度為L0，受到外力F作用時，板料厚度方向上產(chǎn)生均勻的應(yīng)力分布，產(chǎn)生應(yīng)變量εp+εe，當(dāng)外力F卸載后，彈性應(yīng)變εe恢復(fù)，零件的長度變小，最終零件尺寸為La。

圖1 單向拉伸狀態(tài)的回彈

彎矩產(chǎn)生的回彈

當(dāng)零件受到彎矩作用時，彎曲應(yīng)變εbend在厚度方向上的變化如圖2a所示，板料厚度方向上的應(yīng)力分布如圖2b所示，零件產(chǎn)生彎曲變形。當(dāng)彎矩力卸載后，由彈性應(yīng)變產(chǎn)生的殘余應(yīng)力釋放，在厚度方向上恢復(fù)應(yīng)變εrelax變化如圖2a所示，回彈后零件的曲率變小，最終零件的形狀和厚度方向的應(yīng)力分布如圖2c所示。

實(shí)際的沖壓件形狀都比較復(fù)雜，同時受到拉伸載荷和彎矩載荷作用，此時，拉伸變形和彎曲變形綜合作用，殘余應(yīng)力的釋放造成零件幾何尺寸的縮小和曲率的減小，導(dǎo)致零件最終的尺寸偏差。

圖2 受彎矩時的彎曲回彈

典型高強(qiáng)鋼零件的回彈趨勢分析方法

以下以A車型側(cè)圍前上加強(qiáng)板零件為例，介紹高強(qiáng)鋼零件回彈趨勢的分析方法。

車身高強(qiáng)鋼一般都為梁架件結(jié)構(gòu)，幾何形狀有以下特點(diǎn)：

⑴零件具有典型的特征截面（圖3a）；

⑵以特征截面的幾何中心擬合的一條曲線，零件的形狀近似于特征截面沿特征線掃掠而成，即零件具有特征線（圖3b）。

圖3 側(cè)圍前上加強(qiáng)板

A車型側(cè)圍前上加強(qiáng)板屬于側(cè)圍內(nèi)板總成（圖3c），主要起到加強(qiáng)車身A柱到頂邊梁區(qū)域的強(qiáng)度的作用，在碰撞時支撐前排乘員空間不受擠壓，保證人員的安全，材質(zhì)為DP600，屈服強(qiáng)度為480MPa，抗拉強(qiáng)度為600MPa。零件的整體形狀符合整車造型側(cè)圍A柱到頂邊梁的造型，特征線是一條變曲率的空間曲線，零件的特征截面呈“幾”字形。下面通過Pam-stamp軟件進(jìn)行自由回彈結(jié)果對比，分析此種類型零件的回彈趨勢。

圖4是CAE分析自由回彈的分析結(jié)果，綠色表示回彈前的零件，紅色表示回彈后的零件。為了更好地描述零件的回彈趨勢，在特征線上建立等距的法向面，截取零件的特征截面SEC1～SEC17（圖4）。另外，在特征截面上取點(diǎn)測量其扭轉(zhuǎn)量，如圖5所示。由于回彈，零件特征線的曲率發(fā)生變化，造成特征截面的位移。在特征截面上，選取三個特征點(diǎn)，位于“幾”字形頂部的直線區(qū)域，其中p1、p3為直線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，p2為直線段的中點(diǎn)，以p2點(diǎn)為基準(zhǔn)，測量特征截面的Y向位移量dy和Z向位移量dz，以及特征截面的扭轉(zhuǎn)量——直線p1p3的夾角θx。

圖4 自由回彈分析云圖

圖5 特征截面的回彈量

以SEC8的特征截面為中心，測得特征截面的Y向偏移量、Z向的偏移量以及X軸轉(zhuǎn)角如圖6所示。結(jié)果顯示，偏移量與轉(zhuǎn)角的大小都與各特征截面和SEC8的距離有線性關(guān)系。

圖6 特征截面回彈量統(tǒng)計數(shù)據(jù)

將回彈后的特征截面的Y軸偏移、Z軸偏移和X軸旋轉(zhuǎn)消除后，回彈后的特征截面和回彈前的特征截面的立壁仍有一定的角度，主要是由彎曲回彈導(dǎo)致，各截面立壁端點(diǎn)的回彈量如圖7所示。由圖7可以看出，回彈量在1～4mm的范圍內(nèi)，由于受到不規(guī)則的幾何形狀的影響，回彈量沒有明顯的規(guī)律。但也可以看出，零件X軸正向的一端（SEC11至SEC17）特征截面比較一致，且特征線曲率比較大，受到幾何形狀的約束較小，回彈量明顯變大。

圖7 立壁端點(diǎn)回彈量統(tǒng)計數(shù)據(jù)

通過上述分析可以看出，此零件的回彈主要有三部分：

⑴零件的整體回彈。特征線曲率減小，特征截面Y軸和Z軸的偏移及回彈量與特征截面距中心特征截面的距離呈線性關(guān)系。

⑵零件的扭曲回彈。特征截面角度的變化，扭曲角度和特征截面距中心特征截面的距離呈線性關(guān)系。

⑶零件的彎曲回彈。特征截面立壁的角度的變化。

結(jié)束語

本文通過CAE分析獲得高強(qiáng)鋼自由回彈的原因，并將回彈分解為整體回彈、扭曲回彈和彎曲回彈，對幾種回彈量的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。在實(shí)際的應(yīng)用中，可按照本文的方法選擇零件的特征截面，使用三坐標(biāo)測量回彈數(shù)據(jù)并分析，可以更加直觀量化地把握零件的回彈趨勢，為模面的回彈補(bǔ)償方法和補(bǔ)償量提供參考數(shù)據(jù)。本文的分析方法，也可用于對不同材料、工藝參數(shù)的變化對回彈量的影響的研究，以及分析類似零件（具有近似特征截面和特征線）的回彈量并建立數(shù)據(jù)庫；通過大量實(shí)際的數(shù)據(jù)積累，反饋到CAE的分析結(jié)果，輔助CAE分析更加準(zhǔn)確地預(yù)測零件的回彈量。

[注：本文相關(guān)試驗(yàn)基金由廣州市科技計劃項目（2014J4300027）資助]