雙曲扁殼類汽車覆蓋件剛度的試驗(yàn)研究

趙立紅，邢忠文，雷呈喜，張曉輝

(1.哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，哈爾濱 150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

近年來，圍繞節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、低耗為目標(biāo)使汽車輕量化技術(shù)成為世界汽車主要發(fā)展方向之一，亦是汽車行業(yè)的一個(gè)重要研究課題.這一發(fā)展趨勢促使許多輕質(zhì)高強(qiáng)度鋼板等新材料引入汽車制造業(yè)［1-6］.而汽車覆蓋件另一發(fā)展趨勢就是大曲面流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即覆蓋件外型趨于平坦，這種流線設(shè)計(jì)可以有效地降低風(fēng)阻，從而降低油耗.然而，汽車覆蓋件的這兩種發(fā)展趨勢也使汽車覆蓋件的剛度問題越來越突出［7］.板材料的厚度和曲率是影響汽車覆蓋件剛度的兩個(gè)最主要因素，研究表明，板材的厚度越小，曲率越小，剛度越小.目前國內(nèi)外研究學(xué)者對剛度問題的研究已取得了一定的研究成果［8-11］.本課題組針對單曲面扁殼件展開相關(guān)剛度研究，并取得突破性研究成果，總結(jié)出零件幾何形狀、材料性能參數(shù)、成形工藝參數(shù)以及回彈對單曲面扁殼件剛度的影響規(guī)律［12-14］.而雙曲扁殼類覆蓋件的成形、卸載回彈及剛度加載測試時(shí)的變形凹陷撓曲不同于單曲扁殼件，是個(gè)十分復(fù)雜的幾何非線性問題［15-16］.本研究將對全面認(rèn)識曲面扁殼類覆蓋件剛度問題研究具有重要理論與工程應(yīng)用意義.

1 雙曲扁殼件成形及剛度測試

轎車頂蓋、發(fā)罩蓋板及車門等均具有曲面扁殼的幾何特征.因此，以雙曲面扁殼為試驗(yàn)研究模型，對其完成不同工藝條件、不同材料和幾何條件下的成形試驗(yàn)，在其卸載回彈后，再進(jìn)行剛度加載測試試驗(yàn)，由此展開雙曲扁殼件覆蓋件剛度問題研究.

1.1 雙曲扁殼件試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

雙曲扁殼件(雙曲面是由固定曲率半徑的圓弧線沿著另一弧線移動(dòng)而形成的曲面)成形凸模幾何參數(shù)如表1所示.雙曲扁殼件的成形是在YH-32四柱式2 000 kN液壓機(jī)上完成的，該液壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)壓邊力的無級調(diào)節(jié)，以完成不同壓邊力下的拉深成形.試驗(yàn)板料毛坯尺寸為400 mm×300 mm.雙曲面扁件成形模具如圖1所示.圖2為成形后的雙曲面扁殼件.

表1 雙曲扁殼件成形凸模幾何參數(shù) mm

圖1 雙曲扁殼件成形模具

圖2 雙曲面扁殼件

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的板材性能參數(shù)見表2.實(shí)驗(yàn)材料均為汽車覆蓋件用冷軋鋼板.1#材料牌號為Q235，厚度分別為0.5，0.6，0.8 mm;2#材料牌號為st12，厚度分別為0.5，0.6，0.7 mm;3#材料是鍍鋅鋼板，厚度為0.5 mm.

表2 板材材料性能參數(shù)

1.3 剛度測試試驗(yàn)

雙曲面扁殼件的剛度測試是在自主開發(fā)設(shè)計(jì)的便攜式剛度測試儀上完成的，便攜式剛度測試儀本體如圖3所示.該剛度測試儀采用單懸臂梁組合式結(jié)構(gòu)，便于測試儀的攜帶、運(yùn)輸及現(xiàn)場安裝，可以針對各類曲面形狀覆蓋件上的任意點(diǎn)做三維空間任意調(diào)整，以完成對被測點(diǎn)施加法向載荷，準(zhǔn)確測得覆蓋件的剛度值.扁殼件剛度測試裝置如圖4所示.被測覆蓋件的剛度值是通過對試件中心加載而產(chǎn)生的力和位移曲線得到的，剛度值評價(jià)采用初始點(diǎn)斜率法［14］.

圖3 便攜式剛度測試儀本體

剛度測試時(shí)，對扁殼件的約束方式有5種，分別記為YS1，YS2，YS3，YS4，YS5.5種約束方法的布置方式見表3.圖4即為表3中的第I種約束方式Y(jié)S1.YS2，YS3，YS4這3種約束方式是在YS1基礎(chǔ)上，對扁殼件長、短邊約束布置不同而產(chǎn)生.而約束方式Y(jié)S5(圖5所示)不同于前4種，其基本保留了扁殼件成形后的型面特征的自由約束狀態(tài).

表3 剛度測試約束形式

圖5 剛度測試時(shí)的第V種約束方式

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

覆蓋件的剛度受多種復(fù)雜因素影響，分析覆蓋件幾何形狀(板料厚度)、沖壓工藝條件(壓邊力，拉深深度)和材料性能參數(shù)等對汽車覆蓋件剛度的影響規(guī)律，可以為提高汽車覆蓋件的剛度提供理論與實(shí)踐依據(jù).

2.1 壓邊力對剛度的影響

為準(zhǔn)確獲得壓邊力對剛度的影響規(guī)律，進(jìn)行剛度測試試驗(yàn)時(shí)，采取合適的扁殼件的約束方式對試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要影響.由前述單曲面扁殼件試驗(yàn)得知，約束的改變對剛度的影響要遠(yuǎn)大于工藝條件對剛度的影響［8］.對于 1#，2#，3#材料，成形時(shí)拉深深度為h=30 mm，壓邊力(BHF)分別為1.6，1.8，2.0，2.2，2.4，2.6，2.8 MPa時(shí)，分別測出在約束方式Y(jié)S1下(圖4所示)，試件的剛度值(K0).圖6，圖7為1#和2#材料在約束方式Y(jié)S1下壓邊力與剛度的關(guān)系.圖8為3#材料在5種約束方式下，壓邊力與剛度的關(guān)系.

圖6 1#材料在約束方式Y(jié)S1下壓邊力與剛度的關(guān)系

圖7 2#材料在約束方式Y(jié)S1下壓邊力與剛度的關(guān)系

圖8 3#材料5種約束條件下壓邊力與剛度的關(guān)系

由圖 6可以看出，對于 1#材料，0.5，0.6，0.8 mm的3種厚度材料，在約束條件YS1下，剛度值隨著壓邊力的變化不明顯.但隨著厚度的增加，厚度為0.8 mm的材料，壓邊力隨著厚度的增加有增大趨勢.由圖7可以看到，對于2#材料，在約束條件YS2下，0.5，0.6，0.7 mm的3種厚度的材料，剛度值均隨壓邊力的增大有增加趨勢.

圖8為3#材料分別在5種約束條件下測得的，在不同壓邊力下剛度的變化情況，可以看到，前4種約束條件下，剛度值隨著壓邊力的增大無明顯變化均勢.而在約束條件YS5下，剛度隨著壓邊力的增大有增加趨勢.可見，約束方式對剛度的影響非常突出.在YS5情況下，其約束方式幾乎對各成形工藝條件下的扁殼件型面無影響，可認(rèn)為近自由約束條件下，可準(zhǔn)確獲得扁殼件在各工藝成形條件下對剛度的影響規(guī)律.為此，采取約束方式Y(jié)S5下，測得不同厚度1#和2#材料剛度與壓邊力的關(guān)系，如圖9和圖10所示.

圖9 1#材料在約束方式Y(jié)S5下壓邊力與剛度的關(guān)系

圖10 2#材料在約束方式Y(jié)S5下壓邊力與剛度的關(guān)系

由圖9和圖10可以看出，在約束條件YS5下，對于不同厚度的1#和2#材料，其剛度均隨著壓邊力的增大有增大趨勢.

2.2 拉深深度對剛度的影響

拉深深度是板料成形工藝參數(shù)之一，從變形量影響來看，拉深深度的變化會影響覆蓋件在成形時(shí)厚度方向的變形量，即會引起厚度減薄.由前期研究結(jié)果來看，厚度對剛度有較大影響，即厚度越小，剛度越小.因此，從厚度影響的角度來說，剛度應(yīng)隨著拉深深度的增大而減小.為研究拉深深度對剛度的實(shí)際影響，在不同的拉深深度工藝條件下，取板厚0.6 mm的1#材料和2#材料，成形不同深度的試件，拉深深度(h)分別為30，32.5，35，37.5，40 mm，成形時(shí)的壓邊力為1.5 MPa.在試件中心處加載，獲得以上各拉深深度的剛度值，由此得出拉深深度與剛度的關(guān)系，如圖11和圖12所示，可以看到，拉深深度越大，剛度也越大.這說明，在滿足基本成形質(zhì)量條件下，拉深深度的加大，一方面會造成厚度薄，另一方面隨著變形程度的增大，也改善了扁殼件曲面區(qū)域變形的均勻性，其影響要大于厚度減薄對剛度的影響，從而使其剛度增加.

圖11 2#材料拉深深度與剛度的關(guān)系

圖12 1#材料拉深深度與剛度的關(guān)系

3 結(jié) 論

1)剛度測試時(shí)的約束方式對剛度有重要影響，約束越大，剛度越大;約束方式的改變對剛度的影響要遠(yuǎn)大于成形工藝條件，即壓邊力和拉深深度對剛度的影響.

2)分析得出剛度測試分析時(shí)的最佳約束方式Ⅴ.在汽車覆蓋件實(shí)際應(yīng)用中可以考慮加大對汽車覆蓋件的約束與固定以提高剛度.同種覆蓋件在做剛度測試分析時(shí)，一定要確保約束條件的一致.

3)剛度值隨著壓邊力的增加而增大;成形時(shí)的拉深深度越大，剛度值也越大.上述工藝條件的改變對剛度的影響遠(yuǎn)大于厚度減薄對剛度的影響.

壓邊力的增加以及拉深深度的增大，都提高了成形件的變形程度，減少回彈，并改善變形的均勻性，這些因素均對提高汽車覆蓋件剛度有利.實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過調(diào)整成形時(shí)的工藝參數(shù)以提高汽車覆蓋件的剛度.研究結(jié)果亦將為提高汽車覆蓋件的剛度提供理論與實(shí)踐依據(jù).

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