某款乘用車側(cè)圍板的拉延仿真分析

王德倫，畢盧思

(重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054)

在現(xiàn)代汽車覆蓋件沖壓工藝中，拉延成形有著極其重要的地位。汽車側(cè)圍板是汽車覆蓋件中的典型件之一［1］，零件成形深度大于100 mm，外形復雜不對稱，有外凸和內(nèi)凹底或者大臺階，成形過程中會涉及一系列起皺、破裂、回彈等問題。傳統(tǒng)拉延工藝中的“試錯法”會造成大量的資源浪費，且無法滿足市場產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快的要求。汽車覆蓋件的有限元模擬分析可以在成形尚未實現(xiàn)的實驗階段預測到拉延成形時將會出現(xiàn)的問題，并能確定成形所需要的參數(shù)，之后加以驗證并優(yōu)化設計。這對汽車制造企業(yè)有重要意義。因此，本文采用Dynaform有限元分析軟件，基于某乘用車側(cè)圍板進行仿真分析，擇重考慮壓邊力、拉延筋、工藝補充面等條件對拉延成形過程和結(jié)果的影響［2－5］。

1 汽車覆蓋件拉延成形仿真分析主要步驟

利用數(shù)值模擬技術對汽車覆蓋件拉延成形進行仿真分析，流程如圖1所示，分為5個主要步驟。

圖1 拉延成形仿真分析流程

1.1 幾何模型的建立

零件幾何模型的建立通常有兩種方法:第1種是通過大型CAD軟件(如UG、CATIA)超強建模板塊來建立覆蓋件的幾何模型，然后轉(zhuǎn)換成CAE軟件通用的格式導入CAE軟件中;第2種是直接在某些CAE軟件(Dynaform、Autoform)下建立覆蓋件的幾何模型。本文中側(cè)圍板的建模部分采用第1種方法，并以IGS格式導入到Dynaform軟件中［6］。乘用車側(cè)圍板三維模型如圖2所示。

圖2 側(cè)圍板三維模型

此側(cè)圍板形狀不存在任何的對稱性，并且表面有較大的高度差，拉延深度大，同時安裝車門的位置需根據(jù)實際情況添加工藝孔。側(cè)圍板在成形時應選擇合理的沖壓方向，確保凸模全部直接進入凹模;設置壓料面時首先保證拉延深度較小且均勻，壓料面形狀盡量簡單;添加的工藝補充不屬于零件主體，需要在后續(xù)工序中切除成為廢料，因此在保證良好的拉延條件前提下，應盡量減小工藝補充部分，減少材料浪費，提高材料利用率。為了防止坯料變形時起皺，需要在壓料面上設置拉延筋［7］。

1.2 仿真前處理

1.2.1 網(wǎng)格劃分和拉延方向的確定

利用前處理中的網(wǎng)格劃分模塊進行網(wǎng)格劃分。單元類型一般選用薄殼單元(簡稱BT單元)。在網(wǎng)格劃分前將模型中不屬于拉延的翻邊曲面移到另外的新零件層中，以便在后面的計算中除去此部分。

網(wǎng)格劃分遵循以下必要的原則［7］:

1)單元尺寸不宜過小或過大，否則都會影響計算結(jié)果的準確性;

2)在曲面變化劇烈處、圓角過渡及拐角處，網(wǎng)格單元的劃分需密，選擇較小一點的單元尺寸，這樣更有利于計算精度的提高;

3)在曲率變化相對小的地方，劃分的單元數(shù)目可適當稀疏一些，選擇較大一點的單元尺寸，這樣有利于計算效率的提高。

本文中側(cè)圍板網(wǎng)格劃分的相關控制參數(shù)如表1所示。網(wǎng)格劃分完成后要進行網(wǎng)格質(zhì)量的檢查和修改，如法向檢查、邊界檢查、重疊單元檢查和內(nèi)角檢查等。處理完成后的側(cè)圍板有限元模型如圖3所示。

表1 網(wǎng)格劃分時控制參數(shù)

在對任何一個覆蓋件進行拉延工藝分析前都應選擇最有利的拉延方向，以確保凸模能順利進入凹模，并且不存在拉延負角和凸模接觸不到的部分;拉延深度盡量適當且均勻，開始時凸模與毛坯的接觸要平穩(wěn)且接觸面積要大。

圖3 側(cè)圍板有限元模型

1.2.2 工藝補充設計

在實現(xiàn)側(cè)圍板拉延成形的數(shù)值模擬時需要添加必要的工藝補充部分，其主要內(nèi)容包括空洞的填補、端頭的補充、邊界圓角的過渡、工藝孔的設置、壓料面的參數(shù)化設計、拉延筋的合理布置等。

根據(jù)設計經(jīng)驗和側(cè)圍的實際情況，填補側(cè)圍板上的所有孔洞。車門位置的空洞設置成工藝孔而不需要填補。工藝孔的形狀簡單，圓角半徑較大，需要對工藝孔的輪廓光順處理。側(cè)圍板的外部輪廓不能有較大的起伏，也要進行光順。經(jīng)過孔洞填補和內(nèi)外部光順后的模型如圖4所示。

圖4 孔洞填補、輪廓光順的模型

壓料面是工藝補充的重要組成部分之一，對汽車覆蓋件的拉延成形最終效果有很重要的影響。壓料面的設計是否正確直接影響到金屬流動的速度和方向，并且可能導致拉裂、起皺、局部成形不充分等缺陷。在壓料面設計時，盡量選擇相對簡單的形狀。水平壓料面通常是工程中的第一選擇，這樣可以有效減少坯料的前期處理。針對本模型的具體情況建立平面壓料面。建立、調(diào)整和剪切后的壓料面形狀如圖5所示。

圖5 壓料面形狀

為了能順利拉延出合格的產(chǎn)品，以原有零件為基礎添加部分材料形成工藝補充面，該補充面可在后續(xù)工序中切除。工藝補充面是拉延成形的重要內(nèi)容，對成形質(zhì)量有重要影響［8］。根據(jù)本款乘用車側(cè)圍的復雜結(jié)構(gòu)，在建立工藝補充面時注意在前后門的位置上添加工藝補充孔。此工藝補充孔的形狀要求簡單，圓角半徑較大，所以工藝孔的輪廓需要光順。側(cè)圍板后輪位置比較平齊，并且起伏較大，必須進行端頭的補充才能較好地完成拉延成形。對于所有的工藝補充面必須進行外部光順，以減少拉延時可能出現(xiàn)因應力集中而導致的拉裂現(xiàn)象。工藝補充后的形狀如圖6所示。

圖6 工藝補充面形狀

1.2.3 毛坯的設計

汽車覆蓋件拉延成形中毛坯外形設計是數(shù)值模擬的重要環(huán)節(jié)。毛坯的外部尺寸必然影響到拉延成形的質(zhì)量。毛坯外形的合理設計既可以節(jié)約原材料，又有防止開裂和起皺、保證制件厚度分布均勻的作用［9］。在Dynaform軟件中毛坯的外形尺寸可以通過軟件預估，也可以根據(jù)工件自行設計?？紤]到此側(cè)圍板的復雜性，在本文中選擇自行設計。

表2 DC06材料的性能參數(shù)

注意坯料的邊界一定要盡量光順，以利于拉延成形，并且在給坯料劃分網(wǎng)格時網(wǎng)格的最大尺寸一定要適當小于零件網(wǎng)格劃分的最大尺寸，這樣才能在仿真結(jié)果中凸顯出側(cè)圍的某些細小特征。設計完成后的毛坯形狀如圖7所示。

圖7 設計完成后的毛坯形狀

由于側(cè)圍板形狀尺寸相當復雜，拉延的深度較大，所以坯料必須采用具有相當好的拉延性能的鋼板，并且要有較好的強度和剛度，故選用超深沖冷軋鋼板DC06，板料厚度為0.8 mm，性能參數(shù)如表2所示。

1.3 定義工具和工藝參數(shù)設置

對于工具的定義方法，本文采用的是軟件中的快速設置，包括拉延的類型、工具的定義、毛坯的參數(shù)、壓邊力的大小、沖壓速度等。定義完工具后的有限元模型如圖8所示。相關工藝參數(shù)原始設置如表3所示。

圖8 有限元模型

表3 仿真時工藝和控制參數(shù)數(shù)值

1.4 結(jié)果顯示

將求解的結(jié)果加載到Dynaform后處理器中，以云圖等形式顯示計算結(jié)果以便進一步分析和修正。

2 后處理及結(jié)果分析

通過顯示動力學分析程序(LS-DYNA)求解得到的結(jié)果對數(shù)據(jù)進行分析、校核以及輸出，可更加形象、直觀地說明成形過程中各階段的厚度、應力、應變的變化。通過結(jié)果顯示可以很容易發(fā)現(xiàn)成形過程中可能存在的缺陷，如成形不充分、起皺和破裂等，進而指導成形參數(shù)和模具的修改。

圖9為計算得到的初次成形極限圖，從圖中可以直觀地看到該側(cè)圍板在仿真分析結(jié)束后存在2個大的問題:第一，從成形極限圖整體來看，側(cè)圍板左上部分存在大量起皺和拉延不充分，右下部分好于左上部分，但仍有大量起皺，這主要是因為側(cè)圍板的形狀不對稱和拉延深度較大引起的;第二，側(cè)圍板整體的拉延成形程度不夠充分，表現(xiàn)在整個側(cè)圍板型面存在大量的拉延不充分和嚴重起皺的現(xiàn)象，這主要是仿真過程中拉延阻力較小所致。

圖9 初次成形極限圖

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 拉延筋的原理和形式

拉延筋通常分為拉延筋本體和其相對應的凹槽兩部分，其原理主要是通過板料在經(jīng)過拉延筋的本體前后的正反彎曲變形和摩擦來產(chǎn)生拉延阻力。

拉延筋的形式多種多樣，主要有以下5種基本的形式:三角形拉延筋、半圓形拉延筋、梯形拉延筋、方形拉延筋和非對稱拉延筋，其中半圓形拉延筋是在工程應用中用到最多的一種。但是在Dynaform軟件分析中無法添加真實的拉延筋，而是選用虛擬的拉延筋。拉延筋的具體參數(shù)如表4所示。

表4 拉延筋參數(shù)

3.2 添加整體拉延筋仿真分析

為了得到良好的拉延成形效果，選擇添加整體式拉延筋。整體式拉延筋分布如圖10所示，分析后的成形極限圖如圖11所示。

圖10 整體式拉延筋分布

圖11 整體式拉延筋成形極限圖

從圖11可以看出:添加了整體拉延筋的側(cè)圍板的成形效果改善了很多，整個側(cè)圍板基本成形。但是還有一些不足之處，例如側(cè)圍板的上部存在小部分拉延不充分情況(拉延阻力較小)，側(cè)圍板曲率變化劇烈的地方出現(xiàn)了拉裂部分(拉延阻力較大)。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，僅僅是添加整體式拉延筋只能增加整體側(cè)圍板成形時的拉延阻力，但不能很好地調(diào)節(jié)側(cè)圍板成形過程中局部的拉延阻力。

3.3 添加分段式拉延筋仿真分析

為了解決因側(cè)圍板嚴重不對稱而產(chǎn)生的局部拉延力需求不同的問題，選擇添加分段式拉延筋，并在側(cè)圍板拉延深度較大的上部和下部采用雙層拉延筋，同時在側(cè)圍板曲率變化較大的地方適當選擇不添加任何拉延筋來促進金屬材料的流動。添加后的分段式拉延筋布置方案如圖12所示。分析后的成形極限圖如圖13所示。

圖12 分段式拉延筋布置方案

圖13 分段式拉延筋成形極限圖

從圖13可以看出:改用合理的分段式拉延筋后側(cè)圍板完全成形，不存在拉延不充分和拉裂的部分，很好地解決了整體式拉延筋的不足，可以作為工程實際應用的參考。

4 結(jié)束語

通過Dynaform軟件，成功地對側(cè)圍板進行了拉延成形分析和優(yōu)化，得到了較好的成形效果。同時指出壓邊力、工藝補充面、拉延筋、坯料形狀等對側(cè)圍板的拉延成形都有一定影響。特別是對于類似側(cè)圍板這樣嚴重不對稱的覆蓋件，一般的整體式拉延筋很難達到成形效果，需要采用分段式拉延筋，通過多次的調(diào)整分析才能得出理想的成形效果，從而獲得合理的拉延成形方案。

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