沖壓成型歷史對(duì)整車正面碰撞的影響*

卜曉兵 金敘龍 張連洪 張桂賢 馮亞玲 高鵬飛 蔡曉林

（1.天津大學(xué)；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

汽車被動(dòng)安全性能主要取決于車身的結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)和空間合理布局，如何提高整車碰撞仿真的精度是汽車被動(dòng)安全研究的一大難點(diǎn)。車身結(jié)構(gòu)以及覆蓋件大部分由沖壓成型完成，隨著高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼在汽車車身上的廣泛應(yīng)用，必然會(huì)在沖壓成型過程中產(chǎn)生鈑金件厚度變化、塑性應(yīng)變及殘余應(yīng)力等，這些都會(huì)影響整車碰撞仿真精度。文獻(xiàn)[1]將某款轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩的沖壓成型歷史信息導(dǎo)入結(jié)構(gòu)仿真模型，研究了厚度變化對(duì)仿真模擬結(jié)果的影響；文獻(xiàn)[2-3]將沖壓成型信息導(dǎo)入前縱梁，分析了前縱梁在碰撞過程中能量吸收和碰撞力的問題。文章通過對(duì)影響整車正面碰撞的吸能盒進(jìn)行沖壓成型模擬，將沖壓成型歷史信息引入仿真模型，提高整車碰撞仿真精度。

1 一步成型法基本理論

沖壓成型過程和碰撞過程都是大轉(zhuǎn)動(dòng)、大位移及大應(yīng)變產(chǎn)生的過程，材料發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致沖壓成型過程的幾何關(guān)系和平衡方程呈現(xiàn)非線性，應(yīng)力和應(yīng)變也為非線性關(guān)系。

一步法也稱逆成型法，是根據(jù)全量理論提出的，可以快速獲取鈑金件的成型信息。一步法假設(shè)板料在沖壓過程中是按比例加載的，由塑性全量理論構(gòu)建板料初始狀態(tài)和最終構(gòu)形之間的關(guān)系，一步法不考慮成型過程的中間狀態(tài)，因此不需要采用增量法求解，可以快速的計(jì)算拉伸成型件的厚度分布、殘余應(yīng)力及彈塑性應(yīng)變，并能快速地預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的拉伸缺陷。

一步法有限元基本思想為：將成型件進(jìn)行離散化，從最終構(gòu)形C出發(fā)，將其作為板料的中面，通過確定初始板料C0中節(jié)點(diǎn)的初始位置P0和最終構(gòu)形中的最終位置P，利用有限元計(jì)算出構(gòu)形最終的厚度分布、殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)變。圖1示出一步法成型的有限元示意圖。

圖1 一步法成型有限元示意圖

在一步法成型有限元計(jì)算中，一般有三方面假設(shè)：1）基于彈塑性形變理論，假設(shè)變形過程為等比例加載；2）可以發(fā)生彈塑性大變形，假設(shè)材料塑性變形體積不可壓縮；3）假設(shè)模具的表現(xiàn)為非均勻的沖頭法向壓力，以及沖頭、拉伸筋及壓邊圈下的摩擦力。

2 吸能盒沖壓成型仿真結(jié)果

吸能盒是汽車正面碰撞發(fā)生時(shí)，快速分散碰撞載荷的重要部件，截面形狀通常設(shè)計(jì)為盒狀，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，吸能盒通過吸收碰撞力和碰撞載荷發(fā)生自身吸能變形，以減少縱梁以及其他車身鈑金件的變形。文章進(jìn)行沖壓成型仿真的吸能盒為左右對(duì)稱的2個(gè)C形件焊接而成，由于吸能盒左右對(duì)稱，只需對(duì)一側(cè)吸能盒進(jìn)行沖壓成型仿真即可，故以吸能盒左側(cè)為例進(jìn)行仿真。

沖壓成型仿真分析采用基于Radioss求解器的HyperForm軟件，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.12。仿真建模中，沖壓網(wǎng)格和碰撞網(wǎng)格為2套網(wǎng)格，沖壓網(wǎng)格要小于碰撞網(wǎng)格，原因在于沖壓成型仿真須留意凸臺(tái)和圓角等細(xì)節(jié)特征，劃分的網(wǎng)格尺寸非常小，一般在1 mm，以保證成型質(zhì)量。因沖壓成型的部件為正面碰撞梁系的關(guān)鍵部件，故沖壓網(wǎng)格不能直接用于碰撞網(wǎng)格進(jìn)行碰撞計(jì)算，如果采用沖壓仿真網(wǎng)格尺寸進(jìn)行碰撞仿真，計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，降低計(jì)算效率。因此需要根據(jù)碰撞仿真的要求重新劃分網(wǎng)格。

沖壓成型分析后，需要從結(jié)果輸出dynain文件，該文件包含板料成型后節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、厚度變化、應(yīng)力及塑性應(yīng)變信息。在碰撞模型中檢查碰撞網(wǎng)格的厚度信息是否存在未識(shí)別的情況。假定沖壓件在焊裝和夾具的夾持下，保持沖壓仿真模擬的最終形狀，不考慮回彈造成的影響。沖壓成型后吸能盒左側(cè)仿真厚度云圖，如圖2所示。

圖2 沖壓成型后吸能盒左側(cè)仿真厚度云圖

從圖2可以看出，吸能盒左側(cè)最大減薄處在波紋槽圓角處，最大的增厚處在翻邊彎曲處。吸能盒和縱梁的內(nèi)外板在實(shí)車中滿足了裝配和質(zhì)量的要求，部件的減薄率都在合理范圍內(nèi)，吸能盒與縱梁的內(nèi)外板相比，曲面復(fù)雜程度相對(duì)較高，拉伸深度大，成型性會(huì)相對(duì)難一些。

圖3和圖4分別示出吸能盒通過Radioss仿真的沖壓成型后殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變分布云圖。從圖3和圖4可以看出，吸能盒進(jìn)行沖壓成型后材料的殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變數(shù)值很大，并且分布不均，因此需要在整車碰撞中考慮殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變，以便提高碰撞仿真模擬的準(zhǔn)確性。

圖3 沖壓成型后吸能盒左側(cè)仿真殘余應(yīng)力云圖

圖4 沖壓成型后吸能盒左側(cè)仿真等效彈塑性應(yīng)變?cè)茍D

通過dynain文件獲得沖壓成型的仿真信息后，需要將這些沖壓成型的仿真信息映射到正面碰撞模型的網(wǎng)格中。由于殘余應(yīng)力與彈塑性應(yīng)變的云圖變化是一致的，檢查映射正面碰撞網(wǎng)格前后信息時(shí)，只需檢查映射之后碰撞模型網(wǎng)格厚度和彈塑性應(yīng)變分布云圖即可。圖5所示的是吸能盒左側(cè)沖壓成型歷史信息映射到正面碰撞模型網(wǎng)格的厚度和塑性應(yīng)變信息的分布云圖。從圖5可以看出，映射到正面碰撞網(wǎng)格的厚度和塑性應(yīng)變分布的規(guī)律與映射前的基本相同，只是在數(shù)值的區(qū)間上會(huì)有細(xì)微的差別。

圖5 吸能盒左側(cè)沖壓成型歷史映射到正面碰撞網(wǎng)格前后信息云圖

3 整車碰撞仿真

圖6示出整車正面碰撞后的吸能盒變化圖。從圖6可以看出，沒有進(jìn)行沖壓成型歷史信息映射的吸能盒在壓潰模式上完全不同于進(jìn)行沖壓的吸能盒壓潰模式。未進(jìn)行沖壓成型歷史信息映射的吸能盒在整車碰撞過程中，呈現(xiàn)吸能盒前段先壓潰，然后吸能盒尾端再?gòu)澱?，最后壓潰完成；而進(jìn)行沖壓成型歷史信息映射的吸能盒首先在中部進(jìn)行彎折壓潰，直至吸能盒完全壓潰完成。2種吸能盒的變形模式區(qū)別主要在吸能盒最初壓潰彎折時(shí)的位置不同，從而影響了吸能盒后續(xù)的吸能變形模式，其中進(jìn)行沖壓成型歷史信息映射的吸能盒變形模式較好的還原了真實(shí)的吸能盒壓潰模式，更接近于整車中實(shí)際正面碰撞發(fā)生時(shí)吸能盒的變形模式。

圖6 整車仿真正面碰撞吸能盒變形模式

圖7示出整車正碰的加速度曲線。從圖7可以看出，在加速度出現(xiàn)第1個(gè)峰值處，進(jìn)行沖壓成型歷史信息映射的碰撞模型加速度曲線更接近試驗(yàn)實(shí)測(cè)的加速度曲線，都超過了30 g；在藍(lán)色曲線標(biāo)出的區(qū)域內(nèi)，剛好是圖6所示的吸能盒彎折壓潰的變形時(shí)間，可以看到在20 ms的時(shí)刻，進(jìn)行沖壓成型歷史信息映射的碰撞模型加速度曲線和試驗(yàn)實(shí)測(cè)的加速度曲線都出現(xiàn)了波谷，而未進(jìn)行沖壓成型歷史信息映射的碰撞模型仿真結(jié)果并未出現(xiàn)；在24 ms左右進(jìn)行沖壓成型歷史信息映射的碰撞模型加速度曲線和試驗(yàn)實(shí)測(cè)的加速度曲線又都出現(xiàn)了小的波峰，而未進(jìn)行沖壓成型歷史信息映射的碰撞模型仿真結(jié)果呈現(xiàn)出波谷趨勢(shì)；由此可以明顯的看出，加入沖壓成型歷史信息后的正面碰撞吸能盒與試驗(yàn)的吸能盒變形模式和變形時(shí)間呈現(xiàn)較為同步的一致性，在第1個(gè)波谷處，出現(xiàn)相同的彎折時(shí)刻和彎折趨勢(shì)，之后緊跟出現(xiàn)相同的波峰時(shí)間，且彎折的時(shí)刻和趨勢(shì)也相同，直至此波峰后吸能盒完全壓潰，吸能盒加入沖壓成型歷史信息后明顯的提高了整車正面碰撞仿真的精度。

圖7 整車仿真正面碰撞加速度曲線

4 結(jié)論

采用基于Radioss理論的一步成型法可以很好地模擬沖壓成型歷史的鈑金件厚度分布、殘余應(yīng)力及等效彈塑性應(yīng)變信息，使仿真中的鈑金件狀態(tài)更接近于實(shí)際鈑金件沖壓后的狀態(tài)，為整車仿真模擬提供必要的前期準(zhǔn)備條件。從圖6和圖7可以看出，沖壓成型歷史信息映射對(duì)整車的碰撞仿真建模是必要的，可以顯著的提高整車碰撞仿真的模擬精度，防止整車結(jié)構(gòu)過設(shè)計(jì)現(xiàn)象的發(fā)生。