沖壓成型歷史對(duì)吸能盒變形模式影響的研究

卜曉兵，金旭龍，張桂賢，馮亞玲，張連洪

（1.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司，天津 300462）

沖壓成型歷史對(duì)吸能盒變形模式影響的研究

卜曉兵1,2，金旭龍2，張桂賢2，馮亞玲2，張連洪1

（1.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司，天津 300462）

以企業(yè)某車(chē)型的吸能盒為研究對(duì)象，將沖壓成型引起的鈑金部件厚度減薄、殘余應(yīng)力和等效塑形應(yīng)變信息映射到臺(tái)車(chē)碰撞仿真模型中，引入沖壓成型歷史的臺(tái)車(chē)仿真結(jié)果在變形模式和加速度峰值上比未考慮沖壓成型歷史的臺(tái)車(chē)仿真結(jié)果更接近于試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值；引入沖壓成型歷史可以提高仿真的模擬精度，研究碰撞過(guò)程中的變形壓潰模式，可更好的指導(dǎo)汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)，防止過(guò)設(shè)計(jì)現(xiàn)象的產(chǎn)生，為企業(yè)節(jié)省研發(fā)時(shí)間和成本。

沖壓成型歷史；臺(tái)車(chē)；映射；變形模式

0 引言

臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)是較為接近整車(chē)碰撞的一種碰撞試驗(yàn)方式，試驗(yàn)時(shí)需要保持臺(tái)車(chē)重量與整車(chē)一致，可以用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的臺(tái)車(chē)來(lái)代替整車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)[1]。與整車(chē)試驗(yàn)相比，臺(tái)車(chē)試驗(yàn)具有不破壞整車(chē)、操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、試驗(yàn)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。

沖壓成型引起的厚度減薄、殘余應(yīng)力、塑形應(yīng)變等可以改變材料的屬性，汽車(chē)車(chē)身中某些采用沖壓成型的覆蓋件和結(jié)構(gòu)件是汽車(chē)碰撞的關(guān)鍵吸能部件，對(duì)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)耐撞性有著重要的作用，尤其是當(dāng)碰撞仿真材料參數(shù)不考慮沖壓成型歷史的理想狀態(tài)下，得到的仿真結(jié)果必然會(huì)與實(shí)際情況存在很大的差異。

最先，美國(guó)通用汽車(chē)公司的Chi-Mou Ni等[1]提出了將沖壓成型歷史信息和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析并行的工程方法；近幾年，F(xiàn)ord公司的Adilson Aparecido等[2]研究了碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠的成型工藝對(duì)它計(jì)算精度的影響；一汽技術(shù)中心的劉斌等[3]工程師采用一步成型法，將某款轎車(chē)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；上海交通大學(xué)的曾鵬等[4]研究了沖壓成型導(dǎo)致的帽型沖壓件厚度變化、殘余應(yīng)力和塑形應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)沖壓成型歷史信息對(duì)碰撞過(guò)程中的壓縮變形量有很大的影響；同濟(jì)大學(xué)的余海燕等[5,6]以轎車(chē)的前縱梁總成為研究對(duì)象，將沖壓成型信息導(dǎo)入到前縱梁中，分析了這些因素在碰撞過(guò)程能量吸收和碰撞力的問(wèn)題。湖南大學(xué)的張濤[5,6]基于沖壓效應(yīng)的網(wǎng)格變量映射方法對(duì)車(chē)身薄壁件提出了新的網(wǎng)格變量映射方法，并引入車(chē)身薄壁件進(jìn)行碰撞仿真研究。

本文通過(guò)對(duì)吸能盒以及縱梁進(jìn)行沖壓成型模擬，并將沖壓成型歷史信息引入臺(tái)車(chē)仿真模型中，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，研究吸能盒的變形模式和壓潰效果，提高臺(tái)車(chē)和整車(chē)的仿真結(jié)果精度。

1 模型建立

吸能盒和縱梁是汽車(chē)碰撞過(guò)程中關(guān)鍵的吸能部件，吸能盒和縱梁吸能的強(qiáng)弱直接影響到乘員艙的生存空間，是汽車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。臺(tái)車(chē)碰撞系統(tǒng)由保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒、縱梁前段、剛性臺(tái)車(chē)和剛性墻五部分組成。縱梁從懸置點(diǎn)位置斷開(kāi)，焊接到碰撞臺(tái)車(chē)上；原因在于碰撞過(guò)程中，懸置點(diǎn)剛性很高，此位置斷開(kāi)，可以更好的模擬整車(chē)低速碰撞中的碰撞狀態(tài)。

圖1是碰撞試驗(yàn)臺(tái)車(chē)，配重按照整車(chē)整備質(zhì)量進(jìn)行配重，碰撞速度設(shè)為24km/h。如圖2所示的吸能盒進(jìn)行了噴黑處理，并針對(duì)吸能槽位置進(jìn)行了白色劃線(xiàn)，目的是為了在碰撞過(guò)程中更好的觀察吸能盒在吸能槽處的壓潰變形模式，縱梁通過(guò)螺接連接到試驗(yàn)臺(tái)車(chē)上。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)車(chē)

圖2 試驗(yàn)部件

在仿真建模中，沖壓的網(wǎng)格和碰撞的網(wǎng)格是兩套網(wǎng)格，沖壓網(wǎng)格要小于碰撞的網(wǎng)格，原因在于沖壓成型仿真須留意凸臺(tái)、圓角等細(xì)節(jié)特征，劃分的網(wǎng)格尺寸非常小，一般在1mm，而細(xì)節(jié)部分的網(wǎng)格尺寸小于1mm，以保證成型質(zhì)量。進(jìn)行沖壓成形的部件是吸能盒、縱梁等，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(guò)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。為了兼顧計(jì)算效率和計(jì)算精度，設(shè)計(jì)了如圖3所示的技術(shù)路線(xiàn)。

圖3 臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)仿真技術(shù)路線(xiàn)

圖4 臺(tái)車(chē)碰撞仿真模型

圖4是簡(jiǎn)化的臺(tái)車(chē)仿真模型，重量和試驗(yàn)臺(tái)車(chē)保持一致，碰撞件的離地高度也和試驗(yàn)臺(tái)車(chē)保持一致，并將沖壓成型歷史信息導(dǎo)入到臺(tái)車(chē)碰撞仿真臺(tái)車(chē)中。

2 沖壓成型仿真結(jié)果

沖壓成型仿真分析采用基于Radioss求解器的HyperForm軟件，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.12，一步成型法進(jìn)行沖壓仿真模擬可以提高計(jì)算效率。對(duì)臺(tái)車(chē)模型的吸能盒、縱梁內(nèi)板、縱梁外板以及加強(qiáng)板進(jìn)行了沖壓成型分析。

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。沖壓成型分析后，需要從仿真結(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)力和塑形應(yīng)變信息，將沖壓成型歷史網(wǎng)格信息映射到碰撞網(wǎng)格時(shí)，需要將*NOOD、*ELEMENT-SHELL-THICKNESS、INITIALSTRESS-SHELL和*INITIAL-STRAIN -SHELL包含的信息添加到碰撞模擬的輸入文件中，并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。

圖5 沖壓成型后厚度云圖

如圖5(a)所示的吸能盒最大減薄在波紋槽圓角處，最大的增厚處在翻邊彎曲處。吸能盒和縱梁的部件在實(shí)車(chē)中滿(mǎn)足了裝配和質(zhì)量的要求，部件的減薄率都在合理范圍之內(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。

表1 各部件材料及厚度信息

圖6 沖壓成型后殘余應(yīng)力云圖

圖7 沖壓成型后等效彈塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖6和圖7是通過(guò)Radioss仿真的部件沖壓成型后殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變分布云圖，其中圖6中最大的殘余應(yīng)力值接近1000Mpa，最小0.0179Mpa，圖7出現(xiàn)的最大等效彈塑性應(yīng)變超過(guò)1.76，最小2.18×10-6，這說(shuō)明在部件進(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，并且呈現(xiàn)分布不均性，需要在整車(chē)或者分總成的碰撞中考慮殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變，提高碰撞仿真模擬的準(zhǔn)確性。

另外，在部件進(jìn)行沖壓成型過(guò)程中，除了材料中產(chǎn)生殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變外，還會(huì)引起部件厚度的變化。圖8是映射前后的厚度、殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變的分布，可以看出映射后的厚度、殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變分布的規(guī)律與映射后基本相同，只是在數(shù)值的區(qū)間上會(huì)有細(xì)微的差別，引起差別的主要原因有兩個(gè)，一個(gè)是因?yàn)檫M(jìn)行數(shù)據(jù)映射時(shí)，需要建立映射與被映射模型的局部坐標(biāo)系，尤其是在映射時(shí)需要選擇3個(gè)特征點(diǎn)來(lái)確定映射的網(wǎng)格信息，而實(shí)際劃分的網(wǎng)格中，由于沖壓成型仿真的網(wǎng)格要比碰撞仿真的網(wǎng)絡(luò)小的多，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)也相對(duì)密的多，即使映射三個(gè)特征節(jié)點(diǎn)的位置是一樣的，而其他位置的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)也會(huì)存在偏差，會(huì)導(dǎo)致坐標(biāo)系的不同，使得本來(lái)應(yīng)該在此節(jié)點(diǎn)映射的網(wǎng)格信息產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致網(wǎng)格中厚度、等效彈塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)力信息在映射后產(chǎn)生誤差；另外一個(gè)方面，映射時(shí)除了局部坐標(biāo)系引起的誤差，還有插值近似法引起的誤差，映射獲得節(jié)點(diǎn)數(shù)值時(shí)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不一致會(huì)采用插值法獲得節(jié)點(diǎn)的信息，也會(huì)引起誤差的產(chǎn)生。

圖8 映射前后厚度、殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變分布云圖

3 碰撞仿真與試驗(yàn)結(jié)果

臺(tái)車(chē)碰撞的仿真過(guò)程中，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠橫梁是輥壓，沒(méi)有進(jìn)行沖壓歷史信息的分析，剩下的主要碰撞關(guān)鍵件進(jìn)行了沖壓成形歷史信息分析。圖9是關(guān)鍵件沖壓殘余應(yīng)力云圖，可以看到?jīng)_壓后殘余應(yīng)力的分布，說(shuō)明在碰撞發(fā)生前，碰撞的沖壓件中已經(jīng)存在一定的預(yù)應(yīng)力，尤其是吸能盒上的預(yù)應(yīng)力分布會(huì)影響其在碰撞發(fā)生時(shí)的壓潰模式。

圖9 導(dǎo)入沖壓成型歷史信息的仿真模型

共進(jìn)行了四次的臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證吸能盒的變形模式，試驗(yàn)最終吸能盒的變形模式如圖8所示，可以明顯的看出吸能盒向車(chē)身內(nèi)側(cè)彎折變形，吸能槽并沒(méi)有很好的起到引導(dǎo)壓潰的作用。

圖10 吸能盒變形模式

考慮沖壓成型歷史的預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)變的存在增加了材料抗變形的能力，沖壓成型產(chǎn)生的拉應(yīng)力增強(qiáng)了材料承受碰撞壓應(yīng)力的能力，增加部件軸向剛度和吸能能力，所以發(fā)生相同變形時(shí)，需要的碰撞力就會(huì)顯著的增大。仿真中如果沒(méi)有進(jìn)行沖壓信息的映射，因?yàn)闆](méi)有預(yù)應(yīng)力和殘余彈塑性應(yīng)變以及厚度分布信息，吸能盒的壓潰模式呈現(xiàn)順序壓潰的形式，如圖11所示。如果吸能盒和縱梁以及縱梁的加強(qiáng)板增加沖壓歷史信息后，呈現(xiàn)出試驗(yàn)中向內(nèi)的彎折變形模式，如圖12所示。從圖11和圖12的吸能盒變形模式可以看出，在壓潰剛開(kāi)始的階段，沖壓殘余應(yīng)力對(duì)吸能盒的壓潰影響不明顯，當(dāng)吸能槽參與壓潰引導(dǎo)變形時(shí)，從第二張圖以后，可以明顯的看出吸能盒的變形發(fā)生很大的不同，沒(méi)有沖壓歷史信息的吸能盒的吸能槽起到了很好的壓潰引導(dǎo)，吸能盒按照吸能槽進(jìn)行順序壓潰，直到壓潰到最后一個(gè)吸能槽；進(jìn)行沖壓成形歷史信息的碰撞模型可以看到，從第二個(gè)吸能槽開(kāi)始，吸能盒已經(jīng)開(kāi)始向車(chē)內(nèi)側(cè)彎折，一旦發(fā)生彎折變形，后續(xù)的第三個(gè)和第四個(gè)吸能槽完全沒(méi)有引導(dǎo)壓潰，導(dǎo)致吸能盒直接向內(nèi)側(cè)彎折變形加大，最終引發(fā)縱梁在吸能盒發(fā)生彎折變形后，直接將吸能盒壓潰，吸能盒吸能減少。

圖11 吸能盒仿真

圖12 加入沖壓成型歷史的吸能盒仿真

圖13 碰撞試驗(yàn)圖像

圖13是臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)圖像，圖13(a)中由于第一個(gè)吸能槽已經(jīng)壓潰，拍攝角度的原因，看到的第一條做標(biāo)記的白線(xiàn)是第二個(gè)吸能槽，此時(shí)的吸能盒已經(jīng)開(kāi)始向內(nèi)彎折，圖13(b)中向內(nèi)彎折加劇，第三個(gè)吸能槽沒(méi)有參與引導(dǎo)壓潰，圖13(c)中吸能盒已經(jīng)完全彎折壓潰。試驗(yàn)的結(jié)果和映射沖壓成形歷史信息的碰撞仿真結(jié)果基本一致，都是從第二個(gè)吸能槽開(kāi)始向內(nèi)彎折，最終出現(xiàn)吸能盒完全彎折變形。主要是兩個(gè)方面的原因引起：一個(gè)方面是沖壓成型存在的殘余拉應(yīng)力抵消了一部分碰撞產(chǎn)生的壓應(yīng)力，起到了強(qiáng)化的作用，不易發(fā)生變形；另一方面參照應(yīng)力波的傳遞規(guī)律，預(yù)應(yīng)力的存在干擾了碰撞力的傳遞，預(yù)應(yīng)力會(huì)與碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力在波的傳播方向上發(fā)生疊加和消減的現(xiàn)象，消減的位置變形小，疊加的位置變形就會(huì)增大。

4 結(jié)論

1）采用基于Radioss理論的一步成型法可以很好模擬沖壓成型中厚度分布、殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變信息；

2）考慮沖壓成型歷史可以增強(qiáng)仿真模擬中部件的軸向剛度，增強(qiáng)抗變形能力和吸能特性，使仿真結(jié)果的侵入速度和侵入量更接近于實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果；

3）加入沖壓成型歷史后可以提高整車(chē)側(cè)碰仿真的精度，研發(fā)初期可更好的指導(dǎo)汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)，防止過(guò)設(shè)計(jì)現(xiàn)象的產(chǎn)生，為企業(yè)節(jié)省研發(fā)時(shí)間和成本。

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Research on the vehicle side impact with consideration of sheet forming history

BU Xiao-bing1,2, JIN Xu-long2, ZHANG Gui-xian2, FENG Ya-ling2, ZHANG Lian-hong1

TG386

A

1009-0134(2016)12-0050-05

2016-09-07

中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司2015年標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對(duì)策項(xiàng)目（YF-15-BZFG-001）

卜曉兵（1982 -），男，山東人，高級(jí)工程師，博士，主要從事整車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性的研究。