熱軋高強鋼橫梁零件成形數(shù)值模擬及試驗研究

田志俊，張 軍，詹 華

馬鋼股份公司技術中心 安徽馬鞍山，243000)

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熱軋高強鋼橫梁零件成形數(shù)值模擬及試驗研究

田志俊，張 軍，詹 華

馬鋼股份公司技術中心 安徽馬鞍山，243000)

運用殼單元和實體單元對厚度為6.0 mm的熱軋高強鋼橫梁零件成形性進行了有限元仿真分析，并與實際沖壓結果進行對比。結果表明，實體單元在中厚板成形性有限元仿真中具有更高的精度。該方法對今后中厚板零件成形分析有較好的參考和指導意義。

沖壓成形；熱軋高強鋼；有限元仿真；實體單元

隨著人們對汽車安全性、綠色環(huán)保的要求越來越高，隨著國家節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策法規(guī)的逐步建立和實施，汽車節(jié)能已經成為汽車產業(yè)發(fā)展中的一項關鍵性研究課題[1]。減輕車身重量提高汽車燃油經濟性、降低汽車排放的有效措施之一。對于重型商用車而言，混合動力、電動和燃料電池等新能源汽車技術的應用前景不明，輕量化技術已經成為重型商用車節(jié)能減排最現(xiàn)實而又最有效的技術措施[2]。

為提高汽車的承載能力，延長汽車使用壽命和節(jié)能、降低成本及安全行駛等要求，采用熱軋高強鋼生產汽車縱梁、橫梁零件，實現(xiàn)汽車減重，已成為發(fā)展趨勢[3]-[5]。熱軋細晶粒高強鋼具有冷成形性好、強度高、疲勞強度高等特點，適用于要求良好的冷成形性能并有較高強度要求的汽車大梁、橫梁等汽車結構件。

本文以某重型商用車橫梁為研究對象，采用專業(yè)有限元成形分析軟件PAM-STAMP進行沖壓成形分析，并通過實際沖壓驗證分析結果，以檢驗仿真模擬結果的準確性。

1 成形過程有限元數(shù)值模擬

該車架橫梁零件長、寬、高分別約為720 mm、240 mm、170 mm，零件厚度為6.0 mm，圖1所示為其零件圖。該零件側壁陡峭，端部向下彎曲，是一個具有盒形件特點的U形結構件，具有形狀較復雜、材料厚的特點，成形過程一般采用無壓邊成形工藝。

圖1 車架橫梁零件圖

板材成形分析普遍遵循薄殼理論，即認為變形前垂直于中面的直線變形后保持為直線，并且仍垂直于中面，忽略橫向剪切效應。但對于復雜的中厚板零件，成形過程中，在凹模圓角處單元有明顯的彎曲效應，不滿足薄殼理論的基本要求，若仍按薄殼理論進行分析將產生較大的誤差[6-8]。本文分別采用殼單元和實體單元進行分析，研究兩種單元對中厚板零件成形性分析結果的影響。

1.1 橫梁零件有限元模型及材料力學性能

根據零件幾何模型，在PAM-STAMP軟件中進行設置，模具設置為剛體，板料分別采用殼單元和實體單元，模具間隙為料厚的1.1倍，摩擦系數(shù)取0.15。圖2為模具的有限元模型。

材料選用熱軋細晶粒高強鋼QstE500TM。表1為熱軋細晶粒高強鋼QstE500TM的力學性能。

圖2 模具的有限元模型

表1 熱軋細晶粒鋼QstE500TM力學性能

圖3為熱軋細晶粒高強鋼QstE500TM的真實應力應變曲線。

圖3 QstE500TM真實應力應變曲線

1.2 橫梁零件有限元成形分析結果

分別對應用殼單元和實體單元的有限元模型進行計算分析，板料成形后的厚度云圖及主應變云圖如圖4和圖5所示。由圖4可知，實體單元成形性明顯好于殼單元的成形性，采用殼單元橫梁零件的最大厚度和最小厚度分別為6.66 mm和5.07 mm，零件的最大增厚率和減薄率分別為10.92%和15.5%；采用實體單元橫梁零件的最大厚度和最小厚度分別為6.49 mm和5.29 mm，零件最大增厚率和減薄率分別為8.2%和11.8%。由圖5所示的零件主應力云圖可知，采用殼單元橫梁零件的最大主應變?yōu)?4.7%，且不能很好地顯示出圓角內外部的彎曲變形情況；采用實體單元橫梁零件的最大主應變?yōu)?1.2%，比采用殼單元的變形較大，圓角內外表面的變形情況不同，很好的顯示了圓角部位的彎曲變形情況。

圖4 成形零件厚度云圖

圖5 成形零件主應變云圖

殼單元橫梁零件表面接觸壓力隨時間變化云圖及等值線圖如圖6所示。從殼單元橫梁零件表面接觸壓力隨時間變化云圖可以看出，成形過程中，橫梁零件側壁表面接觸壓力較大，但表面接觸壓力偏高，尤其是零件邊部的表面接觸壓力遠遠超過材料的屈服強度514.4 MPa，與實際情況不符；從殼單元橫梁零件表面接觸壓力隨時間變化的等值線圖可以看出，成形過程中零件側壁兩端局部區(qū)域接觸壓力較大，這些區(qū)域可能會出現(xiàn)較嚴重的劃傷。

圖6 殼單元橫梁零件表面接觸壓力隨時間變化云圖及等值線圖

實體單元橫梁零件表面接觸壓力隨時間變化云圖及等值線圖如圖7所示。從采用實體單元橫梁零件表面接觸壓力隨時間變化云圖可以看出，成形過程中，橫梁零件側壁接觸壓力較大，最大表面接觸壓力為357 MPa，低于材料的屈服強度514.4 MPa，零件表面不會出現(xiàn)嚴重的劃傷；從實體單元橫梁零件表面接觸壓力隨時間變化的等值線圖可以看出，成形過程中零件側壁兩端局部區(qū)域接觸壓力較大，這些區(qū)域可能會出現(xiàn)摩擦痕跡。

由上述分析結果可以已看出，橫梁零件圓角部位減薄較大，成形過程中零件側壁表面接觸壓力較大，局部可能會出現(xiàn)摩擦痕跡。采用實體單元橫梁零件的成形性優(yōu)于采用殼單元橫梁零件，并能很好的顯示圓角部位的彎曲變形情況，對成形過程中的表面接觸壓力模擬也較為精確。

圖7 實體單元橫梁零件表面接觸壓力隨時間變化云圖及等值線圖

2 零件實際沖壓驗證

采用相同的成形方式，對仿真分析結果進行實際沖壓驗證，沖壓成形橫梁零件如圖8所示。從橫梁零件外觀質量進行觀察可知，零件邊部變形較小，零件側壁兩端局部區(qū)域出現(xiàn)摩擦痕跡，沒有出現(xiàn)嚴重的表面劃傷，與實體單元橫梁零件仿真分析結果較為吻合。

圖8 試驗沖壓驗證的橫梁零件

沿零件長度方向從左至右平均取14個點，測量零件邊部的厚度，并與仿真結果進行對比，如圖9所示。從圖中可以看出，采用實體單元的分析結果更加接近實驗的結果，零件邊部厚度和試沖實驗零件邊部測量結果更為吻合。

3 結論

(1)在中厚板橫梁零件有限元成形分析中，采用實體單元比采用殼單元具有更高的計算精度，零件的厚度變化較小，另外，采用實體單元還可以很好的模擬圓角部位的彎曲變形情況，為零件的設計制造提供更為精確地參考意見。

圖9 仿真與試沖試驗零件邊部厚度測量結果

(2)采用實體單元可以更好地模擬成形過程中零件表面的接觸壓力變化情況，可以為預測零件表面質量和模具壽命提供依據。

(3)通過有限元分析結果和實驗結果進行對比，采用實體單元的分析結果更加接近實驗結果，可以為實際中厚板零件的成形提供理論建議。

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Forming Simulation and Experiment Analysis about Cross Member Part of Hot-Rolled High Strength Steel

Tian ZhiJun，Zhang Jun，Zhan Hua

In this study, the shell element and solid element are used in the Finite Element Modeling (FEM) simulation of the Cross Member with hot-rolled high strength steel sheet of 6.0mm in thickness. By contrast with the actual stamping experimental results, it shows that FEM simulation results with the solid element have higher precision in Medium Plate Forming Process. So this will offer guidance an reference for the future research of Medium Plate Forming Process.

stamp forming, hot-rolled high strength steel, FEM, solid element, Cross Member

2016-10-02

田志俊(1986-)，男，馬鋼股份公司技術中心，工程技術人員。

TG335.11：TG113.25+1

A

1672-9994(2016)04-0001-04