沖壓工藝對汽車覆蓋件抗凹性能影響研究

劉俊紅，張雷，胡高寧

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

沖壓工藝對汽車覆蓋件抗凹性能影響研究

劉俊紅，張雷，胡高寧

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

抗凹性是評價(jià)和反映汽車覆蓋件表面質(zhì)量和使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。文章以某車型前門、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、后背門覆蓋件的三種材料為研究對象，基于數(shù)值模擬法，從抗凹剛度、抗凹穩(wěn)定性以及局部凹痕抗力三方面分析研究沖壓工藝對汽車覆蓋件抗凹性能的影響，進(jìn)而為抗凹目標(biāo)值的設(shè)定提供參考。

抗凹性；覆蓋件；沖壓工藝；數(shù)值模擬

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)11-19-04

1 引言

近年來，車身外形的設(shè)計(jì)及制造能力是衡量汽車外形發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志。車身外形是由大尺寸的覆蓋件組成，常常會(huì)受到按壓、倚靠及石子沖擊等載荷作用，使覆蓋件發(fā)生凹陷撓曲甚至是永久性的凹痕。車身覆蓋件承受外部載荷作用時(shí)抵抗凹陷彎曲及局部凹痕變形，保持形狀的能力稱為抗凹性[1]?？拱夹允窃u價(jià)和反映汽車覆蓋件表面質(zhì)量和使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

汽車覆蓋件主要是通過沖壓工藝使其成型，沖壓會(huì)對覆蓋件材料產(chǎn)生沖壓硬化和延伸變薄等影響，導(dǎo)致覆蓋件材料發(fā)生變化，影響其抗凹性能，本文主要研究沖壓工藝對覆蓋件抗凹性能的影響。

2 抗凹性評價(jià)指標(biāo)

覆蓋件抗凹性能評價(jià)主要包括抗凹剛度、抗凹穩(wěn)定性及局部凹痕抗力三個(gè)方面。

抗凹剛度是指覆蓋件抵抗凹陷撓曲的彈性變形的能力，利用載荷-位移曲線表示，如圖 1（a）所示，覆蓋件的抗凹剛度隨著力的增加發(fā)生變化?？拱挤€(wěn)定性是試件在外載荷達(dá)到一定程度時(shí)，抵抗彈性變形的能力突然喪失，發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象，如圖 1（b）所示，當(dāng)加載的力到一定程度時(shí)，位移發(fā)生變大的現(xiàn)象。局部凹痕抗力是指試件在外載荷作用下發(fā)生凹陷，載荷除去后，試件表面會(huì)有局部永久凹陷保留，是覆蓋件抵抗局部凹陷的塑性變形能力。其中，抗凹剛度和抗凹穩(wěn)定性是體現(xiàn)覆蓋件的彈性性能，局部凹痕抗力是體現(xiàn)覆蓋件的塑性性能[2-4]。

圖1 力—位移曲線

3 沖壓工藝對材料性能的影響

通過沖壓工藝使覆蓋件成型，但是在沖壓過程中會(huì)使覆蓋件的材料性能發(fā)生變化，影響材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及材料本身厚度。本文以某車型前門為例，對其前門、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和后背門外板原始材料及沖壓后的材料進(jìn)行力學(xué)性能研究及厚度測量，截取樣件平整區(qū)的板材，如圖2所示，其中，前門外板采用的材料為 DC04，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋外板采用的材料為DC03，后背門外板采用的材料為DC06。

圖2 材料取樣

將截取的板材加工為靜態(tài)拉伸試樣，每個(gè)外板取三個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，利用砂紙將試樣表面的底漆除去，如圖3所示，測量試樣厚度并記錄，如表1所示。通過電液伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)-MTS Landmark進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，如圖4所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋靜態(tài)拉伸試樣

表1 材料厚度變化

圖4 電液伺服疲勞試驗(yàn)臺(tái)

通過靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，得到材料沖壓前后的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，如圖5和圖6所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，三種材料沖壓后屈服強(qiáng)度均增加了一倍左右；抗拉強(qiáng)度基本上沒有變化。

圖5 沖壓前后屈服強(qiáng)度對比

圖6 沖壓前后抗拉強(qiáng)度對比

原始鋼板在沖壓過程中，材料發(fā)生塑性流動(dòng)，產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，有的區(qū)域會(huì)變薄。因此，沖壓后的鋼板，其屈服強(qiáng)度有所提高，但塑性變形和伸長率有所降低。

4 建立有限元模型

利用Hypermesh軟件建立前門、發(fā)蓋和后背門的有限元模型，此外，還需建立壓頭有限元模型。

（1）前門有限元模型

根據(jù)前門的數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要包括外板、內(nèi)板、加強(qiáng)板及防撞梁等幾部分，因車門主要是由鈑金件構(gòu)成，所以采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后對其賦予屬性及材料，并按樣車實(shí)際情況對各零件進(jìn)行焊接、膠粘、包邊和螺栓連接。根據(jù)前門閉合工況對其進(jìn)行邊界約束，其中，約束上下鉸鏈123456 DOF，約束鎖扣123456 DOF，如圖7所示。

圖7 前門邊界條件

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋有限元模型

根據(jù)前門的建模方式建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋有限元模型，邊界條件為約束鉸鏈123456 DOF，約束鎖扣123456 DOF，緩沖塊約束3 DOF，如圖8所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋邊界條件

（3）后背門有限元模型

同樣，根據(jù)前門的建模方式建立后背門有限元模型，邊界條件為約束鉸鏈123456 DOF，約束鎖扣123456DOF，緩沖塊約束1 DOF，如圖9所示。

圖9 后背門邊界條件

（4）壓頭有限元模型

根據(jù)試驗(yàn)壓頭（直徑為 80mm）建立其有限元模型，單元類型為六面體網(wǎng)格，為方便與覆蓋件建立接觸面，在體單元表面建立殼單元，如圖10中紅色單元。

圖10 壓頭有限元模型

5 抗凹性能的數(shù)值分析

模型建立完成后，利用Hypermesh軟件中的Abaqus版塊進(jìn)行處理，首先建立覆蓋件與壓頭之間的接觸面，如圖11所示，然后進(jìn)行工況設(shè)置：Step1：加載150N的壓力；Step2：加載400N的壓力；Step3：卸載。

圖11 前門與壓頭接觸面

利用 Abaqus求解器分別對沖壓前后兩種材料特性曲線下的前門、發(fā)蓋和后背門進(jìn)行抗凹計(jì)算求解，結(jié)果如表2所示。以前門為例得到的力—位移曲線，如圖12所示。

圖12 前門力—位移曲線

表2 兩種材料特性曲線下抗凹計(jì)算結(jié)果

通過對比三種材料沖壓前后的抗凹計(jì)算結(jié)果，可以看出經(jīng)過沖壓工藝后，覆蓋件的抗凹剛度、加載位移基本上無變化，但殘余位移明顯減小。

6 結(jié)論

通過對沖壓前后覆蓋件的材料進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，得到其屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，基于數(shù)值模擬法，對某車型前門、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和后背門覆蓋件進(jìn)行計(jì)算分析，得到加載力-位移曲線，從沖壓前后對比結(jié)果中可以看出，沖壓工藝對材料的抗凹剛度和抗凹穩(wěn)定性基本上沒有影響，對局部凹痕抗力影響較大，為抗凹?xì)堄辔灰颇繕?biāo)值的設(shè)定提供參考。

[1] 郝琪, 陳瑩. 基于數(shù)值模擬的車身材料抗凹性分析[J]. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,22(2): 11-14.

[2] 韋勇, 裴磊, 成艾國. 基于 ABAQUS的汽車覆蓋件抗凹性分析[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2015,29(8):70-75.

[3] 李石. 轎車屈曲、抗凹性能分析及優(yōu)化[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32:18-20.

[4] 李東升, 周賢賓. 雙曲扁殼覆蓋件抗凹性的定量評估[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 1998( 1) : 12- 15.

Study on the Effect of Stamping Process on the Dent Resistance of Automobile Panel

Liu Junhong, Zhang Lei, Hu Gaoning
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Dent resistance is an important index to evaluate and reflect the surface quality and performance of automobile panel. The three materials of the front door, hood and back door of one car are taken as the research object. The effect of stamping process on the anti-concave performance of automobile panel was studied from the anti-concave stiffness, anti-concave stability and local dent resistance based on the numerical simulation method and provided a reference for setting the anti-concave target value.

dent resistance; panel; stamping process; numerical simulation

U466

：A

：1671-7988 (2017)11-19-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.11.008

劉俊紅，女，（1981-），研究生，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，CAE分析專家，主要從事整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞耐久CAE仿真分析、性能開發(fā)、技術(shù)管理。