汽車橫梁內(nèi)高壓成形規(guī)律仿真分析

羅建斌，吳 量，蘇海迪，苗明達(dá)

（廣西科技大學(xué)廣西車輛零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州545006）

制造工藝

汽車橫梁內(nèi)高壓成形規(guī)律仿真分析

羅建斌，吳 量，蘇海迪，苗明達(dá)

（廣西科技大學(xué)廣西車輛零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州545006）

采用非線性有限元軟件對汽車橫梁開展彎管和內(nèi)高壓成形的多道次成形全過程數(shù)值模擬，并探討了內(nèi)高壓成形過程中不同液壓加載方式以及摩擦系數(shù)對成形構(gòu)件壁厚分布的影響規(guī)律。仿真分析的結(jié)果表明：在內(nèi)壓力加載方式中，前期增長較緩慢，后期增長較迅速的折線加載方式下成形件的成形效果最好；在摩擦系數(shù)中，μ=0.125下成形質(zhì)量最高。因此，選擇合適的液壓加載方式以及降低摩擦系數(shù)可在一定程度上提高成形件的成形質(zhì)量。

汽車橫梁；管材內(nèi)高壓成形；液壓加載路徑；摩擦系數(shù)；仿真分析

0 引言

隨著能源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出，汽車輕量化技術(shù)備受人們關(guān)注。汽車輕量化技術(shù)即在滿足汽車安全性及舒適性的前提下減輕車身重量。據(jù)研究表明，汽車每減少質(zhì)量100 kg，油耗可降低（0.3 ～ 0.6）L/100 km，CO2排放量可減少約 5 g/km[1]。故這一技術(shù)顯得十分重要。近年來，內(nèi)高壓成形技術(shù)在汽車輕量化中得到了重要的運(yùn)用，該技術(shù)的原理是通過在管材內(nèi)部施加一定的液壓力，同時沖頭對管材軸向補(bǔ)料，使管坯在模具內(nèi)發(fā)生塑性變形，使管壁與模具內(nèi)表面貼合，獲取所需形狀的零件。目前主要運(yùn)用于空心軸類件、非圓截面空心構(gòu)件以及復(fù)雜管件等的制造。Kristoffer Trana等[2]利用 Ls-Dyna有限元仿真軟件對轎車A柱進(jìn)行成形模擬，包括管坯的彎曲及內(nèi)高壓成形，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比了解到，管坯的預(yù)成形階段對最終的液壓成形具有很大的影響。榮吉利等[3]、張?jiān)幍萚4]采用ABAQUS有限元軟件開展了微型車后橋脹形工藝的數(shù)值模擬，通過分析，獲取了合理的加載路徑。王連東等[5-6]針對某小型汽車橋殼，闡述了內(nèi)高壓成形工藝過程，并進(jìn)行了數(shù)值模擬及工藝試驗(yàn)，試制出合格的樣件，得到了適合的預(yù)脹形及終脹形的加載路徑。劉勁松等[7]針對汽車發(fā)動機(jī)的配氣凸輪軸，進(jìn)行薄壁管件的內(nèi)高壓成形實(shí)驗(yàn)研究，使得結(jié)構(gòu)重量減輕，整體可靠性提高，且大幅降低加工成本，為發(fā)動機(jī)的緊湊化、輕量化提供技術(shù)支撐。

汽車橫梁作為汽車異形管件的一種，傳統(tǒng)的設(shè)計采用沖壓——焊接成形。與傳統(tǒng)工藝相比，內(nèi)高壓成形技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)為減輕了質(zhì)量和提高了材料利用率，減少了模具數(shù)量，降低了模具費(fèi)用，整體成形提高了材料的剛度與強(qiáng)度，提高了成形零件的精度。本文通過非線性有限元軟件AUTOFORM對汽車橫梁彎管、內(nèi)高壓成形全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析在內(nèi)高壓成形過程中不同液壓加載路徑和摩擦系數(shù)對成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 計算模型

某汽車橫梁結(jié)構(gòu)如圖1所示，長度為1170.3mm，壁厚2 mm，橫梁最小截面周長219.8 mm，最小截面周長所對應(yīng)圓管直徑為69.9 mm，基于最小截面所對應(yīng)圓管直徑選取初始管坯直徑為68 mm.橫梁幾何形狀復(fù)雜，軸線彎曲成弓形，局部有凸凹臺階面，截面為非規(guī)則的梯形，由于橫梁有八道彎，是一個軸線形狀為曲線的結(jié)構(gòu)件。由于管坯不能直接放置于內(nèi)高壓成形模具的型腔內(nèi)，需要通過預(yù)成形獲得與最終零件具有相同或者相似幾何外形和空間軸線的空心管坯。因此本次模擬過程采用多道次內(nèi)高壓成形，即內(nèi)高壓成形工序中以彎管后的結(jié)果管件作為初始管坯進(jìn)行脹形。

圖1 汽車橫梁幾何模型

2 成形工藝仿真

2.1 預(yù)彎成形

為保證汽車橫梁的彎曲精度，因此采用繞彎工藝進(jìn)行預(yù)彎成形。選取初始管坯長度為1 190 mm，厚度2 mm，直徑68 mm，材料為SPH440.彎模都劃分為剛性單元，根據(jù)橫梁幾何模型將管坯進(jìn)行八道彎曲，彎模與管坯接觸面摩擦系數(shù)設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)鋼的摩擦系數(shù)0.125.彎管示意圖如圖2所示，材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 彎管示意圖

表1 材料參數(shù)

彎曲結(jié)果如圖3所示，由圖所知彎管后零件最大減薄處位于第一道彎外側(cè)，此處壁厚1.75 mm，減薄率為12.2%，最大增厚處位于第七道彎內(nèi)側(cè)，厚度2.27 mm，增厚率為13.8%，沒有產(chǎn)生起皺和破裂缺陷，減薄和增厚都在安全范圍之內(nèi)。

圖3 彎管后壁厚分布

2.2 內(nèi)高壓成形

汽車橫梁內(nèi)高壓成形模型如圖4所示，借助有限元軟件將原始幾何模型兩端設(shè)置沖頭進(jìn)給補(bǔ)料區(qū)，并將其劃分為上下模具，以上道彎曲成形后的管件作為待成形管件，并在其兩端建立沖頭，其中上下模具及左右沖頭設(shè)置為剛性單元，待成形管件為彎曲結(jié)果管件，模具與管件接觸面的摩擦系數(shù)為0.125.考慮橫梁結(jié)構(gòu)的特殊性，橫截面處呈扁平梯形形狀，容易在合模過程中使管坯擠壓到一起導(dǎo)致最后成形失敗，因此在合模過程中在管內(nèi)施加適量的內(nèi)壓力，保證成形質(zhì)量，故選取合模壓力10 MPa，合模完成后內(nèi)高壓整形時間為10 s，最終成形壓力為180 MPa.由于汽車橫梁左右結(jié)構(gòu)對稱，設(shè)置左右沖頭軸向進(jìn)給量為5 mm，其加載路徑如圖5所示。

圖4 內(nèi)高壓成形有限元模型

圖5 加載路徑

內(nèi)高壓成形結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出橫梁最大減薄率為21.5%，此處壁厚為1.57 mm，最大減薄處位于靠近端部的圓角過渡區(qū)。因?yàn)榇颂幑懿牡淖冃瘟肯鄬τ谄渌麉^(qū)域更大，同時此處變形情況最為復(fù)雜，在軸向補(bǔ)料過程中，金屬材料在此處的流動較為困難，補(bǔ)料效果不佳。

圖6 壁厚減薄率分布

3 各參數(shù)影響

為探究各參數(shù)對橫梁內(nèi)高壓成形結(jié)果壁厚的影響規(guī)律，以橫梁A截面作為典型截面，并以此為研究對象，在此截面上選取15個測點(diǎn)，所選截面如圖7所示，測點(diǎn)分布如圖8所示。

圖7 所選橫截面

圖8 測點(diǎn)分布

3.1 液壓加載路徑

液壓加載路徑是指油或乳化液等柔性介質(zhì)經(jīng)沖頭進(jìn)入管材內(nèi)部并在管內(nèi)形成的液壓力隨時間變化而變化的情況，加載路徑會直接影響材料內(nèi)高壓成形結(jié)果的成形性能。在汽車橫梁這類異形截面結(jié)構(gòu)件的成形過程中，以沿橫截面方向的形變?yōu)楣芘鞯闹饕冃文Ｊ?，在保證不產(chǎn)生破裂、起皺等成形缺陷的前提下，成形結(jié)果截面壁厚分布越均勻，說明成形質(zhì)量越好。本文研究三種不同液壓加載路徑對橫梁A截面的壁厚分布的影響，液壓加載路徑如圖9所示，其中加載路徑1為線性加載，加載路徑2、3為折線加載。在三種液壓加載路徑下，摩擦系數(shù)均為0.125，沖頭軸向補(bǔ)料路徑如圖5所示。加載路徑對其壁厚分布影響如圖10所示，從圖中可以看出，液壓加載路徑對橫梁A截面壁厚影響較為顯著，其中加載路徑3下測點(diǎn)壁厚分布的波動范圍較小，即壁厚分布更均勻，且各測點(diǎn)的壁厚值更為接近初始管坯值2 mm，而加載方式2下壁厚分布的波動范圍最大，即壁厚分布均勻性最差，成形效果不佳。說明液壓加載路徑對橫梁內(nèi)高壓成形結(jié)果的影響較大。前期內(nèi)壓力增長較為緩慢后期內(nèi)壓力增長較為迅速的折線加載路徑下成形件的成形結(jié)果最好，說明選擇合適的液壓加載路徑可一定程度提高成形件的成形質(zhì)量。

圖9 液壓加載方式

圖10 液壓加載方式對壁厚影響

3.2 摩擦系數(shù)

塑性成形過程中模具與管材接觸面存在運(yùn)動或者運(yùn)動趨勢的時候，其接觸面表面之間必然產(chǎn)生摩擦力，這種摩擦力在一定程度上影響成形過程中材料的流動性，進(jìn)而影響成形區(qū)的補(bǔ)料效果，進(jìn)而影響成形件的壁厚分布。因此研究摩擦系數(shù)對內(nèi)高壓成形結(jié)果壁厚的影響規(guī)律具有重要的意義。選取摩擦系數(shù)為變量，內(nèi)壓力加載路徑及軸向補(bǔ)料加載路徑采用如圖5所示的加載方式。摩擦系數(shù)分別選取為μ =0.125，μ =0.15，μ =0.175，各摩擦系數(shù)下成形結(jié)果A截面各測點(diǎn)分布情況如圖11所示，從圖中可以看出，在摩擦系數(shù)μ=0.125時A截面各測點(diǎn)壁厚分布最為均勻，且各測點(diǎn)壁厚最接近初始管坯壁厚2 mm，而在μ=0.175時測點(diǎn)壁厚分布波動最大，即壁厚分布最不均勻?？芍?，摩擦系數(shù)對內(nèi)高壓成形結(jié)果的影響顯著。摩擦系數(shù)越小壁厚越接近初始管坯值，且整體厚度分布越均勻，故成形效果越好。這是因?yàn)槟Σ料禂?shù)越小，在成形過程中管材表面與模具的摩擦力越小，材料的流動性能越好，成形區(qū)的補(bǔ)料效果越好，進(jìn)而成形區(qū)壁厚減薄程度越小[8]。

圖11 摩擦系數(shù)對壁厚影響

4 結(jié)論

針對汽車橫梁內(nèi)高壓成形的數(shù)值模擬研究，具體結(jié)論如下：

（1）液壓加載路徑對橫梁內(nèi)高壓成形結(jié)果影響較大。三種液壓加載路徑中，前期內(nèi)壓力增長較為緩慢后期內(nèi)壓力增長較為迅速的折線加載路徑下成形件的壁厚分布最均勻。選擇合適的液壓加載路徑可一定程度提高橫梁的成形質(zhì)量。

（2）三種摩擦系數(shù)中，μ=0.125所對應(yīng)成形件的壁厚分布波動最小。摩擦系數(shù)越小，橫梁壁厚分布越均勻，成形質(zhì)量越好。

[1]耿培林，白 駿，楊保華.汽車輕量化的發(fā)展趨勢及前景探究[J].科協(xié)論壇（下半月），2012（3）：64-65.

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Simulation Analysis on the Hydroforming Law of Beam in the Vehicle

LUO Jian-bin，WU Liang，SU Hai-di，MIAO Ming-da
（Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545006，China）

Using the nonlinear finite element software，the whole multi-forming process of beam bending and hydroforming in the vehicle has been simulated.The influece law of internal pressure loading way and friction coefficient on wall thickness distribution of the tube has also been explored.The simulation analysis result shows that the forming effect is the best under the internal pressure which is increased slowly firstly and is improved rapidly lastly.For the friction coefficient，the forming quality is the highest under μ =0.125.So，in some extent，the forming quality can been enhanced by selecting the proper hydraulic loading method and reducing friction coefficient.

vehicle beam；tube hydroforming；internal pressure feeding path；friction coefficient；simulation analysis

TG394

A

1672-545X（2017）08-0082-04

2017-05-26

廣西教育廳2014年度高等學(xué)校科研項(xiàng)目（YB2014204）；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（14-A-01-03）；廣西工學(xué)院博士基金項(xiàng)目（?？撇?3Z10）；廣西科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計劃項(xiàng)目（GKYC201702）

羅建斌（1973-），男，湖南新化人，博士，副教授，研究方向?yàn)槠囕p量化技術(shù)及車輛空氣動力學(xué)等。