車身鋁合金型材柔性成形數(shù)值模擬分析

馬占軍

[摘 要]近年來汽車行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，汽車輕量化能很好的響應(yīng)節(jié)能減排的時(shí)代主題。本文以封閉截面鋁型材為研究對(duì)象，比較了兩種不同的基本體排列方式下多點(diǎn)成形與整體模具的成形效果。結(jié)果表明，多點(diǎn)模具可以替代整體模具用于型材的三維拉彎成形。

[關(guān)鍵詞]彈性模量 屈服應(yīng)力 回彈

中圖分類號(hào)：TG389 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）06-0105-02

0 前言*

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車輕量化成為時(shí)代發(fā)展的一種必然的趨勢(shì)，鋁合金密度低，同時(shí)具有強(qiáng)度高、抗沖擊性能好、易回收等優(yōu)點(diǎn)從而廣泛的應(yīng)用在汽車安全部件和框架式車身上[1]，如何實(shí)現(xiàn)鋁型材的高精度彎曲成形以滿足車身需求，降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2]。

多點(diǎn)柔性成形技術(shù)的基本原理是將成型面離散成若干基本體，通過控制各個(gè)基本體的絕對(duì)位移大小構(gòu)造出三維空間曲面，從而實(shí)現(xiàn)快速、柔性成形[3]。本文采用ABAQUS模擬軟件對(duì)型材三維多點(diǎn)拉彎成形過程進(jìn)行建模，模擬型材三維拉彎多點(diǎn)成形過程，計(jì)算多點(diǎn)模具替代整體模具的可行性。

1 鋁型材三維多點(diǎn)拉彎成形

三維多點(diǎn)拉彎成形是將空間內(nèi)的成型面分解成水平和垂直兩個(gè)方向，將兩個(gè)方向上的成型面離散成若干小段的基本體，通過控制基本體的位移和旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)的構(gòu)型[4]。

鋁型材拉彎成形常用的回彈量表示方法有三種：曲率半徑的變化量、回彈角和回彈法向位移的變化，如圖1所示[5]。本文分別用兩個(gè)方向上的回彈角表征回彈大小。

2 鋁型材三維多點(diǎn)拉彎成形模型

2.1 三維多點(diǎn)拉彎有限元模型

運(yùn)用ABAQUS中Explicit模塊和Standard模塊對(duì)截面尺寸為30mm×40mm的AA6082鋁合金型材的拉彎成形和卸載后回彈兩個(gè)過程進(jìn)行模擬。由單向拉伸試驗(yàn)獲得其真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變關(guān)系：

（1）

式中，σy為屈服應(yīng)力；Qi、Ci為材料參數(shù)。模擬中采用VonMises屈服準(zhǔn)則：

（2）

式中，σ1、σ2、σ3別為直角坐標(biāo)系中三個(gè)方向的主應(yīng)力。材料相關(guān)性能參數(shù)如表1?？紤]到模型的對(duì)稱性，取1/2模型進(jìn)行模擬。由于型材拉彎成形會(huì)存在截面畸變現(xiàn)象，故內(nèi)沖3MPa壓強(qiáng)。

2.2 加載軌跡的計(jì)算

利用位移-時(shí)間曲線，將夾鉗與鋁合金型材綁定，通過控制夾鉗參考點(diǎn)每一時(shí)刻的坐標(biāo)，計(jì)算參考點(diǎn)位移，從而帶動(dòng)型材貼模彎曲。因此，參考點(diǎn)位移的計(jì)算對(duì)最終的成形效果有直接影響。如圖2所示，參考點(diǎn)與鋁型材截面的相對(duì)位移關(guān)系。

對(duì)于型材水平平面內(nèi)彎曲（X-Y面）過程，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如5所示。參考點(diǎn)的位移可通過如下公式計(jì)算：

（3）

（4）

式中L為型材長(zhǎng)度；R為型材水平平面內(nèi)彎曲半徑；α為型材水平貼膜過程過的瞬時(shí)包覆角；δpr為型材的預(yù)拉量；d為夾鉗參考點(diǎn)到型材底面間的距離。

參考點(diǎn)Z向位移的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4，計(jì)算過程如下：

（5）

， （6）

（7）

式中r為型材垂直平面內(nèi)彎曲半徑；β為型材垂直貼膜過程中的包覆角；Lz為型材水平平面內(nèi)變形后在垂直平面內(nèi)的投影長(zhǎng)度；L1為型材水平平面內(nèi)變形區(qū)域在垂直平面內(nèi)的投影長(zhǎng)度；t為參考點(diǎn)到型材側(cè)邊的距離。

在補(bǔ)拉階段，補(bǔ)拉量δpo是個(gè)矢量，其方向是沿著兩個(gè)成型面邊界切線方向，通過將其分解成直接坐標(biāo)系中三個(gè)方向的分量來實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)拉量的表達(dá)，計(jì)算公式如下：

（8）

（9）

（10）

3 鋁型材三維多點(diǎn)成形可行性分析

3.1 三維多點(diǎn)模具與整體模具對(duì)比

對(duì)封閉截面AA6082鋁合金型材分別在奇、偶兩種基本體排列方式（圖5）下進(jìn)行三維多點(diǎn)拉彎成形和卸載后回彈過程模擬，分析三維多點(diǎn)拉彎工藝代替整體模具成形工藝的可行性。型材預(yù)拉量和補(bǔ)拉量都為1%，水平彎曲角度和垂直彎曲角度均為30°進(jìn)行模擬，其結(jié)果如下：

圖6為封閉截面鋁型材分別在整體模具、基本體奇排列和基本體偶排列三種形式下三維拉彎成形及卸載回彈后Mises應(yīng)力分布情況。型材最大應(yīng)力分布在背板和右側(cè)板相交處，并沿截面向兩側(cè)擴(kuò)展，直至腹板與左側(cè)板相交處應(yīng)力達(dá)到最小，同時(shí)最小應(yīng)力分布區(qū)域由對(duì)稱面沿型材長(zhǎng)度方向逐漸減??；整體模具應(yīng)力分布更加均勻整齊，而多點(diǎn)模具，使得型材表面應(yīng)力分布呈現(xiàn)一定波動(dòng)。

從圖7中清晰的可以看出，無論是水平面方向還是垂直面方向，距對(duì)稱面越遠(yuǎn)，相應(yīng)的回彈量則越大；同時(shí)就回彈量而言，整體模具的回彈量最小、基本體奇排列次之，基本體偶排列的回彈量則最大。將分別在整體模具與多點(diǎn)模具拉彎成形后卸載回彈量進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。從對(duì)比結(jié)果中可以看出，整體模具得到的回彈角與多點(diǎn)模具中基本體兩種不同排列方式下得到的結(jié)果近似，這說明多點(diǎn)模具可以替代整體模具用于三維拉彎成形。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

運(yùn)用洲海科技有限公司提供的三維多點(diǎn)拉彎?rùn)C(jī)完成對(duì)AA6082鋁型材在基本體奇數(shù)排列方式下進(jìn)行拉彎成形試驗(yàn)。表3為試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果中可以看出，通過模擬得到的回彈角與試驗(yàn)結(jié)果近似，這說明模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

（1）在建模過程中，運(yùn)用軌跡的計(jì)算方法理論描述鋁型材三維拉彎成形，通過將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明了模擬的準(zhǔn)確性。

（2）針對(duì)鋁型材三維多點(diǎn)拉彎成形過程中基本體的兩種不同排列方式進(jìn)行數(shù)值模擬，將結(jié)果與整體模具模擬結(jié)果對(duì)比，說明了多點(diǎn)模具完全可以替代整體模具進(jìn)行三維拉彎成形。

參考文獻(xiàn)

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[2] 刁可山，周賢賓，金朝海等.復(fù)雜截面型材力控制拉彎成形數(shù)值模擬分析[J].材料科學(xué)與工藝，2004，12（4）：413-416.

[3] 李明哲，崔湘吉，鄧玉山.多點(diǎn)成形技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007.5：15-18.

[4] 梁繼才，騰飛，高嵩等.柔性三維拉彎成形模具型面修正關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（17）：187-192.

[5] 李學(xué)貞.薄壁型材多點(diǎn)拉彎過程的數(shù)值模擬[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，20.