B柱加強板成形的有限元模擬

王圣波，葛紅劍，劉鋼，周森

(1.海南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工業(yè)與信息學(xué)院，海南 ?？?570216; 2.一汽海馬汽車有限公司，海南 ?？?570216)

0 引言

汽車覆蓋件成形的力學(xué)過程及成形影響因素非常復(fù)雜，是涉及幾何非線性、材料非線性、接觸非線性于一體的強非線性問題，傳統(tǒng)的解析方法難以求解判定[1]。傳統(tǒng)的金屬板料沖壓成形工藝及模具設(shè)計主要依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗，需要多次修改模具和反復(fù)調(diào)試才能獲得可行方案，造成大量人力、物力和時間的浪費。隨著制件設(shè)計的復(fù)雜化和加工精度要求的日趨提高，傳統(tǒng)基于人工的操作無法保證產(chǎn)品的質(zhì)量，而成本上又沒有優(yōu)勢，故難以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求，勢必被新的技術(shù)取代[2-3]。經(jīng)過100多年的發(fā)展，塑性成形理論已相當(dāng)成熟。隨著有限元分析方法的深入發(fā)展以及計算機應(yīng)用技術(shù)的普及，應(yīng)用有限元方法進行板料塑性成形過程數(shù)值模擬，已成為一項有效解決該問題的高新技術(shù)，并且推動了沖壓成形工藝和模具設(shè)計技術(shù)的革新[1,4-5]。

為了加快板料沖壓模具設(shè)計，需要有機地集成CAD設(shè)計和CAE分析，讓其優(yōu)勢互補。板料成形非線性有限元仿真軟件Dynaform包含模具設(shè)計、仿真分析等模塊，融合CAD和CAE于一體，方便沖壓零件的模具創(chuàng)建，較好地解決零件沖壓成形過程的仿真、結(jié)果預(yù)測及工藝優(yōu)化，在沖壓成形及模具設(shè)計方面應(yīng)用越來越廣泛。現(xiàn)代轎車覆蓋件制造以板料沖壓成形為主，覆蓋件零件通常外形尺寸大、形狀復(fù)雜且不規(guī)則，對表面的質(zhì)量要求較高，其成形難度較大，模具結(jié)構(gòu)及變形情況復(fù)雜，變形規(guī)律難以掌握[4-5]，因此出現(xiàn)的問題也較多，尤其是在實際沖壓過程中零件變形大區(qū)域出現(xiàn)破裂、翻邊處往往產(chǎn)生嚴重的起皺缺陷、局部塑性變形不足、成形零件剛度不足等問題。本文以某車身覆蓋件B柱加強板為例，將通用CAD軟件中設(shè)計出的產(chǎn)品幾何模型，在Dynaform軟件中進行拉深模具設(shè)計及成形過程的有限元模擬，針對存在的問題提出優(yōu)化設(shè)計方案，獲得合理的工藝參數(shù)，并指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

1 零件特點及工藝分析

B柱加強板是現(xiàn)代汽車上重要的承力結(jié)構(gòu)件，起到加強和支撐B柱及車身的作用，影響汽車側(cè)面碰撞結(jié)果和乘員的生存空間，為大型骨架類沖壓制件，屬于典型的汽車結(jié)構(gòu)件。為了提高車身的承載能力和碰撞安全星級的得分，B柱加強板要求具備較高的強度和剛度，應(yīng)用高強度鋼來成形已成為一種趨勢。該零件在實際沖壓成形過程中，通常需要經(jīng)過落料、拉深、沖孔、翻邊和修邊等多道復(fù)合工序才能完成加工，其中拉深成形工序是該件制造的關(guān)鍵，它直接影響到零件的加工質(zhì)量、制造成本及材料利用率。因此本文對該件的拉深過程進行有限元分析，保證B柱加強板的一次沖壓成形。

圖1所示為B柱加強板的設(shè)計幾何外形。該件的長、寬、高分別為1 145 mm、330 mm和164 mm，厚度為1.8 mm。該零件的結(jié)構(gòu)特點為：截面形狀變化復(fù)雜，底部高度存在較大起伏，有凹槽、凸臺、加強筋、開孔、過渡圓角小等多種特征，成形過程中容易出現(xiàn)開裂和起皺等缺陷，且高強鋼的應(yīng)用又加劇了這些缺陷的產(chǎn)生，給模具設(shè)計及成形工藝確定增加了困難。若毛坯的初始形狀設(shè)計合理，工藝參數(shù)控制得當(dāng)，B柱加強板可以一次成形[6]。因此，本文對該件的一次拉深成形過程進行模具設(shè)計和有限元仿真分析。

圖1 B柱加強板的幾何模型

2 模具設(shè)計

將通用CAD三維造型軟件如Catia、Pro/E、SolidWorks等設(shè)計出的零件幾何模型以IGES的格式保存，導(dǎo)入Dynaform軟件中，在Dynaform的前處理模塊進行模具設(shè)計，應(yīng)用于拉深成形仿真的有限元模型，通過以下步驟進行搭建。

2.1 幾何模型的檢查和修補

利用通用CAD軟件設(shè)計的產(chǎn)品幾何模型，往往存在一些缺陷，例如型面有縫隙、重疊或者包含過于細長的曲面片等，難以滿足模具設(shè)計工程師的有限元分析要求。此外，為了減少不必要的計算工作量，應(yīng)該刪去原始設(shè)計中包含的一些細小特征，以免在這些區(qū)域產(chǎn)生過多細小的單元，造成計算不收斂。因此，有必要進行型面檢查和修補，消除這些缺陷。

2.2 沖壓方向的確定

對于B柱加強板這種復(fù)雜形狀零件的成形，一個重要的問題就是確定拉深方向。沖壓方向的選擇不僅要保證成形質(zhì)量，還要考慮送料和導(dǎo)料的方便性。拉深方向確定的合理性應(yīng)能滿足以下要求[1]：

1)拉深凸模能夠順利進入凹模；

2)拉深深度適當(dāng)，并且盡量拉深均勻；

3)凸模相對于坯料兩側(cè)的拉入角盡量相等；

4)凹模與坯料接觸平穩(wěn)，接觸面積較大，多處接觸時最好保證同時接觸。

本文利用Dynaform中DEF模塊，以Preparation命令中的Tipping進行沖壓方向調(diào)整，并采用自動調(diào)整(auto tipping)與手動調(diào)整(manual tipping)相結(jié)合的方法。圖2所示為最終確定的沖壓方向，該沖壓方向使拉深深度最小，利于坯料拉深成形。

圖2 沖壓方向的確定

2.3 壓料面的設(shè)計

壓料面是指位于凹模上表面和凸模之間將坯料壓緊以防止其起皺的部分表面，用于保證坯料在拉深成形過程中不被破壞和順利成形，起著重要的作用。針對B柱加強板外形呈弧度且縱向形狀尺寸變化較大的特點，為了使坯料成形過程中各部分的受力狀況均衡，本文設(shè)計模具的壓面料為曲面，如圖3所示。

2.4 工藝補充面的設(shè)計

工藝補充面的設(shè)計是復(fù)雜曲面形狀零件成形工藝設(shè)計的重要內(nèi)容，工藝補充面設(shè)計是否合理，直接影響到坯料拉深成形的變形條件及成形結(jié)果，尤其影響成形零件表面質(zhì)量、起皺、破裂等質(zhì)量問題的控制。工藝補充設(shè)計應(yīng)遵守內(nèi)孔封閉原則、簡化拉深件結(jié)構(gòu)形狀原則以及對后續(xù)工序有利的原則。在保證成形質(zhì)量的前提下，工藝補充部分應(yīng)盡量減少以提高材料的利用率。B柱加強板的各部分變形分布不均勻，變形情況相差較大。工藝補充面的設(shè)計應(yīng)有利于平衡零件各部分的變形量，有助于提高零件的成形質(zhì)量?；谝陨显瓌t，本文設(shè)計的工藝補充面如圖3所示。

圖3 工藝補充面和壓面料的設(shè)計

2.5 坯料展開尺寸的確定

坯料形狀尺寸的確定是板料成形工藝設(shè)計中的重要一環(huán)，合理的坯料形狀不僅可以減少板料消耗，而且能改善成形過程中材料的應(yīng)變分布，減少缺陷的產(chǎn)生，提高加工零件的質(zhì)量。

本文通過有限元逆算法來獲得坯料的幾何性狀和尺寸，即采用Dynaform提供的BSE功能對設(shè)計工藝補充面后的B柱加強板進行逆算，得到坯料的初始形狀，然后再對其進行修正，最終得到坯料的形狀及尺寸如圖4所示。

圖4 展開的坯料形狀及尺寸

2.6 拉深筋的設(shè)置

汽車大型沖壓件在實際生產(chǎn)中，通常由于零件幾何型面的不對稱，使得坯料在成形過程中經(jīng)過凹模口部的各處材料流動速度不均衡，導(dǎo)致拉深后的零件有些部位出現(xiàn)起皺、波紋、變形不足或者回彈，而局部拉深量過大導(dǎo)致減薄嚴重產(chǎn)生頸縮甚至破裂等缺陷。為了解決這些問題，通常是在凹?？诓康闹苓呂恢迷O(shè)置拉深筋對坯料成形流動進行調(diào)整，即在流動速度大的區(qū)域設(shè)置大阻力的拉深筋，而在流動速度小的區(qū)域設(shè)置小阻力的拉深筋或者不設(shè)拉深筋，從而平衡材料沿凹?？诓康牧鲃铀俣炔町?，防止起皺，提高零件成形剛性。

本文根據(jù)凹?？诓康男螤?，利用Dynaform中的Preprocess模塊內(nèi)的Boundary Line功能進行凹?？诓窟吔巛喞€的創(chuàng)建，生成一條輪廓線，然后把生成的曲線朝外偏置30 mm，得到一條偏置線，沿著偏置線創(chuàng)建拉深筋，初始生成高度為8 mm、寬度為10 mm的半圓筋。為了便于根據(jù)不同的部位及不同的進料情況來調(diào)整阻力參數(shù)，將拉深筋分6段來設(shè)置，如圖5所示。

圖5 拉深筋的設(shè)置

經(jīng)過對沖壓方向的確定、工藝補充面的設(shè)計、壓料面的設(shè)計以及拉深筋的設(shè)置，創(chuàng)建了B柱加強板的拉深凹模。凹模設(shè)計完畢后，通過曲面偏移分別生成凸模及壓邊圈，獲得B柱加強板的拉深模具模型，如圖6所示。

圖6 拉深模具模型

3 有限元建模

采用有限元模擬分析可預(yù)測零件拉深成形模具設(shè)計的合理性，然后經(jīng)過調(diào)整壓邊力及拉深筋布置等工藝參數(shù)，可保證沖壓成形的可靠性，有效提高模具設(shè)計效率。

3.1 仿真參數(shù)選取

表1 TRIP600鋼板的材料參數(shù)

板料拉深成形的主要工藝參數(shù)有：拉深筋阻力、摩擦系數(shù)、沖壓速度、壓邊力和模具間隙等。表2所示為仿真分析中對各參數(shù)的取值。需要特別說明的是：模具實際生產(chǎn)時沖壓速度較低，在仿真模擬中為了提高計算效率，將模擬中的沖壓速度設(shè)為實際速度的若干倍，對結(jié)果影響不大。

表2 模擬中使用的工藝參數(shù)

采用逆算法展開得到的坯料(圖4)，設(shè)備類型選用雙動反拉深沖壓的方式，定義“合模—壓邊—拉深”的模擬工序過程，采用固定壓邊，初始壓邊力根據(jù)經(jīng)驗公式計算得到，合模間隙為1.1倍坯料厚度，即壓邊時壓邊圈與凹模的距離為1.98 mm，設(shè)定摩擦系數(shù)為0.125，使用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分，即在變形劇烈的部位和過渡圓角半徑較小的區(qū)域，網(wǎng)格密度較大。

3.2 初次模擬

根據(jù)選取的材料參數(shù)和工藝參數(shù)，在Dynaform的AutoSetup模塊進行初次模擬計算提交，模擬后獲得的結(jié)果如圖7所示。由此結(jié)果可以看出，按初步設(shè)置的拉深工藝方案，成形結(jié)果存在缺陷。圖7中結(jié)合成形極限曲線圖和應(yīng)變分布圖，可以看到零件發(fā)生了較大的塑性變形，變形量比較充分；零件大部分區(qū)域都分布在應(yīng)變安全區(qū)范圍內(nèi)，除了法蘭邊緣外沒有產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，但是出現(xiàn)了破裂危險現(xiàn)象，主要分布在缺陷A、缺陷B和缺陷C 三處區(qū)域，這種缺陷在板料沖壓中不容許存在，為質(zhì)量問題件和不合格產(chǎn)品。另外，缺陷D為變形不足區(qū)域，變形不足可能導(dǎo)致零件剛度不足及成形后回彈等問題，回彈過大將導(dǎo)致零件尺寸難以保證及裝配不良。

圖7 初次模擬結(jié)果

汽車上復(fù)雜零件的沖壓成形發(fā)生破裂問題，一般是由于變形過大、板料強度不足、過渡圓角小或者拉深筋布置不合理等引起的，可通過降低拉深深度、優(yōu)化工藝補充面、加大過渡圓角、改善拉深筋形狀和高度、修改坯料形狀等方式，提高成形過程中坯料的流動性，避免破裂缺陷[6]。

3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化及分析結(jié)果

初次模擬，拉深成形過程中零件拐角區(qū)(圖7中缺陷A和缺陷C)的破裂是由于凹模進料口過渡圓角過小而產(chǎn)生，為此修改了初始毛坯性狀和工藝補充面，增大缺陷區(qū)域拐角區(qū)的圓角半徑，提高材料成形中的均勻流動性，消除破裂產(chǎn)生的條件。零件直邊區(qū)(圖7缺陷B)的破裂是由于拉深筋阻力過高而造成的，為此將拉深筋3的高度降低為5 mm。由于成形結(jié)果出現(xiàn)過多的破裂現(xiàn)象，表明壓邊力過大，為此將壓邊力下調(diào)為2.0×106N。另外，為了有效控制起皺和變形不足，確保成形后的零件具有足夠的剛性和減小回彈，調(diào)整零件兩端頭拉深筋1和拉深筋2的高度，設(shè)置為12 mm。

圖8所示為部分工藝參數(shù)優(yōu)化后的模擬結(jié)果。從圖8中可知，初次模擬(圖7)的破裂缺陷得到了很好的改善，破裂危險區(qū)域已完全改善，變形比較充分，變形不足區(qū)域基本消除，零件的成形質(zhì)量得到了很好的保證。表明優(yōu)化方案提出的工藝參數(shù)調(diào)整可靠。

圖8 調(diào)整工藝參數(shù)后的模擬結(jié)果

4 實驗驗證

生產(chǎn)實踐中，根據(jù)最終模擬分析得到的模具造型和工藝參數(shù)，用于指導(dǎo)B柱加強板的拉深模具設(shè)計和制造。圖9所示為凸模結(jié)構(gòu)實物圖。采用上述調(diào)整優(yōu)化后的工藝進行沖壓試生產(chǎn)。結(jié)果表明，B柱加強板成形效果良好，無破裂、起皺等現(xiàn)象，變形充分，回彈小，產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計要求，試生產(chǎn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。覆蓋件拉深模具的設(shè)計合理與否，除了零件沖壓方向、工藝補充面、壓面料的合理設(shè)計，還要根據(jù)具體材料的力學(xué)性能，對拉深筋和壓面料進行必要的優(yōu)化，才可拉深出合格的零件，有效提高模具設(shè)計的效率，減少了開發(fā)成本。

圖9 凸模結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

本文以某汽車車身B柱加強板為例，基于有限元模擬進行模具設(shè)計，根據(jù)零件的形狀特點和工藝分析，通過幾何模型的檢查和修補、沖壓方向的確定、壓面料的設(shè)計、工藝補充面的設(shè)計、坯料尺寸展開、拉深筋的設(shè)置等模具設(shè)計過程，生成零件拉深的有限元模型。經(jīng)過初次仿真分析，定性預(yù)測了零件成形過程中出現(xiàn)的破裂質(zhì)量缺陷，進行問題分析和工藝參數(shù)優(yōu)化，最后根據(jù)調(diào)整后的模擬結(jié)果進行實際生產(chǎn)，最終試生產(chǎn)出的零件合格，降低了模具設(shè)計成本，提高了工藝設(shè)計質(zhì)量，縮短了開發(fā)周期，提升了生產(chǎn)效率。