電動(dòng)汽車覆蓋件沖壓成形與輕量化的協(xié)同優(yōu)化研究*

白有俊

（海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，海南 海口 571127）

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的日益成熟，電動(dòng)汽車已經(jīng)被越來越多的用戶所接受。電動(dòng)汽車輕量化可以增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，相關(guān)科研人員都在研究電動(dòng)汽車輕量化問題，以減輕整車重量。汽車覆蓋沖壓件是汽車四大總成之一，需要一定的剛度、強(qiáng)度、韌性等性能，覆蓋沖壓件重量減輕的同時(shí)還要滿足汽車的安全需要。因此，開展電動(dòng)汽車覆蓋件沖壓成形與輕量化的協(xié)同優(yōu)化研究具有較好的社會(huì)價(jià)值。

1 電動(dòng)汽車覆蓋件沖壓成形

電動(dòng)汽車覆蓋件包括機(jī)蓋外板、機(jī)蓋內(nèi)板、通風(fēng)室下板、前圍板、前底板、頂蓋、中地板、后地板、行李箱內(nèi)板、行李箱外板、翼子板、整體側(cè)圍、前門內(nèi)板、前門外板、后門內(nèi)板、后門外板、輪罩等。電動(dòng)汽車的覆蓋件和燃油汽車的覆蓋件機(jī)理一樣，電動(dòng)汽車的覆蓋件更加輕量化，采用更先進(jìn)的輕量化技術(shù)，在達(dá)到要求的前提下甚至需更加輕量化的材料制備。

2 電動(dòng)汽車覆蓋件的質(zhì)量要求

電動(dòng)汽車覆蓋件不僅需要一定的安全性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性及耐腐蝕性，而且還要盡可能地輕量化[1]，具體要求如下：1）較好的表面質(zhì)量。汽車覆蓋件的表面既要有流線美感，又不能出現(xiàn)波紋、褶皺、凹陷等缺陷，還要滿足表面漆涂裝要求[2]。2）較好的尺寸形狀。汽車覆蓋件為復(fù)雜的立體幾何空間曲面形狀，需要有比較精確的尺寸形狀精度，以便滿足汽車批量制造的統(tǒng)一性，同時(shí)還要滿足流線型機(jī)器人等的裝配需求。3）具有一定的剛性和強(qiáng)度。汽車覆蓋件既需要一定的強(qiáng)度以抵御外來力量防止產(chǎn)生變形，又需要有一定的剛度避免受到振動(dòng)后產(chǎn)生噪聲及損壞。4）合理的工藝性。合理的工藝性是在一定生產(chǎn)條件下，能夠較容易地安排相關(guān)工藝設(shè)計(jì)，包含模具設(shè)計(jì)、沖壓工藝、板材選取等，能夠既經(jīng)濟(jì)安全，又穩(wěn)定地獲得高質(zhì)量產(chǎn)品[2]。在滿足需求的前提下，有效降低汽車制造成本。

3 汽車覆蓋件沖壓成形理論基礎(chǔ)

3.1 汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)介紹

汽車覆蓋件沖壓成形是靠壓力機(jī)提供壓力，作用在上下模具上，使得在模具中間的板材等產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得符合形狀和尺寸要求的覆蓋件。一般來說，汽車制造企業(yè)由設(shè)計(jì)部門完成新車外觀設(shè)計(jì)后，再進(jìn)行模型定型，接著開始對(duì)汽車覆蓋件模具開展設(shè)計(jì)開發(fā)工作。汽車覆蓋件的形狀復(fù)雜、尺寸大、深度不均勻，需要不同的工序，最少需要落料、拉深、修邊三道基本工序。多數(shù)汽車覆蓋件還需翻邊和沖孔等工序。有些企業(yè)合并工序，提高效率。落料工序是準(zhǔn)備板料并將板料送至沖壓模具上，拉深工序是覆蓋件沖壓的關(guān)鍵程序，覆蓋件的絕大部分形狀由拉深工序形成，沖孔工序是在沖壓工序后進(jìn)行開鉆工藝孔和裝配孔，修邊工序是切除拉深件的工藝修復(fù)程序，翻邊工序是對(duì)覆蓋件的邊緣進(jìn)行豎邊成形，用以裝配焊接面等[3]。汽車覆蓋件沖壓成形受模具、沖壓壓力及工藝、沖壓參數(shù)、材料本身參數(shù)等影響，會(huì)產(chǎn)生一定的破裂、起皺、回彈等缺陷。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算、分析，可以減少真實(shí)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等。

3.2 汽車覆蓋件沖壓仿真軟件

與汽車覆蓋件成形相關(guān)的鈑金成形過程仿真研究起源于國(guó)外，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車覆蓋件沖壓仿真研究采用了相關(guān)的模擬軟件，主要有美國(guó)的DYNAFORM、瑞士的AUTORORM、法國(guó)的PAMSTAMP等軟件，目前國(guó)內(nèi)鮮有此類相關(guān)軟件[3]。這些軟件都是通過相關(guān)力學(xué)分析，以有限單元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，預(yù)測(cè)覆蓋件缺陷是否產(chǎn)生、形狀和質(zhì)量是否滿足需求，從而為選擇合適的材料、制定適合的工藝方案等增加參考依據(jù)。如采用DYNAFORM的仿真實(shí)驗(yàn)分析可以獲取次應(yīng)變圖、成形極限圖、零件厚度分布圖，從圖中可以分析易破裂區(qū)域，以便進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。經(jīng)過拉深筋調(diào)整布置，改進(jìn)后的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果破裂缺陷被消除且沒有出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，再通過沖壓實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，沒有產(chǎn)生破裂缺陷和起皺現(xiàn)象，證明沖壓仿真結(jié)果合理可行。

3.3 沖壓成形極限圖的作用

成形極限圖是由板料在不同應(yīng)變路徑下的局部失穩(wěn)極限工程應(yīng)變e1和e2或極限真實(shí)應(yīng)變?chǔ)?和ε2構(gòu)成的條帶形區(qū)域或曲線。反映了板料在單向和雙向拉應(yīng)力作用下抵抗頸縮或破裂的能力，經(jīng)常被用來分析、解決成形時(shí)的破裂等問題[4]。板料的各種總體成形性能指標(biāo)或成形極限，大多反映試樣的某些總體尺寸變化到某種程度[5]。

3.4 沖壓成形的起皺、破裂和回彈的產(chǎn)生機(jī)理

1）起皺產(chǎn)生的原因。材料堆積引起起皺；材料進(jìn)入凹模腔內(nèi)過多產(chǎn)生起皺；板料厚度方向引起的約束力弱，導(dǎo)致壓縮凸緣失穩(wěn)后產(chǎn)生起皺；不均勻的拉深部位受到的力不均，致使失穩(wěn)產(chǎn)生起皺；覆蓋件形狀角度過大，導(dǎo)致拉深過程中凸模無法壓住料、材料流動(dòng)過快進(jìn)而產(chǎn)生起皺；制件壓料筋設(shè)置不合理，或者壓料筋過小，不能有效阻止材料過快地流動(dòng)；產(chǎn)品需要增加吸皺筋的地方未加吸皺筋，或者吸皺筋過小，進(jìn)而導(dǎo)致制件在拉深過程中起皺；上、下模之間的間隙過大，導(dǎo)致制件在拉深過程中模具無法壓住材料產(chǎn)生起皺。

2）開裂產(chǎn)生的原因。產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度不足導(dǎo)致產(chǎn)生的破裂，如靠近凸、凹模圓角處，局部受力過大而破裂；在脹形變形時(shí)，靠近凸模頂部產(chǎn)生的破裂或凸緣伸長(zhǎng)材料變形流入過大引起的破裂；時(shí)效裂紋，即成形復(fù)雜區(qū)域在成形過程中產(chǎn)生材料硬化，硬化變形時(shí)伴隨脆化現(xiàn)象，在成形殘余應(yīng)力的作用下引起制件破裂；材料成形時(shí)受拉深彎曲后再?gòu)澢刍匾灾庐a(chǎn)生破裂，多產(chǎn)生于凸筋或凹模口處；條紋狀裂紋，由于材料內(nèi)有雜質(zhì)引起的裂紋，一般平行于板料軋制方向[6]。

3）回彈產(chǎn)生的原因。主要是在沖壓完成時(shí)，塑性變形區(qū)的局部板料受到超過其屈服極限的應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)生了塑性變形，而處在彈性變形區(qū)的板料在卸載階段將發(fā)生彈性恢復(fù)從而造成了回彈[7]。

4 輕量化材料選擇

隨著新型材料的深入研究，汽車沖壓覆蓋件選用了更加輕量化的鋁合金板材、鎂合金板材等。國(guó)內(nèi)有些電動(dòng)汽車已經(jīng)采用鋁合金板材制造覆蓋件用以減輕汽車車身重量，從而增加續(xù)航里程。

5 技術(shù)處理改進(jìn)

通過仿真分析后，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的缺陷現(xiàn)象，針對(duì)問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行改進(jìn)，增加拉深筋、改良模具參數(shù)、調(diào)整沖壓壓力參數(shù)、選取覆蓋件材料等，再通過沖壓成形過程和成形缺陷的動(dòng)態(tài)顯式有限元方法、彈塑性增量有限元法的沖壓成形過程仿真技術(shù)等再次進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)，選取較為適合的技術(shù)處理辦法，從而獲得符合要求且輕量化的汽車覆蓋件[8]。

6 輕量化后的增容

電動(dòng)汽車覆蓋件輕量化處理后，可以將減輕的重量用來增加動(dòng)力電池的容量，從而達(dá)到增加續(xù)航里程的目的[9]。根據(jù)能量守恒定律，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池消耗的能量（不包含其他汽車電器）等于電機(jī)驅(qū)動(dòng)力所做的功。

式中：Eout是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池輸出能量，W；η是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量傳遞到車輪行駛的效率；F是電動(dòng)汽車在實(shí)驗(yàn)道路上行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，N；L是電動(dòng)汽車的行駛里程，km[5]。E為蓄電池組的總?cè)萘?，kWh；ξ為放電深度。Ff表示電動(dòng)汽車的道路滾動(dòng)阻力，N；Fw表示該汽車實(shí)驗(yàn)時(shí)的迎風(fēng)阻力，N；m表示該汽車的整備質(zhì)量，kg；g表示重力加速度（9.81 m/s2）；f表示該汽車在道路上行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd表示該汽車實(shí)驗(yàn)時(shí)的空氣阻力系數(shù)；A表示該汽車的迎風(fēng)面積，m2；ρ表示空氣密度（1.225N·s2·m-4）；V表示實(shí)驗(yàn)時(shí)的行駛速度，m/s。

采取等速法計(jì)算，取用驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力相等[10-11]，整理可得：

實(shí)驗(yàn)選用等速法計(jì)算，在60 km/h的速度下，通過輕量化后續(xù)航里程增程圖如圖1所示。

圖1 整備質(zhì)量輕量化與續(xù)航里程

由此可見，電動(dòng)汽車輕量化后可以增加續(xù)航里程，同時(shí)輕量化后可以適當(dāng)?shù)卦黾觿?dòng)力電池容量從而進(jìn)一步增加續(xù)航里程，達(dá)到協(xié)同優(yōu)化的目的。

7 結(jié)束語

電動(dòng)汽車在我國(guó)發(fā)展迅速，技術(shù)也越來越成熟。隨著科研人員對(duì)汽車覆蓋沖壓件和輕量化的深入研究，以及中國(guó)電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化持續(xù)發(fā)展，會(huì)制造出更加安全、美觀、輕量化的符合要求的電動(dòng)汽車覆蓋沖壓件，續(xù)航里程將會(huì)進(jìn)一步增加。