考慮板料沖壓成形因素對(duì)車門剛度性能的影響

姚芳，程林，張婷婷

考慮板料沖壓成形因素對(duì)車門剛度性能的影響

姚芳，程林，張婷婷

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

考慮沖壓成形時(shí)覆蓋件力學(xué)性能的變化對(duì)車門剛度性能的影響，以某車型的前門外板為研究對(duì)象，建立了完整的有限元模型。以LS-DYNA軟件為求解器，對(duì)車門外板成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將外板成形后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)、塑性應(yīng)變、厚度和殘余應(yīng)力等信息，通過LS-PREPOST軟件映射到外板新網(wǎng)格中，作為新網(wǎng)格的初始參數(shù)。通過對(duì)比分析，最終獲得不同工況下車門在扭轉(zhuǎn)剛度、最大應(yīng)力值和最大位移量處均存在明顯差異，其中應(yīng)力成形因素影響最大,最大應(yīng)力值及扭轉(zhuǎn)剛度分別激增186%和17.7%，最大位移量下降17.7%。

車門結(jié)構(gòu)性能；板料沖壓仿真；成形因素

1 引言

車輛被動(dòng)安全性能的一個(gè)重要方面是車身結(jié)構(gòu)性能，數(shù)值仿真法和試驗(yàn)法是其常用的分析法?？蒲腥藛T常采用“白網(wǎng)格”數(shù)值仿真法對(duì)車身零部件進(jìn)行分析，未考慮板料沖壓后力學(xué)性能的改變對(duì)車身結(jié)構(gòu)性能的影響。比如，沖壓部位的金屬板材不同程度上都存在加工硬化現(xiàn)象，致使沖壓部位板材的屈服應(yīng)力升高。因此，局部板料厚度出現(xiàn)明顯的不均勻現(xiàn)象。若未考慮這些歷史成形因素，就對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，必然導(dǎo)致仿真結(jié)果與真實(shí)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)[1]。國(guó)內(nèi)外眾多頂尖專家對(duì)此進(jìn)行大量研究。Nurcheshmeh[2]指出在大部分工業(yè)鈑金件成形過程中，板材表面會(huì)產(chǎn)生明顯的壓縮應(yīng)力，其中厚度變化產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)金屬板料成形性的影響不容忽視；魯守釗[3]指出將成形過程中板料產(chǎn)生的厚度變化、等效塑性應(yīng)變以及殘余應(yīng)力等成形歷史因素引入碰撞結(jié)構(gòu)分析中，可提高碰撞結(jié)構(gòu)仿真精度；揚(yáng)州大學(xué)的程林[4]針對(duì)單個(gè)沖壓成形因素對(duì)于車門結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行了研究，其在四種不同情況（不考慮成形因素、僅考慮厚度因素、僅考慮應(yīng)力因素、僅考慮應(yīng)變因素）下，對(duì)車門結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和下沉剛度分析。結(jié)果表明，沖壓成形因素對(duì)于車門結(jié)構(gòu)性能分析產(chǎn)生了很大的影響，應(yīng)力因素影響最大；范瑞麟[5]考慮了沖壓成形歷史對(duì)高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)性能的影響，但該文獻(xiàn)并未明確指出所用材料模型是否適用于沖壓變形和高溫后的金屬材料。本文對(duì)車門外板成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將外板成形后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)、塑性應(yīng)變、厚度和殘余應(yīng)力等信息，作為初始值引入后續(xù)的車門結(jié)構(gòu)分析中，研究其對(duì)車門結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果的影響。

2 模型

2.1 車門模型

車輛最重要的四大組成部件之一為車身，而車身最重要的閉合件部分為車門系統(tǒng)，其造型、密封性和振動(dòng)性等設(shè)計(jì)要求相對(duì)于車身其他部件而言更為獨(dú)特。車門主要組成部件包括：車門內(nèi)外板、門鎖附件及其外板鉸鏈玻璃導(dǎo)槽、車門防撞梁及其上的安裝的窗框加強(qiáng)板等。圖1為車門結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為車門總成CATIA模型。

圖1 車門結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 車門總成CATIA模型

2.2 CAE模型

文中車門內(nèi)外板材均采用普通結(jié)構(gòu)鋼，板厚大約為1mm，均為薄壁板材結(jié)構(gòu)。表1為車門內(nèi)外板的材料參數(shù)（車門內(nèi)板采用ST14板材，外板采用DC06板材）。

表1 車門內(nèi)外板材參數(shù)

本文采用DYNAFORM軟件對(duì)車門總成及內(nèi)外板進(jìn)行前處理，網(wǎng)格單元以四節(jié)點(diǎn)參數(shù)單元為主，過渡帶輔以少量的三節(jié)點(diǎn)薄板網(wǎng)格單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)30786個(gè)，殼單元2981個(gè)，如圖3所示。

圖3 汽車車門CAE模型

3 邊界條件及沖壓成形

3.1 邊界條件

表2為分析車門剛度時(shí)的約束條件和加載方式[6]。

表2 約束及加載方式

本文將車門模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與加載約束方法相結(jié)合，并根據(jù)車門實(shí)際的工況要求，確定扭轉(zhuǎn)工況下車門扭轉(zhuǎn)剛度的加載約束條件及方式為：車門鉸鏈處各方向的位移U＝U＝U=0，各方向的轉(zhuǎn)動(dòng)U＝U＝U＝0，在車門內(nèi)板左上角附近（垂直于車門方向）加載0.25kN的節(jié)點(diǎn)力，探討了①不考慮成形因素；②只考慮應(yīng)力因素；③只考慮應(yīng)變因素；④只考慮厚度因素等情況下的扭轉(zhuǎn)剛度．

3.2 沖壓成形

圖4為車門外板經(jīng)沖壓成形后的云圖。

圖4 外板厚度、應(yīng)變、應(yīng)力云圖

由圖4的(a)和(b)可知，車門外板整體厚度及應(yīng)變變化分布較為均勻，變化較大的區(qū)域在門把手附近及車門右下角，主要因該區(qū)域拉伸深度過大及拉延筋設(shè)置不當(dāng)所致；而應(yīng)力分布的起伏較大，其中門窗附近及鉸鏈部分出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖4(c)所示。呈現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因在于壓邊力不足，改進(jìn)措施主要包括：調(diào)整拉延筋高度、摩擦力大小和壓邊力大小，其目的在于使材料更趨于平緩。對(duì)車門外板成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將外板成形后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)、應(yīng)變、厚度和殘余應(yīng)力等信息作為初始值引入后續(xù)的車門結(jié)構(gòu)分析中，研究成形因素對(duì)車門剛度仿真結(jié)果的影響。

4 剛度分析

車門剛度不足會(huì)導(dǎo)致車門失效嚴(yán)重。如車門開裂使零部件產(chǎn)生過大的形變，導(dǎo)致車輛在正常行駛途中，產(chǎn)生破壞性震動(dòng)甚至異響，車門密封性也急劇降低[7]。因此，對(duì)車門的剛度進(jìn)行校核顯得尤為重要。

以沖壓仿真軟件LS-DYNA為求解器，對(duì)車門外板成形歷史過程進(jìn)行分析，將沖壓后外板的應(yīng)變、厚度和殘余應(yīng)力等信息，通過仿真軟件LS-PREPOST模塊投射到外板新網(wǎng)格中，這種投射法稱為網(wǎng)格信息映射法[8]。通過映射法最終獲得4種工況下車門的位移云圖、應(yīng)力云圖以及扭轉(zhuǎn)剛度值，如表3及圖5—8所示。

表3 四種不同工況下車門最大位移、應(yīng)變以及扭轉(zhuǎn)剛度

從表3可知，將成形因素引入車門剛度仿真中，是非常有必要的。通過網(wǎng)格信息映射法，分別賦予每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)初始厚度、應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)；因此，在車身結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)力、應(yīng)變以及厚度的影響就十分明顯。

圖5 不考慮成形因素扭轉(zhuǎn)剛度的位移云圖和應(yīng)力云圖

圖6 只考慮厚度因素的扭轉(zhuǎn)剛度的位移云圖和應(yīng)力云圖

從圖6基于厚度成形因素可見：與未考慮成形因素相比，車門的力學(xué)性能差異較小。原因在于，賦予每個(gè)單元節(jié)初始厚度后，車門整體應(yīng)力值微小幅度上升，仍在板料彈性力學(xué)范圍之內(nèi)，遠(yuǎn)未到達(dá)塑性應(yīng)變的范疇。

圖7 只考慮應(yīng)變因素扭轉(zhuǎn)剛度的位移云圖和應(yīng)力云圖

從圖7基于應(yīng)變成形因素可見：與未考慮成形因素相比，在最大應(yīng)力值、扭轉(zhuǎn)剛度值、和最大位移量等方面變化較為顯著。最大應(yīng)力值由134.5MPa上升為354.5MPa，上升了164%，因?yàn)橛成渚W(wǎng)格引入應(yīng)變后，在扭轉(zhuǎn)剛度分析中部分網(wǎng)格單元產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。從數(shù)值上分析，賦予每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)初始應(yīng)變后，最大位移量減少，而最大應(yīng)力值上升，這充分說明影響車門結(jié)構(gòu)仿真分析的因素，除外部載荷外，內(nèi)部單元也同樣起著至關(guān)作用。

圖8 只考慮應(yīng)力的因素扭轉(zhuǎn)剛度的位移云圖和應(yīng)力云圖

從圖8基于應(yīng)力成形因素可見：與未考慮成形因素相比，在最大應(yīng)力值、扭轉(zhuǎn)剛度值、和最大位移量等方面變化最為顯著，最大應(yīng)力由134.5MPa上升到385MPa，上升了186%，說明賦予每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)初始應(yīng)力后，致使車門板料厚度不均，引起某些部位的單元應(yīng)力集中現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)：考慮成形因素后，仿真分析所得的車門結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在扭轉(zhuǎn)剛度、最大應(yīng)力值和最大位移量處均存在明顯差異，其中厚度成形因素影響最小，應(yīng)力成形因素影響最大。因此，在車門剛度分析中，引入成形因素是極其重要的，也應(yīng)是未來結(jié)構(gòu)仿真的必然趨勢(shì)[4]。

5 結(jié)論

以LS-DYNA軟件為求解器，對(duì)車門外板成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將外板成形后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)、塑性應(yīng)變、厚度和殘余應(yīng)力等信息，通過LS-PREPOST軟件映射到車門外板新網(wǎng)格中，作為外板新網(wǎng)格的初始參數(shù)，引入車身剛度分析中。結(jié)果表明：考慮成形因素后，仿真分析所得的車門結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在扭轉(zhuǎn)剛度、最大應(yīng)力值和最大位移量處均存在明顯差異，其中應(yīng)力成形因素影響最大，最大應(yīng)力值及扭轉(zhuǎn)剛度分別激增186%和17.7%，最大位移量下降17.7%；而厚度成形因素影響最小，幾乎微乎其微。

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[3] 魯守釗. 成形工藝對(duì)復(fù)合強(qiáng)度S型結(jié)構(gòu)件碰撞特性的影響[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2014．

[4] 程林. 板料沖壓成形力學(xué)性能變化對(duì)車門結(jié)構(gòu)性能的影響研究[D]. 揚(yáng)州: 揚(yáng)州大學(xué), 2018.

[5] 范瑞麟.考慮沖壓歷史的高強(qiáng)度鋼汽車結(jié)構(gòu)件沖擊特性研究[D].上海: 上海交通大學(xué), 2009.

[6] 張雷順, 土俊林, 祝彥知, 等. 彈性力學(xué)及有限元單元法[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 2005: 8–12.

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Influence of Sheet Metal Forming Factor on Door Stiffness Mechanical Properties

YAO Fang, CHENG Lin, ZHANG Ting-ting

（College of Mechanical and Automotive Engineering, Chuzhou Polytechnic, Chuzhou Anhui 239000, China）

Considering the influence of the mechanical properties of the panel on the door structure performance during stamping, a complete finite element model is established based on the right front door panel of a certain vehicle.Taking LS-DYNA as the solver, the sheet metal forming process is simulated and analyzed. The information of grid, residual stress, thickness and plastic strain after sheet metal forming is mapped to the new grid by LS-PREPOST software as the initial parameters of the grid, the maximum displacement, maximum strain and torsional stiffness of the door under different working conditions are finally obtained. The results show that: after considering the forming factor, there are significant differences in the maximum displacement, maximum stress and torsional stiffness of the door structure, in which the stress factor has the largest influence, the maximum stress and torsion stiffness increased by 186% and 17.7% .

door structural performance; sheet metal stamping simulation; forming factor

2022-03-03

安徽高等學(xué)校自然科學(xué)項(xiàng)目（YJY-2020-23，YJY-2021-03）

姚芳（1987—），女，安徽桐城人，講師，碩士，研究方向：測(cè)量學(xué)、仿真學(xué)。

TH123.4；U463.83

A

2095-9249（2022）03-0037-04

〔責(zé)任編校：陳楠楠〕