曲面扁殼類汽車覆蓋件剛度的控制機制研究

趙立紅，江樹勇，邢忠文，張艷秋

(1.哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，哈爾濱150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱150001)

曲面扁殼類汽車覆蓋件剛度的控制機制研究

趙立紅1，江樹勇1，邢忠文2，張艷秋1

(1.哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，哈爾濱150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱150001)

為有效控制和提高汽車覆蓋件的剛度，以能夠代表汽車覆蓋件曲面特點的柱面扁殼件和雙曲扁殼件為研究對象，采用數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的方法，深入分析零件在成形過程中拉深筋、拉深深度及壓邊力對剛度的影響規(guī)律，并通過分析扁殼件成形后應(yīng)力應(yīng)變分布特點，揭示工藝條件對剛度的影響機制.研究表明:剛度隨著壓邊力的增大而增大，增設(shè)拉深筋有助于提高曲面扁殼件的剛度;剛度隨著拉深深度的增加而增大;工藝條件的改變可以增大塑性應(yīng)變量，減少殘余應(yīng)力，并減少回彈，提高剛度.

汽車覆蓋件;剛度;壓邊力;拉深筋

隨著生態(tài)環(huán)境惡化和以原油為代表的能源材料的緊缺，與之密切相關(guān)的汽車輕量化技術(shù)已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要研究課題之一.隨之而來，對汽車覆蓋件板材的使用性能也提出了更高的要求，使汽車覆蓋件的剛度問題越來越受到關(guān)注.開展汽車覆蓋件剛度的控制機制研究，對進(jìn)一步推動國產(chǎn)汽車用鋼板的開發(fā)和利用，提高其市場競爭力，振興鋼鐵和汽車工業(yè)，是一項必不可少的基礎(chǔ)性研究工作，具有重要的實際應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義.

在控制與提高汽車覆蓋件剛度的研究中，成形時工藝條件的改變對覆蓋件的剛度有重要影響，它包括設(shè)置拉深筋、改變壓邊力、改變潤滑條件及改變拉深深度等方法［1-5］.為此，本研究通過大量數(shù)值模擬及試驗結(jié)果，分析總結(jié)成形工藝條件，即拉深筋、拉深深度及變化的壓邊力對剛度的影響規(guī)律，深入分析工藝條件對剛度的影響機理.

1 剛度試驗與數(shù)值模擬

1.1 材 料

本次研究采用3種不同厚度的材料，材料性能參數(shù)如表1所示.

表1 試驗與數(shù)值模擬材料性能參數(shù)

1.2 試驗與數(shù)值模擬模型

覆蓋件由于其形狀非常復(fù)雜，尺寸較大，變形不易控制，因此，針對實物研究剛度十分困難.轎車頂蓋、發(fā)罩蓋板及車門等均具有扁殼的變形特點及幾何特征，為此本文以單曲柱面扁殼件及雙曲扁殼件為模型，試驗研究剛度問題.

1.2.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

扁殼件矩形毛坯尺寸為350 mm×250 mm.為了改變零件突緣部分的阻力，試驗中凹模共設(shè)計了兩套，一套不帶拉深筋;一套為了增加進(jìn)料阻力，改變成形件的變形程度，在凹模的壓料面上設(shè)置拉深筋.帶有拉深筋的柱面扁殼成形件如圖1所示.

圖1 帶拉深筋扁殼件

變化的壓邊力通過雙動薄板拉伸液壓機獲得，該液壓機可實現(xiàn)壓邊力的無級調(diào)節(jié).剛度測試是在覆蓋件處于彈性變形范疇內(nèi)進(jìn)行的.剛度測試時，取壓頭開始對試件加壓至試件產(chǎn)生0.3 mm (±0.01 mm)左右位移量的這一段曲線，再取該線段初始點的斜率值，即為覆蓋件的剛度，定義為K0［6］.剛度測試裝置如圖2所示.

圖2 剛度測試儀測量汽車覆蓋件剛度

1.2.2 數(shù)值模擬模型

對剛度加載測試過程的模擬需要3個過程完成.首先為金屬板材的成形分析，然后對卸載回彈進(jìn)行預(yù)測，最后進(jìn)行剛度加載測試的模擬，其中，卸載回彈及剛度模擬分別建立在前一個模擬結(jié)果之上［7］.回彈對剛度的影響是不容忽視的，覆蓋件在沖壓成形及卸載后，其形狀會偏離凸模型面而產(chǎn)生表面形狀精度的改變［8-9］，卸載后由于殘余應(yīng)力而引發(fā)的變形及力學(xué)特點繼而影響到反映汽車覆蓋件使用性能的剛度特性［10］.雙曲扁殼件成形時的有限元模擬結(jié)果如圖3所示.剛度測試的數(shù)值模擬如圖4所示.模擬時，壓頭的尺寸也與試驗一致，其直徑為20 mm，加載步數(shù)為30，壓頭加載位移設(shè)定為0.3 mm［6］.

圖3 雙曲扁殼件成形結(jié)束時的Z向位移分布

圖4 剛度測試的數(shù)值模擬

2 試驗結(jié)果

成形工藝條件的變化主要包括，有、無拉深筋、調(diào)整壓邊力以及調(diào)整成形深度.

2.1 拉深筋對剛度的影響

試件材料為1#件，柱面扁殼成形件，其曲率半徑為R=900 mm，拉深成形時壓邊力為320 kN，成形后拉伸深度15.3 mm.分別在無拉深筋和設(shè)置拉深筋情況下，獲得其剛度K0值［6］，如圖5所示，其中，帶拉深筋選取兩個試件.由圖5可知，無拉深筋剛度值為86.5 N/mm，小于另外兩個帶拉深筋試件的剛度(k=90.7 N/mm)，可見，增設(shè)拉深筋可以提高成形件的剛度.

圖5 拉深筋對剛度的影響

2.2 壓邊力對剛度的影響

試件材料為3#件，雙曲扁殼件，雙曲弧高為6 mm，成形時的壓邊力(BHF)分別設(shè)置為80，160，240，360，440，540和600 kN后，經(jīng)剛度測試試驗獲得剛度K0值.壓邊力與剛度的關(guān)系如圖6所示，可以看出，隨著壓邊力的增加，剛度呈顯著上升趨勢.

圖6 壓邊力與剛度的關(guān)系

2.3 拉深深度對剛度的影響

為探討拉深深度對剛度的影響，取板厚0.6 mm的1#材料柱面扁殼件，拉深成形為不同深度的試件，拉深深度分別為11.1、13.8、15.3和18.9 mm.在試件中心處加載進(jìn)行剛度測試，獲得以上各拉深深度的剛度K0值，由此得出拉深深度與剛度的關(guān)系，如表2所示.由表2可知，隨著拉深深度的增加，剛度增大.

表2 拉深深度與剛度的關(guān)系

3 剛度影響機制研究

采用數(shù)值模擬方法分析在不同成形工藝條件下，扁殼件的應(yīng)力應(yīng)變分布特點及其對剛度的影響機制.圖7為3#材料的雙曲扁殼件，數(shù)值模擬得出的在壓邊力(BHF)分別為24和480 kN下成形結(jié)束時的塑性應(yīng)變分布情況.由圖7可以看出，壓邊力增大，塑性應(yīng)變值也增大.

圖7 不同壓邊力下的塑性應(yīng)變分布

圖8為2#材料在不同壓邊力下成形時的柱面扁殼件，由數(shù)值模擬結(jié)果中提取的沿X軸(曲面方向(Y=0))的試件各節(jié)點的等效應(yīng)變值.由圖8可見，壓邊力越大，其塑性應(yīng)變也越大;壓邊力越小，塑性應(yīng)變越小.而由圖6的結(jié)果，剛度隨壓邊力的增大而增大，可見，增大變形量對提高剛度有利.

扁殼件卸載回彈后，板材內(nèi)部存在殘余應(yīng)力.圖9為2#材料試件卸載后節(jié)點沿Y軸柱面方向(X=0)第二殘余主應(yīng)力的分布情況.

圖8 壓邊力變化時，回彈前后沿X軸等效應(yīng)變分布

圖9 扁殼件卸載后殘余主應(yīng)力方向

圖10為成形時壓邊力分別為128和320 kN的2#材料柱面扁殼件，由數(shù)值模擬結(jié)果中提取的扁殼件內(nèi)、外表面沿柱面方向(X=0)各節(jié)點在卸載后的第二殘余主應(yīng)力σc2的數(shù)值.由圖10可知，對于壓邊力為128 kN的試件，其內(nèi)表面與外表面殘余應(yīng)力絕對值大小為兩頭大中間小，分布不均勻，且內(nèi)表面沿柱面各個位置的殘余壓應(yīng)力絕對值要大于外表面的殘余應(yīng)力值.當(dāng)壓邊力為320 kN時，內(nèi)表面的殘余壓應(yīng)力減小，且趨于均勻.壓邊力為128 kN時，由于不均勻殘余壓應(yīng)力相對較大，更容易引起沿柱面方向的面畸變(即呈M型)，即使尚未引起面畸變，當(dāng)壓頭在其中心加壓時，更易引起失穩(wěn)，即所需壓力越小，剛度越小.因此，BHF128 kN剛度較小，而BHF320 kN剛度較大.

圖11為2#柱面扁殼件，成形卸載回彈后，沿X軸(曲面方向(Y=0))分別在l為30、60、90和110 mm處得出的不同壓邊力下的回彈值Δhx.由圖11可以看出，沿曲面方向每段長度的回彈量，隨著壓邊力的增加，其回彈值都在減小.而且，沿曲面中心向外，隨著壓邊力的增加，回彈量減少的趨勢越來越明顯.由X軸中心向外，距中心越近，回彈量變化越不明顯，而距中心最遠(yuǎn)處的 l= 110 mm處，其回彈的變化量最大.由此，沿曲面方向回彈越小，曲率半徑越小(形狀越凸)，其抗彎能力越強，對扁殼件中心進(jìn)行剛度加載變形時，所需載荷增大，因而剛度較大.

圖10 壓邊力不同沿柱面方向(X=0)卸載后第二殘余主應(yīng)力(σc2)分布

圖11 回彈與壓邊力的關(guān)系

同時，在不同壓邊力下，分析扁殼件厚度減薄率的變化情況，厚度減薄分布如圖12(a)所示.厚度減薄率定義為成形后厚度的變化量(原始厚度與成形結(jié)束時厚度之差)與原始厚度的比率.對于2#件柱面扁殼件，提取了壓邊力分別為128和320 kN時，沿X軸方向曲面中心附近八個節(jié)點的減薄率，兩種壓邊力下的厚度減薄率的分布如圖12(b)所示，可以看出壓邊力增大，板料厚度減薄率也大.

圖12 成形后扁殼件的厚度減薄量分布

由上述試驗與數(shù)值模擬結(jié)果可知，成形工藝條件中，增大壓邊力、增加成形時的拉深深度和增設(shè)拉深筋等均可提高扁殼件的剛度(圖5，圖6和表2).同時，成形工藝條件的這種改變還會引起扁殼件成形后的塑性變形量的增大，殘余應(yīng)力減小且更趨均勻，成形后回彈量的減小以及板材厚度的減薄.

通常，板料厚度是影響剛度的非常重要的因素，隨著試件板料厚度的增加剛度增加，板料厚度越大，試件的剛度值也越大，反之，剛度值會隨著板料的厚度減薄而逐漸變小.而此項研究表明，壓邊力的增大雖使板材的厚度減薄率增大(圖12)，即減少了板材的厚度，但剛度值卻得到增加.增大壓邊力，增設(shè)拉深筋以及提高拉深深度，均使板料的塑性應(yīng)變量增大(圖7，8)，并導(dǎo)致加工硬化現(xiàn)象的出現(xiàn)，這種加工硬化最終會使零件本身的變形抗力增大，零件形狀凍結(jié)性也會提高，最終使剛度值增大.同時，壓邊力的增大，會使扁殼件在成形卸載后的殘余應(yīng)力減少，且分布更趨于均勻(圖10)，這也會引起剛度值的增加.壓邊力的增大，還會使回彈量減少，而回彈量減少會使扁殼件曲率增大，同樣會使剛度增大.而扁殼件自身的平緩曲面的特點，其成形時的拉深深度不是很大，屬淺拉深成形件，因而在增設(shè)拉深筋、加大壓邊力及加大拉深深度等工藝條件后，雖增大了成形件的變形量，但其中心點處的厚度減薄量卻很小.因此，壓邊力增加引起的回彈量的減少及變形量的增加而導(dǎo)致的試件的成形均勻性的提高對剛度提高的貢獻(xiàn)大于厚度減薄的影響.

由此表明，在成形過程中，改變進(jìn)料阻力，增加試件的變形量，提高成形均勻性能夠減少回彈.在提高汽車輕量化的發(fā)展背景下，在汽車覆蓋件成形過程中，可通過調(diào)整這些工藝參數(shù)，在保證試件在拉深成形過程不致破裂的最佳成形量為原則，適宜的調(diào)整拉深筋的尺寸與深度、適當(dāng)增大壓邊力、增加拉深深度等，均能有效控制和提高汽車覆蓋件的剛度.

4 結(jié)論

成形工藝條件的改變對剛度有重要影響:剛度隨著壓邊力的增大而增大，增大壓邊力對提高曲面扁殼件的剛度效果顯著.增設(shè)拉深筋有助于提高試件的剛度.剛度隨著拉深深度的增加而增大.

揭示剛度的影響機制:成形工藝條件的改變，如增大壓邊力，增高拉深筋，增大拉深深度會使試件的塑性應(yīng)變量增大，并產(chǎn)生加工硬化，提高變形抗力，減少回彈，減少殘余應(yīng)力并使其分布更趨均勻，是提高剛度的主要因素.

［1］ LAN F，CHEN J，LIN J.A method of constructing smooth tool surfaces for FE prediction of springback in sheet metal forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，177(1):382-385.

［2］ HOLMBERG S，NEJABAT B.Numerical asessment of stiffness and dent properties of automotive exterior panels［J］.Materials＆Design，2004，25(5):361-368.

［3］ 李雪峰，李東升，周賢賓.汽車板材動態(tài)抗凹性數(shù)值模擬研究［J］.塑性工程學(xué)報，2001，8(3):45-47.LI Xue-feng，LI Dong-sheng，ZHOU Xian-bin.The numerical simulation research on auto-body panel’s dynamic dent resistance［J］.Journal of Plasticity Engineering，2001，8(3):45-47.

［4］ ZHAO L H，SUN Z Z，YANG Y Y.Experimental research on the stiffness of cylindrical shallow shell［J］.Journal of Material Processing Technology，2007，187-188:132-135.

［5］ ZHAO L H，JIANG S Y，REN Z Y.Study on the influence laws of mechanical properties on stiffness of automotive Body Panels［J］.International Journal of Modern Physics B，2009，23(6，7):1634-1639.

［6］ 趙立紅，于海平，邢忠文，等.汽車覆蓋件剛度的檢

測技術(shù)及定量評估［J］.鍛壓技術(shù)，2009，34(4): 56-60.

ZHAO Li-hong，YU Hai-ping，XING Zhong-wen，et al.Detection technology and quantitative assessment of automotive panel stiffness［J］.Foring＆Stamping Technology，2009，34(4):56-60.

［7］ 趙立紅，江樹勇，鄭玉峰，等.柱面扁殼類覆蓋件剛度的數(shù)值模擬研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2009，4 (2):227-231.ZHAO Li-hong，JIANG Shu-yong，ZHENG Yu-feng，et al.FEM numerical analysis on panel stiffness of cylindrical shallow shell of automotive body［J］.Matieral Science＆Technology，2009，4(2):227-231.

［8］ PANTHI S K，RAMAKRISHNAN N，AHMED M，et al.Finite element analysis of sheet metal bending process to predict the springback［J］.Materials and Design，2010，31(2):657-662.

［9］ NASROLLAHI V，AREZOO B.Prediction of springback in sheet metal components with holes on the bending area，using experiments，finite element and neural networks［J］.Materials and Design，2012，36:331-336.

［10］ 邢忠文，趙立紅，楊玉英.回彈對汽車覆蓋件剛度影響機制的研究［J］.機械工程學(xué)報，2008，44(5): 226-230.XING Zhong-wen，ZHAO Li-hong，YANG Yu-ying.Mechanism of springback influence on stiffness of automotive cylindrical shallow panels［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，44(5):226-230.

The control mechanism of the stiffness of automotive shallow shells

ZHAO Li-hong1，JIANG Shu-yong1，XING Zhong-wen2，ZHANG Yan-qiu1
(1.Engineering Training Centre，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China;2.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

To control and improve the stiffness of automotive body panel，a study is set up with numerical simulation and experimental approach based on cylindrical shallow shells，double-curved shallow shells，which can represent the automotive surface characteristics.The relation between forming process，such as blank holding force(BHF)，draw bead，draw depth and stiffness is obtained.The stiffness increases with the increasing of blank holding force and draw depth，and it is improved with the set of draw bead.The influence of process conditions on stiffness is revealed by analysis of stress and strain distribution characteristics of shallow shells.The plastic strain is increased and the residual stress and springback are all reduced with the changes of process condition，and the stiffness is improved.

automotive body panel;stiffness;blank holding force;draw bead

TG386 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1005-0299(2012)06-0131-05

2012-02-19.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275183);黑龍江省博士后科研啟動基金資助項目(323630303);哈爾濱工程大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項目(019860260706).

趙立紅(1968-)，女，博士，副教授;

邢忠文(1956-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

趙立紅，E-mail:Zhaolihong007@163.com.

(編輯 呂雪梅)