汽車骨架矩形管大角度彎曲時(shí)質(zhì)量損傷的仿真研究

文／王翠竹·四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代制造學(xué)院基金資助：2023 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院-不同材料的異型管彎曲成形質(zhì)量的研究（編號(hào)(2023C16)

矩形管件的繞彎成形及質(zhì)量缺陷

將金屬薄壁矩形管坯放入彎管機(jī)中，其頭部由夾塊和鑲塊同時(shí)夾緊。管坯外部由壓塊、防皺塊支撐，內(nèi)部由芯棒和芯頭支撐，管坯則以彎曲模角速度ω 同步轉(zhuǎn)動(dòng)，繞彎到所規(guī)定的彎曲角α。

為了討論此彎管質(zhì)量缺陷清楚起見(jiàn)，定義管件彎曲段任一橫截面上的寬度擴(kuò)展率λ=w1/w0-1；徑向截面上中面高度縮減率η=1-h1/h0；局部壁厚減薄率Δ=1-t1/t0；式中，w0、h0、t0分別為管件的寬度、高度和壁厚，w1、h1、t1分別為管件彎曲段在該徑向截面上的最大寬度、中面高度與最小壁厚，如圖1 所示。

圖1 管件彎曲段截面畸變的一般形式

參數(shù)設(shè)置與仿真模型

管坯的材料及其尺寸參數(shù)

JAC590Y 為汽車車身結(jié)構(gòu)中常用的一種高強(qiáng)鋼材料，其屈服強(qiáng)度為395MPa，抗拉強(qiáng)度為615MPa，密度為7850kg·m-3，泊松比為0.28。由于Dynaform 軟件中自帶JAC590Y 材料數(shù)據(jù)，在繞彎成形中，可將其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系擬合為σ=1033ε0.204。

有限元模型

在Dynaform 軟件平臺(tái)上構(gòu)建如圖2 所示的三維有限元模型。

不同彎厚比對(duì)截面畸變的影響

選定管坯尺寸截面寬度w0為40mm，截面高度h0為30mm，管件彎曲半徑R 為120mm，對(duì)4 種壁厚分別為1mm、1.5mm、2mm、2.5mm(即彎厚比R/t0為120、80、60、48)的矩形管進(jìn)行彎曲180°成形數(shù)值模擬，研究其對(duì)寬度擴(kuò)展率λ、中面高度縮減率η、壁厚減薄率Δ1和底板皺波(用曲率值大小表示起皺程度)等的影響規(guī)律。

R/t0 對(duì)彎曲段λ 的影響

圖3 為4 種不同彎厚比下對(duì)矩形管進(jìn)行180°彎曲成形后其側(cè)板沿寬度方向的位移云圖，可以直觀看出，當(dāng)R/t0=120 時(shí)，管坯彎曲段在截面角φ=100°～150°區(qū)間里出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，這時(shí)兩側(cè)板寬度方向位移最大可達(dá)3.8mm，并根據(jù)寬度擴(kuò)展率λ=w1/w0-1 公式算出，λmax已接近20%，其他三種工況同樣能得出λmax數(shù)值，基本保持在5%左右。觀察當(dāng)R/t0=120 時(shí)，λmax值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三種工況，根據(jù)矩形管材料屬性，此時(shí)所得彎曲成形管件不合格。

R/t0 對(duì)彎曲段Δ1 的影響

圖4 為4 種彎厚比下對(duì)矩形管進(jìn)行180°彎曲成形后的壁厚減薄率云圖。由圖可以看出，管坯壁厚減薄的最大位置均在兩側(cè)板與頂板的交角處，當(dāng)R/t0＝120 時(shí)，管件表面呈現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象，這時(shí)的壁厚減薄率已達(dá)到32%，已是不合格的管件。因此，在圖5 中只考慮彎厚比為80、60、48 這三種工況，得出規(guī)律曲線。從圖中可以看出，這3 種壁厚彎管件的壁厚減薄率均在截面角φ約為20°時(shí)最大；而當(dāng)φ>20°后，壁厚減薄率隨著截面角增大都有減小趨勢(shì)且規(guī)律基本一致，彎厚比越小其壁厚減薄率數(shù)值也越小。彎厚比R/t0在由80 到60 的過(guò)程中，最大壁厚減薄率幾乎沒(méi)有變化，但從60 減小到48 時(shí)，矩形管中最大壁厚減薄率急速下降。此時(shí)，矩形管的壁厚大小因素對(duì)其壁厚減薄有很大影響。

圖4 4 種彎厚比下矩形管的壁厚減薄率云圖

圖5 壁厚減薄率Δ1 與截面角φ 的關(guān)系曲線

R/t0 對(duì)彎曲段η 的影響

由圖3、圖4 可知，彎厚比R/t0為120 時(shí)，彎制出的管件為不合格產(chǎn)品，對(duì)此以下討論中面高度縮減率η 時(shí)不考慮此值，由此繪出圖6 所示規(guī)律曲線圖，觀察得出：3 種彎厚比情況下，中面高度縮減率η均在彎曲段截面角φ處于30°～150°區(qū)間保持穩(wěn)定，當(dāng)彎厚比R/t0為60 時(shí)，ηmax下降到10%左右，隨著彎厚比R/t0小于60 之后，彎厚比R/t0減小，而ηmax變化不大。

圖6 高度縮減率η 與截面角φ 的關(guān)系曲線

R/h0 對(duì)彎曲段底板起皺的影響

圖7 為管坯3 種彎厚比下彎曲180°時(shí)，其底板在縱向?qū)ΨQ截面上的理論曲率曲線與實(shí)際曲率曲線，此時(shí)理論曲率半徑Rb=105mm，而理論曲率值約為0.0095mm-1。由圖所示，在三種工況下，均在截面角φ在40°～120°區(qū)間上下波動(dòng)范圍不大，而在截面角φ在0°～30°和130°～170°兩頭波動(dòng)較大，并且當(dāng)彎厚比R/t0為80時(shí)，曲率值波動(dòng)幅度較大，此時(shí)彎制合格管件壁厚最小，彎曲段前段和后段起皺程度較大。由此看來(lái)，管坯壁厚大小對(duì)其本身起皺程度有較大影響。

圖7 3 種管件底板的縱向曲率

結(jié)論

⑴高強(qiáng)鋼矩形管彎曲成形中，壁厚大小的取值對(duì)管坯的截面畸變影響很大。其中當(dāng)彎厚比R/t0＜60時(shí)，ηmax與Δmax的數(shù)值變化較大，此工藝參數(shù)是管坯繞彎成形的臨界值。

⑵彎厚比R/t0為120 時(shí)，彎制出不合格成品件。在合格成品件里，彎厚比R/t0為80 與彎厚比R/t0為60 和48 時(shí)，其截面畸變程度和底板起皺相差較大。而彎厚比R/t0為60 和48 時(shí)，畸變程度相差不大。在實(shí)際加工中，應(yīng)盡量選擇管坯厚度為2mm。

⑶無(wú)論彎厚比的大小，截面畸變規(guī)律(中面高度縮減率η、壁厚減薄率Δ1)和底板的曲率值基本一致，只是相差于畸變程度。截面角φ在50°～140°區(qū)間，中面高度縮減率η 都處于穩(wěn)定趨勢(shì)，壁厚減薄率Δ1呈逐漸減小趨勢(shì)，并且其最大值均在截面角φ為20°時(shí)。