A立柱加強板拉延成形數(shù)值模擬分析及優(yōu)化

陳元芳，謝 丁，代璐蔚，洪 標，宋 霞，徐艷如，孫開成

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054；2.模具技術重慶市重點實驗室， 重慶 400054)

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A立柱加強板拉延成形數(shù)值模擬分析及優(yōu)化

陳元芳1,2，謝 丁1，代璐蔚1，洪 標1，宋 霞1，徐艷如1，孫開成1

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054；2.模具技術重慶市重點實驗室， 重慶 400054)

利用AutoForm軟件對汽車A立柱內板上部加強板拉延工藝進行了模擬分析。在拉延成形后獲得零件成形極限圖和減薄率云圖。結果表明：零件存在開裂和起皺的缺陷。通過優(yōu)化零件結構使零件減薄率在標準范圍內。同時采用正交試驗優(yōu)化了工藝參數(shù)，獲得了性能更優(yōu)的產(chǎn)品。

拉延成形；A立柱上部加強板；AutoForm；正交試驗

隨著汽車行業(yè)對汽車輕量化、低能耗的要求，高強板已經(jīng)廣泛應用在汽車車身結構件中。高強板在保證材料強度和剛度的同時有效減少了材料的厚度，充分降低了材料的質量。但是由于高強板的成形性能不佳，采用高強板的零件在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)缺陷，所以在生產(chǎn)前對零件進行模擬分析，可以有效避免缺陷產(chǎn)生，減少試模周期，降低生產(chǎn)成本[1-3]。

A立柱加強件是車身上部重要的結構件。該結構件上部連接著頂蓋和前車窗，下部連接著前門，同時與B立柱搭接?？紤]到除自身的強度外還承受了頂蓋和前門的壓力，為了保證整車的強度，所以選用了高強板B340-590DP。由于該材料強度高、塑性差，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了大量開裂和起皺等成形缺陷。為了減少試模時間，對A立柱加強件進行了有限元模擬分析，期望找到產(chǎn)品成形缺陷部位及產(chǎn)生的原因，用以指導生產(chǎn)。

本文用Autoform軟件對其沖壓工藝進行了模擬，主要分析了拉延過程中出現(xiàn)起皺、破裂等質量缺陷的原因，并對工藝進行了優(yōu)化，保證零件能順利成形，并具有良好的性能。

1 A立柱加強板的沖壓工藝分析

A立柱加強件的外形尺寸為1 870 mm×508 mm×102 mm，材料厚度為1.5 mm。A立柱加強件的結構特點是：零件截面復雜，成形深度存在很大的起伏；零件上分布共36個孔，且沖孔方向不一致。為了滿足零件的強度和剛度的要求，必須使用高屈服強度和抗拉強度的高強板，但增加了工藝上的難度。A立柱加強板三維模型如圖1所示，B340-590DP化學成分和力學性能如表1、2所示[4]。

圖1 A立柱加強板三維模型

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表2 B340-590DP材料性能參數(shù)

屈服強度/MPa抗拉強度/MPa硬化指數(shù)泊松比彈性模量/(N·mm-2)厚向異性指數(shù)378650．40．160．32．1×1050．888

本產(chǎn)品結構復雜，需分為4個工序成形：① 工序為拉延。因拉延工藝能有效提高材料的強度，所以零件盡可能在拉延工序中成形。② 正修邊加正沖孔。在沖壓方向上20°以內的角度上的修邊可以采用正修邊。在沖壓方向上，沖孔角度大于85°的孔，沖孔角度相差小于10°可以正沖孔。③ 側修邊、側沖孔和正沖孔。利用斜楔將修邊角度大于20°的板料去除。④ 整形加正沖孔[5]。工程計劃如圖2所示。

圖2 工程計劃

2 A立柱加強板拉延模型預處理

2.1 確定拉延方向

產(chǎn)品的拉延方向需滿足此方向拉延深度均勻，零件各部分無負角出現(xiàn)。因本產(chǎn)品孔特征較多，需盡量使拉延方向的孔能夠正沖，以減少工序。拉延方向如圖3所示。

圖3 拉延方向

2.2 確定拉延筋

拉延筋主要是通過阻止材料流動來調節(jié)進料速度，可有效控制產(chǎn)品成形缺陷[6]。本文選用等效拉延筋進行模擬。A立柱加強板拉延筋如圖4所示。

圖4 拉延筋參數(shù)

2.3 確定壓料面

壓料面應接近光順，盡量隨產(chǎn)品的形狀做到拉延深度均勻，拉延深度為79 mm。A立柱加強板壓料面如圖5所示。

圖5 壓料面

3 模擬結果分析及優(yōu)化

Autoform是采用靜態(tài)隱式算法的彈塑性有限元分析軟件，采用的是三角形網(wǎng)格。Autoform結合了CAD設計和CAE分析，相對于其他沖壓分析軟件具有更強大的建模能力。Autoform有膜單元和殼單元，其中膜單元有3個自由度，而殼單元有5個自由度，計算結果更為準確。本文使用的殼單元進行模擬。

接下來通過工藝生成器(Process generator)選擇Incremental的模擬類型。采用單動拉延工藝(Single action draw),板料厚度為1.5 mm。在Blank中導入板料形狀，板料放在壓料面上，后導入材料D340-590DP。檢查生成的凹模、凸模和壓料板。凹模的工作方向為Z方向，移動距離為500 mm，工具體為剛性。在Lube中設置摩擦力為標準常量0.15。在Process中對物體重力、壓邊和拉延過程的工具體進行激活，同時設置壓邊力為80 t。Control中設置計算的精確度，采用默認的標準。Autoform采用的三角形網(wǎng)格單元，可對三角形的角度和Radius pentration進行輸入，可調整網(wǎng)格的大小。最后選擇殼單元(Elastic plastic shell)進行模擬[7]。模具工具體有限元模型如圖6所示。

3.1 模擬結果和分析

零件的前處理設置完畢后進行后處理模擬，初次拉延成形極限圖和減薄率云圖如圖8、9所示。從成形極限云圖可以看出：A區(qū)域呈紅色有較大的破裂風險，同時從減薄率云圖可以看到A區(qū)域最大減薄率為-0.237，小于了高強板減薄率-0.180的標準[8]；B區(qū)域在成形極限云圖中呈紫色，有起皺的趨勢，對應減薄率為0.062，大于了0.050的標準；C區(qū)域在成形極限圖中呈黃色，有破裂的趨勢，且減薄率達到了-0.197；D區(qū)域有起皺的趨勢，增厚率達到了0.068 2。以上區(qū)域在拉延成型中有開裂和起皺的風險，需對零件區(qū)域進行分析優(yōu)化。

圖7 成形極限曲線

圖8 成形極限圖

圖9 減薄率云圖

針對零件出現(xiàn)的缺陷對零件進行分析[9]。從圖8中看出：A處存在開裂風險，F(xiàn)LD圖有紅色破裂區(qū)域，最大減薄率為-0.206，受到雙向拉應力的作用，且側壁圓角過小，變形比較集中，材料流動受阻導致開裂。將側壁圓角放大，在進行球化使材料能順暢流動，改善成形性能。B處呈紫色存在起皺風險，最大增厚率達到0.062，屬于壓縮力引起的起皺。將該平面降低3 mm，使材料得到充分拉深。C處FLD圖為安全區(qū)域，但變薄率超過了-0.180，有拉裂的風險，是由于材料拉延深度過大，變形較為急促，使材料流動過快導致開裂。將圖示處R角加大，使過渡平緩，減緩材料流動。D處存在較大起皺風險，材料從C處流動到D處后造成堆積導致起皺，因D處平面有孔不能加吸皺特征，故沿Z軸抬高C與D過渡區(qū)域4 mm，增加拉延深度使材料充分成形。

3.2 優(yōu)化后的模擬結果和分析

對優(yōu)化后的結果(圖10～12)和初次模擬結果進行對比，可見零件開裂起皺的風險得到了改善，最小的減薄率為-0.178，最大的增厚率為0.041。符合料厚1.5 mm的高強板減薄率-0.18～0.05的要求。

圖10 優(yōu)化后成形極限曲線

圖11 優(yōu)化后成形極限圖

圖12 優(yōu)化后減薄率云圖

4 工藝參數(shù)優(yōu)化

4.1 正交試驗方案

為獲得最佳工藝參數(shù)，選取了壓邊力、摩擦因數(shù)、缺陷集中區(qū)域的等效拉延筋這3個重要的工藝參數(shù)進行正交試驗。選用3因素3水平的正交表。利用Autoform進行仿真優(yōu)化。正交試驗采用的工藝參數(shù)方案見表3。

表3 正交試驗方案

4.2 正交試驗結果分析

文獻[10]將最小減薄率和最大增厚率作為判斷依據(jù)，綜合評價指標Y=最小減薄率+最大增厚率。對上述方案進行模擬驗證。本實驗中正交試驗結果如表4所示，因素水平與指標Y之間的效應曲線圖如圖13所示。

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)和圖13的效應曲線圖可知：各因素水平對零件的影響順序是拉延筋>壓邊力>摩擦因數(shù)，這3因素中拉延筋對成形質量的影響最大，隨著拉延筋的增大，綜合評價指標Y逐漸增大，其他兩個影響因子對指標Y的影響都是先降低后增大。綜合考慮最佳的參數(shù)組合為:壓邊力為80 kN，摩擦因數(shù)為 0.14，拉延筋為0.15。以這組參數(shù)進行模擬，成形極限圖和減薄率云圖如圖15、16所示。從圖中可以看出：零件成形質量良好，沒有缺陷產(chǎn)生，其最大減薄率為-0.170，最大增厚率為0.046 4，較優(yōu)化前有明顯改善，其綜合性能提高較大。實驗結果表明該最優(yōu)解的組合是合理的。

表4 正交試驗結果

注：Ki1、Ki2、Ki3分別表示i水平所對應的綜合指標的均值，R表示極差。

圖13 因素水平與Y之間的效應曲線

圖14 成形極限曲線

圖15 成形極限圖

圖16 減薄率云圖

5 結束語

運用autoform對A立柱加強板進行了拉延模擬分析，對零件所存在的開裂和起皺等缺陷進行了優(yōu)化，使零件成形極限圖沒有開裂的區(qū)域，同時減薄率在-0.18～0.05范圍內。

選用3因素3水平的正交表對A立柱加強板的拉延筋、壓邊力和摩擦因數(shù)3個工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。試驗結果表明：正交試驗可減少試驗次數(shù)，節(jié)省試模時間，提高生產(chǎn)效率。

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(責任編輯 劉 舸)

Study on Numerical Simulation of Draw Forming Process for A-Pillar Reinforced Panel

CHEN Yuan-fang1,2, XIE Ding1, DAI Lu-wei1， HONG Biao1，SONG Xia1, XU Yan-ru1, SUN Kai-cheng1

(1.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China； 2.Chongqing Key Laboratory of Mould Technology, Chongqing 400054, China)

The drawing process of A-pillar inner panel upper reinforced panel are simulated and analyzed by AutoForm software. The forming limit diagram and thinning diagram are obtained after drawing. Cracking and wrinkling present serious obstacles of the parts. The structure is optimized to control the thinning rate of parts. The process parameters are optimized through the orthogonal experiment to obtain better performance.

drawing; upper reinforcing plate of A column; AutoForm; orthogonal experiment

2017-02-16

重慶市科委重大項目(cstc2013-yykfc6004)

陳元芳(1968—),女,重慶人,碩士,教授,主要從事材料特種成型工藝及數(shù)字化模擬研究，E-mail:cqitcyf@qq.com。

陳元芳，謝丁，代璐蔚，等.A立柱加強板拉延成形數(shù)值模擬分析及優(yōu)化[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(6):41-46.

format：CHEN Yuan-fang, XIE Ding, DAI Lu-wei，et al.Study on Numerical Simulation of Draw Forming Process for A-Pillar Reinforced Panel[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(6):41-46.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.06.006

U463;TG386.1

A

1674-8425(2017)06-0041-06