重卡駕駛室頂蓋沖壓仿真分析

張凱鵬

重卡駕駛室頂蓋沖壓仿真分析

張凱鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重卡駕駛室頂蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸較大，成形過程中會(huì)出現(xiàn)起皺、開裂、回彈等工藝問題，通過對(duì)板料成形過程理論和沖壓缺陷預(yù)測(cè)的理論研究，應(yīng)用AutoForm軟件，采用動(dòng)力顯式算法對(duì)零件的拉延工序進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，解決沖壓件工藝問題。

頂蓋外板；數(shù)值模擬；沖壓成形；回彈

引言

重卡駕駛室白車身的典型結(jié)構(gòu)是由側(cè)圍外板、頂蓋外板、后圍外板等大型外表面覆蓋件和內(nèi)部骨架件連接而成，受制于板料成形的復(fù)雜性、整車布置、模具制造工藝和調(diào)試水平的影響，板料沖壓過程中產(chǎn)生的起皺、變薄、開裂和回彈等缺陷的控制一直是車身制造的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。應(yīng)用板料成形數(shù)值模擬技術(shù)在開發(fā)過程中對(duì)大型表面覆蓋件進(jìn)行仿真分析，可以有效地避免沖壓缺陷、減少模具和夾具等工裝方案的反復(fù)更改，有效控制項(xiàng)目周期和開發(fā)成本，應(yīng)用Auto Form、Dyna Form等先進(jìn)數(shù)值模擬軟件能有效的對(duì)沖壓缺陷探測(cè)和分析，縮短車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具開發(fā)的周期，同時(shí)降低開發(fā)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，具有重要的工程意義。

1 沖壓成形有限元仿真理論及技術(shù)

汽車車身覆蓋件的成形過程中板料本身會(huì)發(fā)生彈性和塑性變形，整個(gè)成形過程實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)過程，變形過程多為大變形，大撓度以及大轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)沖壓過程的分析涉及材料的非線性、幾何非線性和邊界非線性等內(nèi)容，因此可以采用非線性大變形有限元控制方程對(duì)不同邊界條件下覆蓋件成形中產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)通過優(yōu)化幾何和工藝參數(shù)，最終得出較為精確的結(jié)果。

1.1 運(yùn)動(dòng)和變形的物質(zhì)描述

在對(duì)重卡駕駛室的頂蓋外板進(jìn)行沖壓仿真分析時(shí)，一般采用拉格朗日（Lagrange）方法來描述和研究板料的運(yùn)動(dòng)和變形，在連續(xù)的介質(zhì)中，將坐標(biāo)Xi定義為物質(zhì)坐標(biāo)，通過研究物質(zhì)坐標(biāo)Xi與時(shí)間t函數(shù)之間的關(guān)系來解決頂蓋外板沖壓成形的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。

1.2 屈服準(zhǔn)則

在物體受復(fù)雜應(yīng)力情況下下，某一質(zhì)點(diǎn)的六個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量是判定該質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入塑性狀態(tài)的重要依據(jù)，如果只是單一的選取某一個(gè)應(yīng)力分量，無法判定該質(zhì)點(diǎn)是否進(jìn)入塑性狀態(tài)。綜上，在應(yīng)力空間或應(yīng)變空間里來分析屈服問題顯得更加合理。材料處于彈性狀態(tài)時(shí)，材料發(fā)生屈服，應(yīng)力點(diǎn)σ在屈服面內(nèi)，屈服面的書序表達(dá)式可以用屈服準(zhǔn)則（屈服函數(shù)）進(jìn)行描述。常用的屈服準(zhǔn)則有Von.Mises準(zhǔn)則、Hill準(zhǔn)則和Barlat準(zhǔn)則等。

1.3 沖壓成形有限單元類型選擇

板料成形數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展至今，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并經(jīng)實(shí)際理論和實(shí)踐驗(yàn)證的，可以用來進(jìn)行沖壓仿真的有限元類型有薄膜單元、實(shí)體單元、殼單元三種，如圖1所示。

圖1 有限元單元

1.4 有限元計(jì)算控制方程的求解

由于覆蓋件沖壓過程屬于大變形、大位移力學(xué)過程，為了減少運(yùn)算次數(shù)，提高計(jì)算效率，可以應(yīng)用非線性大變形有限元控制方程對(duì)沖壓過程進(jìn)行分析和求解，推導(dǎo)出有限元控制方程的靜力解法和動(dòng)力顯式解法，其中有限元控制方程的靜力解法可以分為靜力顯式解法和靜力隱式解法。靜力顯式解法忽略加速度、速度的影響，同時(shí)將沖壓成形過程假設(shè)為準(zhǔn)靜力過程；動(dòng)力顯式解法受最小時(shí)間步長(zhǎng)的限制，運(yùn)算條件是穩(wěn)定的，這種算法模擬處理接觸問題時(shí)，接觸狀態(tài)變化較小，接觸問題處理起來也就更加容易，因此，可以利用最小時(shí)間步長(zhǎng)來高效地處理接觸問題。

沖壓?jiǎn)栴}是一個(gè)典型的接觸問題，重卡頂蓋外板屬于典型的大型覆蓋件，其成形過程具有很強(qiáng)的非線性，從解的精度考慮，時(shí)間不能太長(zhǎng)。動(dòng)力顯式解法受最小時(shí)間步長(zhǎng)限制，運(yùn)算條件穩(wěn)定。因此，對(duì)頂蓋外板的全工序模擬宜采用動(dòng)力顯示算法。

1.5 材料模型

板料的成形，需要在一定壓力的作用下，由沖壓工裝機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在有限元計(jì)算中，壓力直接通過參數(shù)條件設(shè)置，模具機(jī)構(gòu)（包括凸模、凹模、壓邊圈等）及板料需要有限元法建立分析模型。因?yàn)橥拱寄?、壓邊圈等模具機(jī)構(gòu)在整個(gè)沖壓成形過程中變形量非常小，所以模具機(jī)構(gòu)一般可以近似的采用剛體材料模型進(jìn)行模擬；由于在沖壓成形過程中，板料發(fā)生彈性變形、彈塑性變形、純塑性變形，因此板料一般采用彈塑體材料模型進(jìn)行模擬。

1.6 沖壓仿真的沙漏控制

動(dòng)力顯式算法即一點(diǎn)積分法，應(yīng)用于沖壓有限元數(shù)值模擬中，一點(diǎn)積分的顯式算法由于縮減了積分，單元計(jì)算時(shí)的積分點(diǎn)數(shù)少于實(shí)際積分點(diǎn)數(shù)，這樣的簡(jiǎn)化過程可以提高運(yùn)算速度，但是卻容易產(chǎn)生沙漏現(xiàn)象。

細(xì)化模型網(wǎng)格，提高有限元模型的質(zhì)量，整體采用均勻、細(xì)密的網(wǎng)格可以有效的控制沙漏現(xiàn)象。避免將載荷單獨(dú)施加在一個(gè)孤立的節(jié)點(diǎn)上，由于激活的單元把沙漏模式傳遞給相鄰單元，所以對(duì)于可能出現(xiàn)的點(diǎn)單元加載，應(yīng)盡可能的把加載分布在相鄰的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)上，這樣也可以有效的控制沙漏現(xiàn)象?？刂粕陈┑姆椒ㄟ€有：（1）采用全階積分單元公式；（2）調(diào)整模型體積粘度；（3）增加系統(tǒng)彈性剛度。

1.7 沖壓成形缺陷判斷

目前，沖壓成形的仿真和模擬分析缺陷采用的工人標(biāo)準(zhǔn)主要是成形極限圖FLD和最大減薄率。

1.7.1成形極限圖

成形極限圖FLD(Forming limit Diagram，簡(jiǎn)稱（FLD)，也稱成形極限曲線FLC(Forming Limit Curve)，用于描述板料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的變形極限。

通過試驗(yàn)手段，可以得到一種材料在板料平面內(nèi)的各種應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下的成形極限點(diǎn)，把這些點(diǎn)標(biāo)注到以對(duì)數(shù)應(yīng)變1和2（或工程應(yīng)變1和2）為坐標(biāo)軸的直角坐標(biāo)系中并連成線，就得到了材料的成形極限圖。成形極限圖將坐標(biāo)系的半平面(1＞0)被劃分為安全區(qū)、臨界區(qū)和破裂區(qū)等部分，如圖2所示。

圖2 成形極限圖FLD

成形極限圖表明，如果應(yīng)變?cè)贔LD的破裂區(qū)上，零件將發(fā)生破裂；應(yīng)變?cè)贔LD的安全區(qū)上，零件將能成形成功；應(yīng)變?cè)贔LD的臨界區(qū)上，零件將可能發(fā)生破裂。由圖可以直觀的得出工序是否能成功成形。可見，成形極限圖是一種比較直觀的判斷板料沖壓成形可行性的方法，該方法比較簡(jiǎn)單有效。

1.7.2最大減薄率

車身覆蓋件最大減板減薄率受車身部位、零件的成形特征等因素影響。一般對(duì)于車門外板、側(cè)圍外板等表面質(zhì)量、抗凹性、剛度要求比較高的部位，最大減薄率不能超過10%，對(duì)于拉延深度較深的結(jié)構(gòu)件，允許最大減薄率不超過20%。對(duì)車身總體來講，總成的最大減薄率一般不能超過6%。

2 重卡頂蓋外板沖壓成形數(shù)值模擬

2.1 頂蓋數(shù)值模擬分析的有限元建模

本文選用的模型是某重卡頂蓋外板，材料：DC06，厚度1.0mm，材料參數(shù)見表1，基本面定義為凹模面，方案模型尺寸為：1793mm×2332mm×332.5mm，材料利用率為：79.58%，我們?cè)贑ATIA軟件中建立頂蓋外板的三維模型，如圖3所示，該零件尺寸較大且沖壓深度較深，沖壓難度較大。

表1 頂蓋外板材料參數(shù)

首先，沖壓方向的確定不是隨機(jī)的，也不是固定的，應(yīng)該根據(jù)零件的形狀和工藝方案確定。合理的沖壓方向應(yīng)該使板料的成形能一次順利完成，中途不能出現(xiàn)分析中斷；成形結(jié)束后零件的形狀應(yīng)與產(chǎn)品模型一致，不能出現(xiàn)工藝不可接受的沖壓缺陷。

此次沖壓方向選擇Z軸，圖4為拉延時(shí)的負(fù)角檢查，綠色表示此區(qū)域單元的拔模角度大于6°，屬于合理區(qū)域；黃色表示該區(qū)域單元的拔模角度在1°～6°之間，屬于危險(xiǎn)區(qū)域；紅色表示該區(qū)域單元的拔模斜度小于0°，屬于嚴(yán)重的沖壓負(fù)角區(qū)域，必須調(diào)整沖壓方向，可以看出頂蓋外板不存在沖壓負(fù)角。

圖3 加長(zhǎng)平頂頂蓋外板

圖4 頂蓋外板沖壓成形負(fù)角檢查

其次，還需要對(duì)模型進(jìn)行工藝補(bǔ)償。頂蓋外板的沖壓工序設(shè)置為：拉延、切邊沖孔、修邊整形、修邊沖孔整形四序，不同的工序均需設(shè)定相應(yīng)的工藝補(bǔ)充面、壓料面，拉延工序時(shí)，壓塊和頂起部位選取頂蓋外板模型上比較平坦的面，對(duì)凹模進(jìn)行單獨(dú)的工藝補(bǔ)充，工藝補(bǔ)充的壓料面設(shè)計(jì)在CATIA中完成，先把頂蓋外板上的翻邊部分沿著相連的部分展開，然后將頂蓋外板上存在的窗口和孔洞按照其邊緣輪廓填補(bǔ)，并保證補(bǔ)充面的光順，將CATIA三維模型上的圓角進(jìn)行修正。

最后，需要確認(rèn)零件的壓料面。壓料面主要是指凹模圓角以外的那一部分，可以在CATIA軟件中設(shè)計(jì)頂蓋外板的壓料面，模型如圖5所示。

圖5 經(jīng)過壓料面補(bǔ)充的頂蓋外板三維模型

2.2 頂蓋沖壓成形仿真分析

頂蓋外板沖壓時(shí)采用接觸偏置，偏置的距離為1.0mm。對(duì)頂蓋外板的凸、凹模、壓邊圈等剛體進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的模型如圖6所示，其有限元單元數(shù)為334710個(gè)，坯料等彈塑性體有限單元數(shù)為18150個(gè)。

圖6 頂蓋外板坯料與模具有限元網(wǎng)格模型

在進(jìn)行沖壓成形的仿真分析前，需要在軟件中對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，其中主要包含：沖壓速度、壓邊力、摩擦系數(shù)、模具間隙和拉延筋。

為解決某重卡頂蓋外板起皺、開裂、材料減薄率大等工藝問題，最終確定的工藝參數(shù)如下：模具摩擦系數(shù)為0.1，模具沖壓速度為200mm/s，壓邊圈閉合速度為250mm/s，模具壓邊力1800kN。

拉延成形仿真過程中重點(diǎn)對(duì)壓邊力和拉延筋對(duì)沖壓件成形的硬性進(jìn)行模擬和分析，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，確保工藝參數(shù)設(shè)置的合理性。

第一次模擬頂蓋外板不采用拉延筋，模具的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，模具沖壓速度200mm/s，壓邊圈閉合速度為250mm/s，壓邊力符合公式（3.1）要求。

經(jīng)過計(jì)算初步設(shè)定壓邊力F為1800kN，對(duì)頂蓋外板進(jìn)行拉延分析，頂蓋外板成形極限曲線和FLD圖如圖7所示。

圖7 無拉延筋頂蓋外板成形極限曲線和FLD圖

由圖7可以看出，未設(shè)拉延筋的頂蓋外板，主體部分灰色區(qū)域范圍較大，說明成形不充分，外板周圈側(cè)壁和壓邊圈區(qū)域的藍(lán)色和紫色部分說明板料有起皺或者起皺的趨勢(shì)，外板沖壓成形后工藝曲線明顯，不能滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求。

針對(duì)頂蓋外板大面積的成形不充分和外板側(cè)面起皺問題，工藝上采用增加圓形拉延筋的方式進(jìn)行處理。設(shè)置壓邊力1800kN、摩擦系數(shù)0.15對(duì)頂蓋外板進(jìn)行成形模擬由圖8可以看出，采用等效拉延筋的頂蓋外板材料流動(dòng)順暢，零件塑性變形充分，但仍存在破裂和局部較小的起皺風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，采用局部潤滑、調(diào)整沖壓速度等措施都可以解決該問題。

圖8 有拉延筋頂蓋外板成形極限曲線和FLD圖

為了更好的對(duì)頂蓋外板的成形性能進(jìn)行分析，分別對(duì)其在拉延過程中的材料變薄和應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果進(jìn)行分析。在頂蓋外板的的側(cè)壁、拐角處零件成形終了時(shí)存在破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，同時(shí)有起皺趨勢(shì)。采用優(yōu)化模具摩擦系數(shù)的方法來解決某重卡頂蓋外板的起皺問題。

圖9 厚度變化和第一主應(yīng)變分布圖

另外優(yōu)化工藝參數(shù)后板料的厚度變化和第一主應(yīng)變分布見圖9。

對(duì)比板料沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化前后板料的三個(gè)方向接觸力發(fā)現(xiàn)，模具摩擦力減小后，板料與模具接觸力相應(yīng)減小，可有效改善沖壓條件。

優(yōu)化了頂蓋外板工藝參數(shù)后，沖壓成形終了時(shí)消除了破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，對(duì)于零件側(cè)壁，法蘭面周圈區(qū)域的起皺趨勢(shì)也得到改善。側(cè)壁、法蘭面周圈區(qū)域的起皺的局部起皺風(fēng)險(xiǎn)區(qū)較小，起皺趨勢(shì)不明顯，在切邊工序可以將大部分起皺法蘭面切除，對(duì)于切邊工序未完全消除的零件側(cè)壁上的部分起皺，可以通過整形工序予以消除；綜上，優(yōu)化沖壓工藝參數(shù)后，頂蓋外板成形情況基本滿足設(shè)計(jì)和工藝要求。

3 結(jié)束語

重卡的頂蓋外板屬于典型的白車身大型外覆蓋件，對(duì)零部件表面質(zhì)量要求較高，由于其尺寸較大且沖壓深度較深，因此其沖壓過程控制難度較大，若采用傳統(tǒng)方法可能需要反復(fù)修模才能達(dá)到精度要求，采用數(shù)值模擬的方法，在CATIA和Auto Form軟件中進(jìn)行建模和沖壓過程進(jìn)行仿真分析，針對(duì)回彈問題給出了優(yōu)化建議，通過實(shí)際產(chǎn)品驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方法有效，極大的降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本和周期。

[1] 胡世光,陳鶴崢,李東升,等.冷壓成形的工程解析.第二版.[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

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Rebound of Stamping Forming of Roof Cap of Heavy Truck

Zhang Kaipeng

（ShaanXi Heavy-duty Automobile Co., LtD, Shaanxi Xi'an 710200）

The Roof Cap of Heavy truck has complex structure and large size, so corrugation, crack and rebound may occur in theforming process.This paper researches on the theory of molding of sheet metal and the prediction of disfigurement, and use Autoform software to simulate theforming processthat based on the dynamic display algorithm. At the same time, by adjusting the process parameters, the stamping process problem was solved.

roof outer plate; numerical simulation;stamping; springback

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張凱鵬（1977-），就職于陜西重型汽車有限公司。

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