某車型加強梁成形仿真分析*

劉邦雄

（景德鎮(zhèn)學(xué)院機械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

汽車加強梁的作用是加強車輛的防碰撞能力，提高整車安全性能[1-3]。目前加強梁的制造采用沖壓、焊接的方式，具體工藝步驟是先把加強梁的上下兩個半殼采用沖壓的方式?jīng)_壓成形，然后再通過焊接的方式，把上下兩個半殼焊接在一起。采用先沖壓后焊接的方式制造的加強梁生產(chǎn)周期長、工序多、模具費用高，且焊接時在交替應(yīng)力作用下容易脫落，影響整車安全性能[4-6]。楊靖丞等[7]以汽車橋殼為研究對象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立網(wǎng)絡(luò)模型，將軸向位移加載量、進給時間和壓力加載時間等參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過程當(dāng)中的重要內(nèi)容，結(jié)合正交實驗的方法優(yōu)化出最優(yōu)參數(shù)，最后采用實驗驗證了準(zhǔn)確性。黃麗容等[8]針對薄壁復(fù)合管件類零件，以消音器為研究對象，借助Abaqus軟件對成形過程進行了數(shù)值模擬，通過實驗驗證消音管件能夠采用內(nèi)高壓成形工藝加工成形。黃曉峰等[9]分析汽車扭力梁橫截面，采用預(yù)成形結(jié)合內(nèi)高壓成形理論方法，優(yōu)化其初始壓力值，并通過實驗驗證?；谝陨涎芯浚n題組通過AutoForm有限元軟件對加強梁進行內(nèi)高壓成形仿真分析，并進行不同工況下內(nèi)高壓成形質(zhì)量的探討[10]。

1 仿真分析

1.1 有限元模型的建立

通過SolidWorks建立模型后另保存為IGES格式并導(dǎo)入AutoForm軟件中，加強梁數(shù)據(jù)模型如圖1所示。從圖中可以看出，數(shù)模最大截面和最小截面相差較大，最小截面寬為58 mm，因此，選用直徑為58 mm的管材，材料選擇牌號為SPH440鋼材，部分力學(xué)性能如表1所示。

圖1 加強梁數(shù)據(jù)模型

表1 SPH440部分力學(xué)性能

加強梁是三維異形截面空心結(jié)構(gòu)件，軸線為曲線，需要對管件多次彎管，因此需要預(yù)彎曲成形。彎管預(yù)成形如圖2所示，從圖中可以看出，內(nèi)側(cè)壁厚增加，外側(cè)壁厚減薄，壁厚差可超過25%，并隨著彎曲角度變化而變化。

圖2 彎管預(yù)成形

1.2 分模面的確定

脹形模具如圖3所示，主要由上模具、下模具和補料推頭組成。上模和下模僅需要定義內(nèi)表面，將其設(shè)置為剛體材料。成形過程中將預(yù)成形彎管件置于上、下模具中間，摩擦系數(shù)定義為0.03，液壓油介質(zhì)通過左右兩端軸向進給。

圖3 脹形模具與管坯

1.3 加載路徑

內(nèi)壓力加載方式有很多種，如線性、折線及曲線加載，課題組選取線性加載，如圖4所示。按加載曲線1進行加載，右端口附近截面周長較長，右沖頭進給量為60 mm，左沖頭進給量為20 mm。

1.4 成形結(jié)果

成形結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出，將成形后的管件進行截面劃分，管件最右端為第一個截面，每隔150 mm劃分一個截面，共取六個截面。對六個截面分別測量周向五個點的壁厚，管件最大壁厚為3.57 mm，增厚率高達19%，最小壁厚為2.54 cm，減薄率高達15.3%。管件壁厚分布不均勻，管件部分區(qū)域減薄現(xiàn)象明顯，管件兩端增厚率高，材料利用不合理。

2 關(guān)鍵參數(shù)對成形質(zhì)量的影響

2.1 摩擦力對成形質(zhì)量的影響

在成形過程中管材與模具間存在接觸，接觸部分的摩擦力大小會嚴重影響軸向補料。為了探討摩擦系數(shù)對管件內(nèi)高壓成形質(zhì)量的影響，分別取摩擦系數(shù)μ為0.03、0.06、0.09、0.12、0.15，其他參數(shù)不變，以加載曲線1進行加載，得到的成形后的管件與加載曲線1相同截面處五個點的壁厚，取其平均值繪制成折線圖，如圖6所示。隨著摩擦系數(shù)的增加分別測量，管件壁厚分布差異逐漸增大，管件最大壁厚處增厚現(xiàn)象明顯，當(dāng)μ=0.15時，管壁最大厚度為3.26 mm，管材壁厚增厚率達9%，增厚較為嚴重。由于內(nèi)壓力升高，接觸面積逐漸增大，摩擦力逐漸增加，導(dǎo)致材料流動阻力增加，使得流向脹形區(qū)域的材料減少。成形區(qū)由于得不到材料的補充僅靠自身壁厚而減薄，當(dāng)減薄率過高時產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。隨著摩擦力的增加，壁厚減薄率呈升高的趨勢。非變形區(qū)域與模具接觸的面積相對較大，摩擦系數(shù)不同時管壁最小厚度值的差異也明顯。減小摩擦力有利于獲得成形質(zhì)量更高的管件，降低管件成形難度，減少對模具的磨損。當(dāng)摩擦力過大時，易影響軸向補料，使管材處于高度破裂的危險中，所以摩擦力的大小影響著壁厚的分布，是決定管件能否順利成形的重要因素之一。

圖6 不同摩擦系數(shù)壁厚變化

2.2 內(nèi)壓力對成形質(zhì)量的影響

僅改變成形內(nèi)壓力，其他參數(shù)如摩擦系數(shù)、初始管材壁厚、軸向補料量等保持不變，如圖7所示，按加載曲線2、3對管件進行加載，獲得成形后管件壁厚分布圖如圖8所示。從圖中可以看出，不同內(nèi)壓力對管件的脹形量的影響不相同，內(nèi)壓力越高管件脹形量越大，說明內(nèi)壓力是影響管件脹形的重要因素。隨著內(nèi)壓力的增加，管件的脹形量越來越大，壁厚減薄率明顯增高。當(dāng)內(nèi)壓力較小時，管件貼模率不高，管件與模具間存在較大間隙，管件壁厚減薄不明顯。當(dāng)內(nèi)壓力過高時，管件貼模率高，管件壁厚減薄現(xiàn)象顯著，管件發(fā)生破裂現(xiàn)象可能性大。

圖7 內(nèi)壓力加載曲線

圖8 不同加載曲線壁厚分布

2.3 軸向補料量對成形質(zhì)量的影響

僅改變軸向補料量，其他參數(shù)如摩擦系數(shù)、初始管件壁厚等保持不變。如圖9所示，按加載曲線4、5對管件進行加載，獲得成形后的管件壁厚分布圖如圖10所示。在內(nèi)壓力一定時，隨著軸向進給的進行，管件壁厚有所不同，表明增加軸向補料量可以提高管件成形極限，軸向補料是提高管件成形極限的重要因素。從管件模擬內(nèi)高壓成形過程來看，當(dāng)軸向補料量較少時，管件壁厚減薄率較高，僅通過自身壁厚減薄達到脹形目的，當(dāng)管件脹形量過大時，易造成管件破裂。當(dāng)軸向補料量過大時，管件壁厚增厚率明顯，由于壁厚的增加，管件破裂壓力將增大，即管件可以在更高壓力下通過自身壁厚的減薄脹形，提高管件膨脹率。

圖9 進料加載曲線

圖10 進料不同加載曲線壁厚分布

3 結(jié)論

本研究以汽車加強梁為研究對象，借助有限元AutoForm軟件對零件成形過程進行分析。成形結(jié)果顯示，管件部分區(qū)域減薄現(xiàn)象明顯，管件兩端增厚率高。導(dǎo)致此種現(xiàn)象的原因可能是由于進料不夠，為了向成形區(qū)多進料，分析了不同摩擦系數(shù)下壁厚的變化規(guī)律，結(jié)果表明：減小摩擦系數(shù)有助于成形質(zhì)量的提升，同時內(nèi)壓力的大小和軸向進料的多少均會對成形壁厚產(chǎn)生重要的影響。