汽車板抗凹性能影響因素?cái)?shù)值模擬研究

王連軒,劉天武,楊西鵬

(1. 河鋼集團(tuán)邯鋼公司,河北 邯鄲 056015;2. 河鋼材料技術(shù)研究院,河北 石家莊 050023)

輕量化是汽車行業(yè)發(fā)展的大趨勢,而高強(qiáng)鋼的應(yīng)用是汽車輕量化的一個(gè)重要手段。目前,汽車外覆蓋件主要用材包括DC53D+Z、HC180BD+Z、HC180YD+Z等,厚度主要范圍0.6～0.7 mm,根據(jù)輕量化需求,逯若東、冀鵬等采用高強(qiáng)鋼DP500完成了汽車外覆蓋件的試制[1-2],并開展了抗凹性能測試與分析。然而通過外板高強(qiáng)化使得零件減薄,可能會引起零件“變軟”,為反映這種“軟硬”程度,汪承璞[3]指出試件抵抗凹陷撓曲的彈性變形能力稱為抗凹剛度,對有一定曲率的扁殼覆蓋件,外部載荷作用達(dá)到一定程度,抵抗彈性變形的能力突然喪失,發(fā)生失穩(wěn),這種抵抗失穩(wěn)的能力稱為抗凹穩(wěn)定性。為更好的評價(jià)材料級別的抗凹性能,國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34477-2017以及中國汽車工程學(xué)會技術(shù)規(guī)范SAE-China J3201-2013分別制定了金屬材料和汽車覆蓋件板材的抗凹性能試驗(yàn)方法。通過試驗(yàn)的方法測定材料的抗凹性能周期長,費(fèi)用高,為此本文根據(jù)SAE-China J3201-2013汽車覆蓋件板材抗凹性能試驗(yàn)方法建立了抗凹試驗(yàn)仿真模型,獲得了較高的仿真精度,同時(shí)開展了不同材料和不同厚度的抗凹性能仿真分析,獲得了汽車板抗凹性能與材料厚度、強(qiáng)度之間的關(guān)系。

1 抗凹性能試驗(yàn)

本文基于SAE-China J3201-2013《汽車覆蓋件板材抗凹性能試驗(yàn)方法》,完成了DC53D+Z(0.65 mm)的初始剛度和失穩(wěn)凹陷載荷的測試。首先將試驗(yàn)板料沖壓成一定形狀的試樣,然后使用25.4 mm壓頭以10 mm/min恒定加載速度對該試樣中心位置進(jìn)行加載。試樣中心位置在載荷的作用下發(fā)生彈性變形和塑性變形。通過力傳感器輸出載荷-位移曲線,載荷-位移曲線彈性變形階段的斜率代表試樣抵抗局部彈性變形的能力,稱為抗凹初始剛度,選取10 N至25 N之間的載荷-位移數(shù)據(jù)用最小二乘法線性擬合獲得初始剛度結(jié)果。載荷-位移曲線上出現(xiàn)載荷下降而位移繼續(xù)增加時(shí)發(fā)生失穩(wěn)凹陷,該曲線導(dǎo)數(shù)初次為零處所對應(yīng)的載荷為失穩(wěn)凹陷載荷[4]。通過以上試驗(yàn)獲得DC53D+Z試樣的初始剛度和失效凹陷載荷試驗(yàn)結(jié)果(見表1)。

表1 抗凹性能試驗(yàn)結(jié)果

2 抗凹試驗(yàn)有限元建模

根據(jù)SAE-China J3201-2013試驗(yàn)方法,利用hypermesh、Ls-dyna等商業(yè)軟件建立了抗凹試驗(yàn)仿真模型,具體圖1所示。DC53D+Z抗凹試樣采用殼單元,網(wǎng)格尺寸為5 mm,采用Belytschko-Tsay全積分殼單元方程,厚度方向采用5個(gè)積分點(diǎn)。DC53D+Z選取MAT_24號材料模型,密度為7.85e～9 kg/mm3,彈性模量為210000 MPa,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度為151 MPa,通過拉伸試驗(yàn)仿真對標(biāo)而獲得材料的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)塑性應(yīng)變曲線[5]。鋼制壓頭采用MAT_20號剛性材料,實(shí)體單元,密度7.85e～9 kg/mm3,彈性模量210 000 MPa,泊松比0.3。在抗凹試樣兩側(cè)法蘭處約束6個(gè)方向自由度,為縮短計(jì)算時(shí)間,壓頭加載速度設(shè)定為1 mm/s。通過DATABASE_RCFORC關(guān)鍵字輸出壓頭載荷信息,通過DATABASE_HISTORY_NODE輸出壓頭節(jié)點(diǎn)位移信息,從而繪制出載荷-位移曲線。

圖1 抗凹試驗(yàn)仿真模型

3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

通過抗凹性能仿真計(jì)算,獲得載荷-位移仿真曲線。同樣采用10 N至25 N之間的載荷-位移數(shù)據(jù)用最小二乘法線性擬合獲得初始剛度,計(jì)算曲線導(dǎo)數(shù)初次為零處所對應(yīng)的載荷為失穩(wěn)凹陷載荷。DC53D+Z(0.65 mm)試樣初始剛度和失穩(wěn)凹陷載荷的試驗(yàn)值和仿真結(jié)果如表2所示,初始剛度試驗(yàn)值為86.3 N/mm,仿真結(jié)果為86.9 N/mm,仿真誤差為0.7%。失穩(wěn)凹陷載荷試驗(yàn)值為87.6 N,仿真結(jié)果為89.5 N,仿真誤差為2.2%。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對比看,本文建立的抗凹試驗(yàn)仿真模型仿真精度較高,能夠準(zhǔn)確模擬材料的抗凹性能。

表2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

4 抗凹性能影響因素

為研究汽車板厚度和強(qiáng)度對抗凹性能的影響規(guī)律,本文基于該抗凹試驗(yàn)仿真模型分別計(jì)算了DC53D+Z、HC180BD+Z、HC300/500DPD+Z三種汽車板以及0.55 mm、0.6 mm、0.65 mm、0.7 mm四個(gè)厚度下初始剛度和失穩(wěn)凹陷載荷,另外考慮了預(yù)應(yīng)變(2%)以及烘烤工藝(烘烤溫度170 ℃,烘烤時(shí)間20分鐘)對HC180BD+Z的影響,在材料模型中分別輸入原始材料以及烘烤以后材料的真實(shí)應(yīng)力真實(shí)塑性應(yīng)變曲線,并分別計(jì)算了試樣的抗凹性能。為便于區(qū)分,烘烤后的HC180BD+Z標(biāo)記為HC180BD+Z-B。不同汽車板材料的抗凹性能仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同汽車板材料的仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出,相同厚度材料的初始剛度相同,與材料強(qiáng)度無關(guān),初始剛度隨著材料厚度的增加而增加。失穩(wěn)凹陷載荷與厚度和材料強(qiáng)度均有關(guān),對于相同強(qiáng)度的材料,失穩(wěn)凹陷載荷隨著材料厚度的增加而增加,對于相同厚度的材料,失穩(wěn)凹陷載荷隨著材料強(qiáng)度的提升而增加,例如HC300/500DPD+Z的失穩(wěn)凹陷載荷明顯高于同厚度的DC53D+Z。烘烤硬化鋼HC180BD+Z經(jīng)過了預(yù)應(yīng)變硬化和烘烤硬化,屈服強(qiáng)度提升了約60 MPa,其失穩(wěn)凹陷載荷也得到了提升,因此對于具有烘烤硬化性能的汽車板,經(jīng)噴漆烘烤后其抗凹陷能力也將提升。

4.1 初始剛度的影響因素

為分析初始剛度的影響因素,本文分析了DC53D+Z試樣在載荷為25 N時(shí)的應(yīng)力結(jié)果,如圖2所示。可以看出,試樣最大應(yīng)力為72 MPa,位于壓頭直接接觸的位置,由于最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于DC53D+Z材料的屈服強(qiáng)度(151 MPa),因此材料處于彈性階段,也就是說在初始剛度的測試范圍(10 N～25 N)內(nèi)材料均處于彈性階段,未發(fā)生塑性變形,因此初始剛度與材料屈服強(qiáng)度無關(guān)。另外,從仿真結(jié)果也可以看出,相同厚度不同強(qiáng)度的(DC53D+Z、HC180BD+Z、HC300/500DPD+Z)都具有相同的初始剛度,也說明了初始剛度與屈服強(qiáng)度無關(guān)。

圖2 載荷25 N下試樣的應(yīng)力結(jié)果

考慮到仿真模型中采用相同的試樣形狀,且不同汽車板材料的彈性模量基本一致,因此初始剛度主要與厚度相關(guān)。將初始剛度作為應(yīng)變量,厚度作為自變量,通過數(shù)據(jù)擬合,初始剛度Ki與厚度t呈線性關(guān)系,方程為,

Ki=Ct-97.9

(1)

式中:C=285.4,該方程擬合優(yōu)度r2為0.998。

不同厚度初始剛度的仿真結(jié)果和按公式(1)擬合的結(jié)果見表4所示,可以看出,初始剛度仿真結(jié)果和擬合結(jié)果基本一致,擬合誤差最大1.2%。初始剛度的仿真結(jié)果和擬合曲線如圖3所示,可以看出,仿真結(jié)果與擬合曲線吻合度較高,因此該方程能很好的表征初始剛度和材料厚度之間的關(guān)系。

圖3 初始剛度與厚度的關(guān)系

表4 初始剛度仿真結(jié)果及擬合結(jié)果

4.2 失穩(wěn)凹陷載荷的影響因素

本文對DC53D+Z試樣在失穩(wěn)凹陷載荷下的應(yīng)力進(jìn)行分析,應(yīng)力結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?最大應(yīng)力為167 MPa,稍微大于DC53D+Z的屈服強(qiáng)度(151 MPa)。同樣對HC180BD+Z、HC180BD+Z-B和HC300/500DPD+Z試樣進(jìn)行應(yīng)力分析,在失穩(wěn)凹陷載荷下的最大應(yīng)力分別為193 MPa、255 MPa和369 MPa,均達(dá)到了材料的屈服強(qiáng)度(183 MPa、252 MPa、367 MPa)。也就是說,壓頭加載過程中當(dāng)試樣的應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度后發(fā)生了失穩(wěn)效應(yīng),因此失穩(wěn)凹陷載荷與材料屈服強(qiáng)度有關(guān)[6]。通過對比不同厚度和不同強(qiáng)度材料的失穩(wěn)凹陷載荷結(jié)果,可以看出失穩(wěn)凹陷載荷與汽車板厚度和強(qiáng)度均有關(guān),失穩(wěn)凹陷載荷隨著厚度和屈服強(qiáng)度的增大而增大。將失穩(wěn)凹陷載荷作為因變量,厚度和屈服強(qiáng)度作為自變量,通過數(shù)據(jù)擬合,失穩(wěn)凹陷載荷Fu與厚度t、屈服強(qiáng)度σs呈冪函數(shù)關(guān)系,其方程為。

圖4 DC53D+Z在失穩(wěn)凹陷載荷下的應(yīng)力結(jié)果

Fu=Ctaσsb

(2)

式中:a=2.14,b=0.134,C=116.7,該方程擬合優(yōu)度r2為0.993。

失穩(wěn)凹陷載荷仿真結(jié)果和按公式(2)擬合的結(jié)果如表5所示,可以看出,通過該方程擬合的失穩(wěn)凹陷載荷與仿真結(jié)果之間的誤差很小(<3%),因此該方程能很好的表征失穩(wěn)凹陷載荷與材料厚度和屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系。

表5 失穩(wěn)凹陷載荷仿真結(jié)果及擬合結(jié)果

5 結(jié)論

依據(jù)SAE-China J3201-2013汽車覆蓋件板材抗凹性能試驗(yàn)方法,完成DC53D+Z抗凹性能測試,初始剛度和失穩(wěn)凹陷載荷分別為86.3 N/mm和87.6 N。根據(jù)試驗(yàn)工況建立了抗凹試驗(yàn)仿真模型并進(jìn)行計(jì)算,初始剛度仿真結(jié)果86.3 N/mm,仿真誤差0.7%,失穩(wěn)凹陷載荷仿真結(jié)果89.5 N,仿真誤差2.2%,仿真精度高?；谠撃Ｐ?完成DC53D+Z、HC180BD+Z、HC300/500DPD+Z三種汽車板以及0.55 mm、0.6 mm、0.65 mm、0.7 mm四個(gè)厚度的抗凹性能仿真分析,獲得了不同厚度汽車板的初始剛度和失穩(wěn)凹陷載荷數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析:初始剛度與厚度有關(guān),呈線性關(guān)系,方程為Ki=Ct-97.9,其中C=285.4;失穩(wěn)凹陷載荷與厚度和屈服強(qiáng)度均有關(guān),失穩(wěn)凹陷載荷隨著厚度和屈服強(qiáng)度的增大而增大,失穩(wěn)凹陷載荷Fu與厚度t、屈服強(qiáng)度σs呈冪函數(shù)關(guān)系,方程為Fu=Ctaσsb,其中a=2.14,b=0.134,C=116.7。