高云凱 鄧有志 曹 偉

1.同濟(jì)大學(xué),上海,201804 2.浙江吉利汽車研究院有限公司,臨海,317000

超高強(qiáng)度鋼車身B柱加強(qiáng)板熱成形工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

高云凱1鄧有志1曹 偉2

1.同濟(jì)大學(xué),上海,201804 2.浙江吉利汽車研究院有限公司,臨海,317000

對超高強(qiáng)度鋼車身B柱加強(qiáng)板熱成形中的沖壓速度、壓邊力、摩擦因數(shù)、板料初始溫度及工具初始溫度進(jìn)行了工藝參數(shù)正交分析,并運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)中的綜合評判法,對成形后的最大減薄率和危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)變均值兩個(gè)目標(biāo)值進(jìn)行了綜合。通過綜合指標(biāo)的極差分析,確定沖壓速度、壓邊力與摩擦因數(shù)組合、板料初始溫度及工具初始溫度對綜合評分的影響程度,分析得出最優(yōu)的車身B柱加強(qiáng)板熱成形工藝參數(shù)組合方案。

超高強(qiáng)度鋼;車身B柱加強(qiáng)板熱成形;工藝參數(shù)優(yōu)化;多目標(biāo);正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

0 引言

車身輕量化已經(jīng)成為汽車(特別是轎車)工業(yè)的發(fā)展趨勢之一。使用高強(qiáng)鋼后,可以通過減小壁厚來減輕零件重量,實(shí)現(xiàn)車身輕量化,同時(shí)其超高的強(qiáng)度又能提高車輛碰撞安全性,滿足輕量化和提高安全性的要求,因此高強(qiáng)鋼在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。但是高強(qiáng)度鋼板隨著強(qiáng)度的提高,其沖壓成形性能降低,強(qiáng)度越高,成形難度越大,尤其是當(dāng)強(qiáng)度超過1000M Pa時(shí),車身B柱等一些形狀復(fù)雜的零件用常規(guī)的冷沖壓工藝幾乎無法成形。熱成形技術(shù)是一項(xiàng)專門用于成形高強(qiáng)度鋼板沖壓件的新技術(shù),可以成形強(qiáng)度高達(dá)1500MPa的沖壓件,而且高溫下成形幾乎沒有回彈,具有成形精度高、成形性能好等優(yōu)點(diǎn),因此引起業(yè)界的普遍關(guān)注并迅速成為汽車制造領(lǐng)域的熱門技術(shù)[1]。

熱成形過程中工藝條件對制品質(zhì)量的影響存在諸多非線性時(shí)變和不確定因素,是成形過程工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制的一大難點(diǎn)。傳統(tǒng)的試模方法不僅費(fèi)時(shí)、成本高,而且過于依賴經(jīng)驗(yàn)和以往案例,精確度不高,難以滿足新產(chǎn)品投放周期短的要求。數(shù)值仿真雖然可以降低試模的成本,也可以對工藝調(diào)整作出定性指導(dǎo),但這種指導(dǎo)缺乏定量的精度,要想獲得好的結(jié)果,經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整仍是必需的。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在一定程度上可以減少反復(fù)試驗(yàn)的盲目性,能以較少的試驗(yàn)次數(shù)得到試驗(yàn)范圍內(nèi)較優(yōu)的工藝組合。

現(xiàn)選取某車型典型沖壓件車身B柱加強(qiáng)板,對其熱成形工藝進(jìn)行研究,并利用正交試驗(yàn)理論找出其中的主次影響因素,得出一組最優(yōu)的工藝參數(shù)組合以指導(dǎo)該車身B柱加強(qiáng)板的實(shí)際生產(chǎn)。

1 模型的建立

1.1 有限元模型

在前處理軟件HYPERMESH的LSDYNA 971模板下建立有限元模型,見圖1。工具和板料都使用四節(jié)點(diǎn)Hughes-Liu殼單元,沿厚度方向上有5個(gè)積分點(diǎn),同時(shí)在關(guān)鍵字*CONTROL_SHELL設(shè)置 TSHELL=1,使得熱計(jì)算中殼單元被當(dāng)成十二節(jié)點(diǎn)Brick單元[2],以考慮單元厚度方向上的熱傳遞。板料和工具的初始溫度假設(shè)為各向同性;板料和工具接觸面間的傳熱系數(shù)取3000W/(m2?K),同時(shí)考慮工具和板料與周圍環(huán)境的輻射換熱及對流換熱,環(huán)境溫度假設(shè)為 20℃,工具和板料的表面發(fā)射率考慮為0.6[3]。工具和板料間僅考慮靜摩擦而不考慮動(dòng)摩擦。為了縮短仿真計(jì)算時(shí)間,把仿真過程中的沖壓速度放大為實(shí)際沖壓速度的50～100倍,同時(shí)相應(yīng)地放大熱導(dǎo)率、傳熱系數(shù)和熱輻射因子以補(bǔ)償由于速度提高帶來的誤差。

圖1 有限元模型

由于車身B柱加強(qiáng)板形狀較為復(fù)雜,為保證其成形性能,布置了8條等效拉深筋(圖2),阻力系數(shù)根據(jù)成形的難易程度設(shè)為0.03～0.40不等。板料的初始厚度為 1.5mm,尺寸為1680mm×540mm。

圖2 拉深筋布置

1.2 材料模型

材料基本參數(shù)參考NUM ISHEET2008標(biāo)準(zhǔn)考題BM 03[4],見表 1和表2。LS-DYNA中使用材料號(hào)*MAT_106[2]可方便輸入這些材料參數(shù)。

表1 材料基本參數(shù)[4]

表2 22M nB5在不同溫度下的機(jī)械性能[4]

1.3 成形模擬結(jié)果及分析

為了使后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)更有針對性,先對B柱加強(qiáng)板進(jìn)行成形仿真試驗(yàn),以獲得一組能夠滿足各項(xiàng)成形指標(biāo)的工藝參數(shù),這些參數(shù)將作為確定正交試驗(yàn)各因素水平的基準(zhǔn)。參考生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),并多次試算后,獲得了以下一組工藝參數(shù):沖壓速度取2m/s;壓邊力取100kN,靜態(tài)摩擦因數(shù)取0.125,板料初始溫度取810℃,工具初始溫度取75℃。在上述熱成形工藝參數(shù)下,B柱加強(qiáng)板的各項(xiàng)成形性能指標(biāo)結(jié)果見圖3～圖7。

成形極限圖(FLD)是評價(jià)材料成形性的一個(gè)有效工具,如圖3所示,本文研究對象車身B柱加強(qiáng)板的成形性較好,沒有裂紋和過分變薄現(xiàn)象,有少量起皺和變形不充分的地方。

成形后板料最大厚度1.596mm,最小厚度1.130mm(圖4),相應(yīng)的最大減薄率是24.667%。最小厚度出現(xiàn)在圖4圓圈處,該處位于凹模底部過渡圓角區(qū)域,且此處的拉深深度達(dá)81.4mm。最大厚度出現(xiàn)在圖4矩形處,該處局部形狀較為復(fù)雜,材料容易在較小的凹槽處堆積。

圖3 成形極限圖

塑性應(yīng)變(圖5)最大為0.4997,最大塑性應(yīng)變沒有超過材料的極限應(yīng)變。

圖4 厚度分布

圖5 板料塑性應(yīng)變

圖6 終止時(shí)刻板料溫度分布

圖7 終止時(shí)刻壓邊圈溫度分布

拉深終止時(shí)刻板料或工具的溫度分布如圖6、圖7所示。板料在模腔部分的溫度較高,模腔外部分的溫度較低,最高溫度為637.2℃。該現(xiàn)象可解釋為:板料的熱成形是內(nèi)部溫度場與應(yīng)力場同時(shí)共存,相互作用、耦合的變化過程。模腔部分的板料發(fā)生了相對較大的塑性變形,而模腔外的板料基本上無塑性變形或變形較小。變形能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,因此溫度較高。塑性變形越大,由變形能轉(zhuǎn)化而來的內(nèi)能越大,溫度就越高。壓邊圈溫度分布則受熱接觸影響較大,與板料先接觸的部分溫度較高。由于圖7圓圈處的壓邊圈部分最早與板料接觸,所以獲得最多的接觸傳熱,溫度最高。

雖然在上述工藝參數(shù)下,車身B柱加強(qiáng)板的各項(xiàng)成形性能指標(biāo)均已合格,但這種憑借經(jīng)驗(yàn)和多次試算所得到的工藝參數(shù)并不是最優(yōu)的組合,有進(jìn)一步優(yōu)化的必要。

2 熱成形工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用規(guī)格化的正交表,恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出試驗(yàn)方案和有效地分析試驗(yàn)結(jié)果,提出最優(yōu)配方和工藝條件,進(jìn)而設(shè)計(jì)出可能更優(yōu)秀的試驗(yàn)方案的一種科學(xué)方法[5]。熱成形工藝是一個(gè)復(fù)雜的過程,影響制件成形性能的工藝參數(shù)很多,為了減少試驗(yàn)次數(shù),同時(shí)獲得足夠多的參數(shù),模擬試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法,通過分析試驗(yàn)結(jié)果,提出最優(yōu)的熱成形工藝條件。

2.1 優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)

對某些熱沖壓產(chǎn)品,起皺和減薄等缺陷是一些無法徹底消除的問題,只能通過工藝參數(shù)的優(yōu)化,減輕制件的這些缺陷,從而滿足制件的設(shè)計(jì)要求。常用的評價(jià)板料成形性能的指標(biāo)有最大減薄率 T1、危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)變?chǔ)?和成形極限圖。FLD雖然直觀,但不便于數(shù)值化以用做正交試驗(yàn)指標(biāo);最大減薄率T1和危險(xiǎn)點(diǎn)主應(yīng)變?chǔ)?的數(shù)值越小,表示成形質(zhì)量越好[6]。因此,本文針對最大減薄率、最危險(xiǎn)的5個(gè)點(diǎn)主應(yīng)變均值εe兩個(gè)指標(biāo)的綜合值,討論得到使綜合指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。這里取每次試驗(yàn)中最危險(xiǎn)的5個(gè)點(diǎn)主應(yīng)變均值εe作為評價(jià)指標(biāo)的原因是為了避免取單個(gè)點(diǎn)造成的片面性,使評價(jià)指標(biāo)更合理、更有效。

2.2 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

分析的目標(biāo)是確定最大減薄率 T1和每次試驗(yàn)中最危險(xiǎn)的5個(gè)點(diǎn)主應(yīng)變均值εe兩個(gè)指標(biāo)的綜合值。為保證制件的成形質(zhì)量和使用要求,必須滿足以下條件:T1≤30%,εe≤0.7。

影響B(tài)柱加強(qiáng)板熱成形質(zhì)量的因素很多,選取對熱成形過程影響較大的4個(gè)因素,每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平。因素分別設(shè)置為沖壓速度A、壓邊力Fbinder和靜態(tài)摩擦因數(shù) fs組合B、板料的初始溫度C和工具的初始溫度D。由于板料和壓邊圈之間的摩擦力是由壓邊力和摩擦因數(shù)共同決定的,因此將壓邊力和摩擦因數(shù)視為一個(gè)組合因素。因素水平表見表3。

表3 因素水平表

根據(jù)4因素3水平,選取正交表L9(34)。按照正交表所規(guī)定的試驗(yàn)方案,經(jīng)過 LS-DYAN 971分析,提取成形后車身B柱加強(qiáng)板的最大減薄率和危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理

模擬試驗(yàn)所選取的目標(biāo)指標(biāo)對車身B柱加強(qiáng)板成形質(zhì)量的影響程度各有側(cè)重,同時(shí)各指標(biāo)的量綱并不一致,為兼顧各個(gè)指標(biāo),有必要建立一個(gè)使各個(gè)指標(biāo)都盡可能好的綜合評判方法,從而將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo),實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)問題的綜合優(yōu)化。因此,采用模糊數(shù)學(xué)中的映射函數(shù)[7]進(jìn)行處理,將各個(gè)指標(biāo)值統(tǒng)一映射到[0,1]的數(shù)值區(qū)間中,結(jié)合加權(quán)評分法,在模糊處理的基礎(chǔ)上再對權(quán)值進(jìn)行分配。權(quán)值分配根據(jù)正交試驗(yàn)分析結(jié)果和指標(biāo)對制品綜合質(zhì)量的影響程度,按百分制加權(quán),最大減薄率和危險(xiǎn)的主應(yīng)變的權(quán)值分別為:k1=70,k2=30。加權(quán)綜合評分值Ln的計(jì)算公式如下:

式中,p＞0,通常取1、2、3等,本文取 p=1;n為試驗(yàn)號(hào),n=1,2,3,…,9;i為目標(biāo)指標(biāo),最大減薄率和危險(xiǎn)點(diǎn)主應(yīng)變均值的i分別為1、2;Ln為第n次試驗(yàn)的綜合評分;Lni為第n次試驗(yàn)的第i項(xiàng)指標(biāo)的映射值;xni為第n次試驗(yàn)的第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)值;x0、x1分別為各個(gè)目標(biāo)指標(biāo)映射函數(shù)的邊界點(diǎn)取值。

各參數(shù)取值見表4。綜合評分結(jié)果見表5。

表4 函數(shù)各參數(shù)取值

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果及綜合評分

將上述仿真試驗(yàn)的指標(biāo)值,利用極差分析法(也簡稱為R法)來進(jìn)行處理[8-9]。這種極差分析法的計(jì)算內(nèi)容和主要步驟如圖8所示。其中,ljk為第j因素k水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)為ljk的平均值 。由大小可以判斷j因素的優(yōu)水平,各因素優(yōu)水平的組合即為最優(yōu)設(shè)計(jì)組合。另外,Rj為第j因素的極差,其計(jì)算式為

Rj反映了第j因素水平變動(dòng)時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。Rj越大,說明該因素對指標(biāo)的影響越大,也就越重要。依據(jù)極差Rj的大小就可以判斷因素間的主次。這種極差分析法充分體現(xiàn)了正交設(shè)計(jì)的靈活性和直觀性,因此該處理方法也叫直觀分析法,極差分析結(jié)果見表6。

圖8 R法示意圖

表6 綜合評分極差分析結(jié)果

2.4 結(jié)果分析

由表6中結(jié)果可以判斷:影響綜合評分的主次因素依次是板料初始溫度C、沖壓速度A、摩擦力和壓邊力組合B、模具初始溫度D,同時(shí)還可以直觀地看出各因素的優(yōu)水平。最后可以挑選出其中最優(yōu)的一組因素水平組合方案,如表6最后一行所示,即C1、A 1、B2、D1。表5中沒有相應(yīng)的組合方案,因此需要經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)LS-DYNA分析得該方案的最大減薄率為23.31%,危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)變均值為0.417,綜合評分值為17.830。與表5比較可知,該方案的綜合評分最高,表明該方案為較優(yōu)方案。

3 結(jié)論

(1)熱成形可顯著提高超高強(qiáng)度鋼板的成形性能。

(2)試驗(yàn)證明,采用分析軟件LS-DYNA結(jié)合正交試驗(yàn)及運(yùn)用綜合評判法,可以對超高強(qiáng)度鋼車身B柱加強(qiáng)板熱成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,能夠通過較少的試驗(yàn)就得到一組綜合評分較高的工藝參數(shù)組合,證明這種方法是可行的。

(3)該車身B柱熱成形最優(yōu)工藝參數(shù)組合,即板料初始溫度取760℃;沖壓速度取1m/s,;壓邊力取100kN,靜態(tài)摩擦因數(shù)取0.125;工具初始溫度取75℃。由于熱成形數(shù)值分析對材料的物性參數(shù)以及熱邊界條件依賴較大,因此還需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。文中的方法可為相關(guān)研究提供參考。

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Multi-objectiveOptim ization for Ultra High Strength Steel B-pillar of Car Body Hot Form ing Process Parameters

Gao Yunkai1Deng Youzhi1Cao Wei2
1.Tongji University,Shanghai,201804 2.Zhejiang Geely Autom obile Research Institute Co.,Ltd.,Linhai,Zhejiang,317000

The u ltra high strength steel B-pillar o f car body hot forming p rocess param eters,such as punch velocity,binder force,static friction,initial tem perature of b lank,initial tem perature of tools etc.w ere analyzed based on orthogonal experimental design method and the comp rehensive evaluation tomaximum thinning rate and mean valueof dangerous points'principal strain wasobtained by means of fuzzy mathematics.From this evaluation,the extent of overall influences on the process parameters was clarified.Through analyzing the factors resulted from the simulation results,the optimized B-pillar of car body hot forming process parameters scheme was obtained.

ultra high strength steel;B-pillar of car body hot form ing process;process parameter op timization;multi-objective;orthogonalexperimental design

TG386

1004—132X(2011)05—0621—04

2010—06—07

中韓國際科技合作項(xiàng)目(2008DFB50020)

(編輯 袁興玲)

高云凱,男,1963年生。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)檐嚿斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。出版專著1部,發(fā)表論文20余篇。鄧有志,男,1984年生。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院碩士研究生。曹 偉,男,1983年生。浙江吉利汽車研究院有限公司工程師。