高新華， 陳云霞

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥230009；2.奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研究總院，安徽 蕪湖241009）

當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車輕量化已成為世界汽車發(fā)展的潮流。實(shí)施車身輕量化最常用的手段是高強(qiáng)度鋼的采用和基于CAE的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［1］。

采用高強(qiáng)度鋼不僅可以降低板厚，還可以提高汽車的安全性。當(dāng)鋼板厚度分別減小0.05、0.10、0.15mm時(shí)，減輕車身質(zhì)量分別為6%、12%、18%，表明通過材料的輕量化減輕汽車自重具有巨大的潛力。隨著輕量化技術(shù)在汽車行業(yè)中廣泛應(yīng)用，高強(qiáng)度鋼的使用越來越廣泛，但也帶來了很多工藝問題，其中最主要的是開裂和回彈問題［2－3］。

因高強(qiáng)度鋼的成形性不如普通鋼，拉深深度較大的區(qū)域以及脹形區(qū)域容易開裂。高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度較大，彈性應(yīng)力也較大，因此回彈量也較大［4］。如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)回彈后覆蓋件的形狀，設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的型面以補(bǔ)償回彈，是模具工業(yè)中的實(shí)際難題［5］。同時(shí)，板料彎曲回彈對(duì)于控制加工精度也是一個(gè)棘手的問題［6］，而且通過工藝補(bǔ)償回彈所帶來的偏差基本占制造準(zhǔn)備時(shí)間的1／3［7］。

對(duì)車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究，已經(jīng)從主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，逐漸發(fā)展到基于應(yīng)用有限元的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算和分析階段，所以基于CAE的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是近些年的重點(diǎn)研究領(lǐng)域［8－10］。

本文首先將門檻加強(qiáng)板材料由HC260B（厚1.5mm）替換為1000DP（厚1.0mm）的高強(qiáng)度鋼，給出了某汽車門檻梁質(zhì)量的減輕情況；其次，針對(duì)高強(qiáng)度鋼成形過程中普遍存在的開裂和回彈問題，研究了影響回彈量的若干因素，使成形工藝條件達(dá)到最優(yōu)；最后，開發(fā)了新的門檻加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，并通過解決高強(qiáng)度鋼的成形性以及回彈問題，減小門檻加強(qiáng)板和門檻內(nèi)板的厚度，從而減輕質(zhì)量約16%。

1 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

圖1所示為某轎車門檻的截面圖，豎線處為截面位置，原結(jié)構(gòu)截面形式如圖2所示。圖2中，門檻梁由3部分組成——門檻外板，厚度為t1；門檻加強(qiáng)板，厚度為t2；門檻內(nèi)板，厚度為t3。

圖1 門檻截面位置

圖2 門檻原截面

本文采用圖3所示的工況考察門檻結(jié)構(gòu)的抗彎性能。圖3中，位于梁下部的2個(gè)剛體圓柱僅起支撐作用，對(duì)梁沒有其他約束，剛體球以4m／s的速度撞擊門檻梁。本文選取剛體球位移為300mm處的結(jié)構(gòu)吸能量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。門檻加強(qiáng)板原結(jié)構(gòu)材料為HC260B，質(zhì)量為8.8kg，剛體球的位移為300mm時(shí)的吸能量為2.9kJ。

圖3 門檻加載工況

不改變門檻梁在剛體球位移為300mm時(shí)的吸能量，門檻梁的內(nèi)外板結(jié)構(gòu)和材料均保持不變，將門檻梁內(nèi)加強(qiáng)板的材料由 HC260B（厚1.5mm）替換為1000DP（厚1.0mm）的高強(qiáng)度鋼，以質(zhì)量最小為目標(biāo)，能量不小于原結(jié)構(gòu)作為約束條件，對(duì)門檻結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。限于篇幅和其他原因，本文僅給出最終的優(yōu)化結(jié)果。當(dāng)門檻梁的質(zhì)量達(dá)到最小時(shí)，有門檻梁的最優(yōu)厚度組合結(jié)果見表1所列。

表1 門檻梁優(yōu)化結(jié)果

表1的優(yōu)化結(jié)果表明，門檻梁的吸能量保持不變，而質(zhì)量降低了13.6%，吸能效率E／m由329.5J／kg提高到381.6J／kg。

采用高強(qiáng)度鋼1000DP不僅可以保證結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，而且可以大幅降低車身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。但高強(qiáng)度鋼成形過程中普遍存在開裂和回彈的問題。本文利用CAE技術(shù)，研究影響回彈量的因素，并通過修改門檻梁加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，得到了門檻梁加強(qiáng)板的新結(jié)構(gòu)和最優(yōu)工藝參數(shù)。

2 影響回彈量的因素

2.1 材料

根據(jù)零件的形狀特點(diǎn)以及加工成本，采用一次拉延成形的方法對(duì)門檻加強(qiáng)板進(jìn)行成形。當(dāng)采用原來的材料時(shí)，零件的沖壓性能較好，可以成功地一次拉延成形而不出現(xiàn)成形缺陷。但是1000DP屬于超高強(qiáng)度鋼，它的拉延性能較差，且屈服強(qiáng)度較高，因此在沖壓件上取圖4所示的a、b 2個(gè)截面，研究這2個(gè)截面在回彈后形狀的變化。

由于零件屬于“U”形件，回彈主要發(fā)生在4個(gè)圓角處，因此取圓角相鄰切平面夾角變化量為評(píng)價(jià)回彈量的主要指標(biāo)。a截面形狀的4個(gè)圓角的相鄰切平面夾角如圖5所示。

分別使用HC260B和1000DP 2種材料成形后，a截面回彈結(jié)果見表2所列。

為便于數(shù)據(jù)擬合，將a、b 2個(gè)截面共8個(gè)夾角變化量之和的1／2作為總回彈量。通過試驗(yàn)，采用以上2種材料時(shí)，總回彈量對(duì)比見表3所列。

圖4 截面的位置

圖5 a截面的4個(gè)圓角的相鄰切平面夾角

表2 4個(gè)夾角的試驗(yàn)值（壓邊力500kN） （°）

表3 2種材料2個(gè)截面的總回彈量對(duì)比

可以看出，使用高強(qiáng)度鋼1000DP時(shí)，回彈量明顯增大。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，高強(qiáng)度鋼成形的主要缺陷是開裂和回彈。因此，成形時(shí)，應(yīng)該采取有效的措施，在保證不開裂的前提下，盡量減小回彈量。

2.2 壓邊力

減小回彈量的方法不止一種，其中最簡單而有效的方法就是調(diào)節(jié)壓邊力?；貜椫饕怯捎诎辶习l(fā)生彎曲的部位在厚度方向上的彈性應(yīng)力方向不同，板料與模具分離時(shí)彈性應(yīng)力的釋放而引起的。因此，在沖壓過程中控制發(fā)生彎曲部位的彈性應(yīng)力方向以及大小，可以起到控制回彈量的作用。調(diào)節(jié)壓邊力可以從整體上控制垂直于板料截面的拉應(yīng)力的分布，從而減小回彈量。

根據(jù)試驗(yàn)，分別取壓邊力為500、600、700、800、900kN等，通過仿真確定各壓邊力對(duì)應(yīng)的回彈量，然后利用擬合方法求出最優(yōu)解。通過擬合，可得到總回彈量與壓邊力的關(guān)系。擬合后，所取各壓邊力時(shí)的回彈量見表4所列。

表4 不同壓邊力下的回彈量

圖6所示的是壓邊力為900kN時(shí)的FLD圖，由圖6可知，此時(shí)沒有開裂現(xiàn)象，且事實(shí)上回彈量最小，在金屬流動(dòng)阻力較大的區(qū)域有開裂的趨勢(shì)，而在金屬流動(dòng)較好的區(qū)域，也是回彈較大的區(qū)域，存在拉延變形不足現(xiàn)象。由于受塑性應(yīng)變最大值的限制，回彈量減小得不是很明顯，總回彈量減小到23.1°，即平均每個(gè)夾角的回彈角度為5.775°。

圖6中僅圓圈處有開裂趨勢(shì)，其他區(qū)域均是稍微起皺或安全區(qū)（既產(chǎn)生充分的拉延變形，又無開裂或起皺缺陷）。采用高強(qiáng)度鋼、壓邊力為900kN時(shí)回彈后a截面的α、β、γ和θ分別為113.703°、113.684°、112.898°、105.442°。

圖6 壓邊力為900kN時(shí)的FLD圖

2.3 拉延筋

在彎曲變形區(qū)域，應(yīng)盡量使此處整個(gè)截面都受到同一方向的拉應(yīng)力，并產(chǎn)生拉伸塑性變形。這樣，在沖壓件脫模時(shí)，因彈性應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生的彎矩將大大減小，從而很好地減小回彈量。壓邊力只能從整體上改變坯料的進(jìn)料阻力，而在模具上布置拉延筋可以在板料局部區(qū)域增大沿板料切向的拉應(yīng)力，從而減小受彎區(qū)域板料截面上的彎矩。因此，在模具上合理布置拉延筋可減小沖壓件的回彈量。

拉延筋的參數(shù)主要有拉延筋的位置和尺寸以及拉延筋的長度等。結(jié)合此零件的特征，拉延筋的布置位置如圖7所示。

圖7 拉延筋布置位置

本文將4條拉延筋的阻力作為變量，得到仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5所列，求得相應(yīng)的總回彈量如下：

第1組，18.8°；第2組，17.2°；第3組，20.4°。

表5 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的部分?jǐn)?shù)據(jù)

為了求得各個(gè)拉延筋阻力的最佳數(shù)值，擬合出各組拉延筋阻力與總回彈量的關(guān)系，并且通過遺傳算法求得各個(gè)位置上拉延筋阻力的最佳數(shù)值，使得零件的總回彈量最小。

經(jīng)過擬合和優(yōu)化，當(dāng)壓邊力取值700kN，4個(gè)拉延筋的阻力分別為760、740、720、760N／mm時(shí)，回彈量最小。此時(shí)零件的FLD圖如圖8所示。圖8表明，沒有開裂現(xiàn)象，拉延不足現(xiàn)象也得到了一定的改善。

圖8 優(yōu)化拉延筋阻力后的FLD圖

優(yōu)化拉延筋阻力后的a截面回彈的α、β、γ、θ分別為106.647°、107.087°、107.484°、108.065°。顯然，經(jīng)過布置拉延筋，不僅FLD圖得到了改善，回彈量也降低了很多。這說明添加合理的拉延筋不僅能夠提高高強(qiáng)度鋼的成形性，而且可以大大減小高強(qiáng)度鋼零件的回彈量，使高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化中得到更好的應(yīng)用。

經(jīng)過拉延筋阻力優(yōu)化后的總回彈量與添加拉延筋前的總回彈量相比，總回彈量從23.1°減小到了17.2°，即平均每個(gè)夾角的回彈角度從5.775°降到4.3°。因此，合理布置拉延筋可以減小回彈量，并且對(duì)于“U”形件具有很好的效果。

2.4 零件的局部形狀

對(duì)于汽車結(jié)構(gòu)件，只依靠拉延筋改變板料的應(yīng)變，難以很好地控制回彈量。若拉延筋阻力較大，則零件將會(huì)開裂；若拉延筋阻力較小，則將不能很好地控制回彈量。改變零件的局部形狀以改變其相應(yīng)位置的應(yīng)變，不僅對(duì)其他位置的應(yīng)變影響較小，而且可以在不改變拉延筋阻力或壓邊力的情況下減小零件的回彈量。對(duì)于采用高強(qiáng)度鋼的形狀較復(fù)雜的零件，可以將優(yōu)化拉延筋布置和修改局部結(jié)構(gòu)結(jié)合，使回彈量更小。

修改零件局部形狀應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：① 能夠減小回彈量；② 不影響零件的使用功能；③ 對(duì)整體的成形性影響不大。

修改零件局部形狀常用方式是在回彈量較大的區(qū)域添加一些凹槽，以增加該區(qū)域的塑性應(yīng)變，從而減小此區(qū)域的回彈量。圖9所示為修改局部形狀后的零件對(duì)應(yīng)的拉延模凹模型面，在圖9中，新增加了凹槽。

圖9 修改零件局部形狀后的拉延模模具型面

經(jīng)過對(duì)壓邊力、拉延筋的調(diào)節(jié)，得到最優(yōu)的工藝條件為：壓邊力為700kN，拉延筋的布置位置如圖8所示，拉延筋阻力采用表5中的最優(yōu)組合。計(jì)算得到的FLD圖如圖10所示。

圖10 修改零件局部形狀且優(yōu)化拉延筋阻力后的FLD圖

分析表明，零件的成形性得到了進(jìn)一步的改善，尤其是回彈量得到了很好的控制，減小到12°，即平均每個(gè)夾角的回彈角度為3°。在其他條件不變的情況下，對(duì)比修改局部結(jié)構(gòu)前后沖壓件的回彈量，修改后結(jié)構(gòu)的回彈量得到了很好的控制，因此修改局部結(jié)構(gòu)也能夠大大減小回彈量。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的輕量化設(shè)計(jì)

本文通過改進(jìn)門檻加強(qiáng)板的形狀獲得承力更好的截面形式，如圖11所示。由于門檻外板屬于側(cè)圍的一部分，為保證汽車車身結(jié)構(gòu)其他部位的性能，未對(duì)外板進(jìn)行改動(dòng)。

圖11 門檻梁截面改進(jìn)形狀

通過如前所述的輕量化方法，對(duì)加強(qiáng)板和門檻內(nèi)板的厚度進(jìn)行了優(yōu)化，在保證門檻梁吸能能力不變的前提下，獲得最輕的厚度匹配。表6所示為加強(qiáng)板形式所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)厚度組合。

表6 新結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)質(zhì)量、吸能量對(duì)比

當(dāng)采用圖11形式的門檻加強(qiáng)板時(shí)，通過優(yōu)化，與采用原材料和原結(jié)構(gòu)相比較，質(zhì)量可減少約16%，吸能效率提高到412.2J／kg，且門檻梁整體的抗彎能力得到提高。因此，這種截面形式是有效的輕量化結(jié)構(gòu)。

通過改變壓邊力、布置合理的拉延筋、修改局部結(jié)構(gòu)能夠很好地改善高強(qiáng)度鋼在沖壓過程中的成形性以及回彈問題。通過仿真實(shí)驗(yàn)、擬合以及優(yōu)化，可以找到最佳的拉延筋阻力值，進(jìn)而更好地控制回彈量。

經(jīng)過擬合和優(yōu)化，當(dāng)壓邊力為300kN，拉延筋阻力為300N／mm時(shí)，回彈量最小，零件的FLD圖分布較好，沒有開裂現(xiàn)象，成形性不足現(xiàn)象也得到了很好的改善。

4 結(jié) 論

（1）采用高強(qiáng)度鋼減輕門檻加強(qiáng)板的質(zhì)量時(shí)，應(yīng)該考慮影響高強(qiáng)度鋼回彈量的因素。

（2）在采用高強(qiáng)度鋼減輕質(zhì)量的同時(shí)，改變壓邊力、布置合理的拉延筋、修改局部結(jié)構(gòu)，或者三者結(jié)合能夠很好地改善高強(qiáng)度鋼在沖壓過程中的成形性以及回彈問題。通過控制回彈量，改善了成形性不足的現(xiàn)象，防止了開裂的產(chǎn)生。

（3）門檻加強(qiáng)板材料由 HC260B（厚1.5mm）替換為1000DP（厚1.0mm）的高強(qiáng)度鋼，通過修改門檻加強(qiáng)板截面的形狀，并考慮了壓邊力、拉延筋布置和局部斷面結(jié)構(gòu)對(duì)回彈量的影響，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的工藝控制參數(shù)，大大地減輕了質(zhì)量。

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