張波 黃紅端 張文

【摘 要】VRB板是實現(xiàn)汽車輕量化的一種新技術，因板料過渡區(qū)存在使VRB板沖壓成形的數(shù)值仿真而成為一個新問題。文章基于Abaqus軟件以盒型件為例，開展了VRB沖壓數(shù)值模擬的研究，從計算效率、單元適應性角度對比了3種實體單元和2種殼單元的計算差異，并探討了虛擬沖壓速度和過渡區(qū)離散度對成形的影響。研究結果表明：為了提高VRB板沖壓成形的模擬精度和效率，需要合理選擇單元類型、虛擬沖壓速度和過渡區(qū)離散程度。

【關鍵詞】VRB;Abaqus;離散化

【中圖分類號】TG386 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0076-04

0 引言

中國寶武鋼鐵集團有限公司新近開發(fā)的變厚板（ Variable-thickness Rolled Blanks，VRB）在國際上被稱為TRB板，最早是由亞琛工業(yè)大學金屬成形研究所在激光拼焊板的基礎上提出來的[1-2]。該技術的核心是柔性軋制技術[3]，所謂柔性軋制技術是指在鋼板軋制過程中，通過計算機實時控制和調整軋輥的間距，以獲取沿軋制方向上按預先定制的厚度連續(xù)變化的板材，即實現(xiàn)由等厚度板卷到VRB板卷的軋制（如圖1所示）。

與TWB相比，采用VRB板沖壓成形汽車零件有諸多優(yōu)點[4]：省去了焊接工序，可降低生產成本;可以根據(jù)零件受力狀況，靈活設計過渡區(qū)的長度和形狀，得到多種板料厚度的組合;過渡區(qū)光滑連接，表面質量好;材料性能均勻性得到提高;過渡區(qū)有良好的吸收能量的效果，比拼焊板抗沖擊性能好。

由于VRB板材具有許多優(yōu)點，近年來已逐漸在汽車上得到推廣應用[5]。但是由于變厚板厚度過渡區(qū)的存在，板料呈現(xiàn)明顯的幾何與材料非均勻性，這使得一些用于研究等厚度板料成形性能的試驗方法不能直接用來分析VRB的材料性能，其沖壓成形的仿真分析也有待深入研究。本文基于Abaqus仿真分析軟件，以盒形件為例，開展VRB板沖壓成形的數(shù)值模擬研究。

1 有限元模型建立

以圖2所示的變厚板方盒形件作為研究對象開展仿真分析，方形盒長155 mm，寬65 mm。凸模圓角半徑為10 mm、凹模入口圓角半徑為10 mm、沖壓深度為35 mm。凹凸模之間的間隙設計為2.2 mm，VRB板的厚區(qū)在圖2中的左邊區(qū)域。

VRB毛坯尺寸：板料寬B=200 mm，長L=300 mm;厚區(qū)厚度T=2 mm，長度為L1=100 mm;薄區(qū)厚度t=1 mm，長度L3=100 mm;過渡區(qū)長度L2=100 mm。

板料材料為B210P，薄區(qū)和厚區(qū)具體材料參數(shù)見表1。

2 單元選擇對成形結果的影響

在板料沖壓成形數(shù)值模擬中，用于離散板料的有限元單位類型主要有2種，即三維實體單元和殼單元。由于VRB存在厚度過渡區(qū)，在Abaqus軟件中采用三維實體單元能很好地體現(xiàn)板料的厚度。本文用準靜態(tài)過程模擬沖壓成形過程，并采用動力顯示算法。在Abaqus軟件中動力顯示模塊的算法模塊只提供一階單元，本文討論C3D8、C3D8R、C3D8I3種實體單元之間進行沖壓仿真的差異性。

如果采用殼單元對VRB進行沖壓仿真模擬，則需要解決如何表征過渡區(qū)厚度連續(xù)變化的問題。在Abaqus軟件中，也提供了設置漸變厚度殼單元的模塊，用戶可以通過公式以自定義方式來定義一定區(qū)域板料厚度的連續(xù)變化。本文采用殼單元模擬VRB板料沖壓成形時板料厚度變化情況如圖3所示。三維實體單元和殼單元的單元邊長統(tǒng)一設計為4 mm，沖壓成形的分析步時長為0.05，壓邊力統(tǒng)一為80 kN。

對于不同的單元選擇，從仿真效率與單元的適應性角度進行對比分析，表2列出各種單元類型盒形件沖壓成形所需時間。

從表2可見，殼單元與實體單元進行分析的效率差異較大，采用殼單元明顯具有時間效率優(yōu)勢，對大型汽車零件，如前縱梁或門內板類零件采用VRB板沖壓時將更有工程意義。S4殼單元是完全積分的線性單元，而完全積分的線性單元的邊不能彎曲，在計算過程中會出現(xiàn)剪力自鎖現(xiàn)象。采用S4R減縮積分殼單元只在中央位置有一個數(shù)值積分點，避免了S4殼單元在大變形時出現(xiàn)剪力自鎖的問題，同時從表2中可以看出，S4R單元的計算效率優(yōu)于S4單元。當然S4R也存在沙漏問題，在Abaqus中可以查看沙漏能占內能的比例問題，一般認為沙漏在大部分時間里占內能比例不超過5%，是可以接受的。沙漏問題可以通過引入沙漏應力和提高網格劃分精度進一步避免。

圖4是該盒形件沖壓成形過程中采用S4R單元的沙漏能與內能比值，可見其最大比值不超過5%。因此，在Abaqus軟件中，如果已知過渡區(qū)厚度的公式化表達，則VRB的沖壓成形仿真可以采用S4R的殼單元類型，并依據(jù)厚度的公式通過殼單元厚度自定義模塊設定坯料的厚度值。這既保證了模擬的準確性，也提高了仿真效率。

3 分析步時長對成形的影響

虛擬沖壓速度表現(xiàn)在Abaqus軟件中為分析步時長。虛擬沖壓速度越快，分析計算時間就越短，但會使慣性力的影響更突出，使成形過程不再是準靜態(tài)過程。分析步時長增大，計算時間也會隨之增長，精度會更高，但會影響計算效率。選取一個合適的分析步時長，保證成形過程為準靜態(tài)過程的同時，也兼顧計算效率，這是VRB板沖壓成形需要考慮的問題。

在Abaqus軟件中評價沖壓成形過程是否為準靜態(tài)的過程，采用的是成形過程動能占內能的比例作為評價指標，一般要求該比值在5%以內。針對該盒形件，表3中列出了幾種分析步時長的方案，并比較不同方案的動能與內能的比值。圖5顯示了4種方案的動能占內能比例隨時間變化的情況。

如圖4所示，當分析步時長為0.001時，動能所占的比例很大，并且延續(xù)了很長一段時間;僅當分析步時長為0.05和0.1時，可滿足計算精度的要求。4種方案需要的時間分別為1 min 16 s、7 min 27 s、28 min 36 s、49 min 51 s。兼顧計算效率和計算精度，分析步時長可以選為0.05。

4 材料性能與FLC曲線的離散化處理

由于VRB軋制過程是采用同厚度板坯進行軋制，其軋制壓下量不同，且不同厚度的VRB板在實際生產中會采用相同退回工藝曲線進行退火，因此導致VRB板不同厚度區(qū)域的材料機械性能不完全一樣。

VRB過渡區(qū)厚度的不均勻性導致不易應用單向拉伸實驗來獲得該區(qū)域材料的應力應變曲線。本文采用插值模擬的方法獲取厚度過渡區(qū)不同厚度點的應力應變曲線，具體是采用Swift公式擬合過渡區(qū)兩側均厚區(qū)材料的真應力應變曲線，并在Matlab軟件中對過渡區(qū)不同厚度值進行插值得到過渡區(qū)不同厚度值的真應力應變曲線（如圖6所示）。

FLD是沖壓仿真進行成形安全性評價的重要工具，對等厚板通?？梢圆捎霉剑?）計算FLC曲線。

FLD0=n×（23.3+14.134×t）/21.0 0

εmaj=FLD0+εmin×（0.027 254×εmin-1.196 5） εmin<0（1）

εmaj=FLD0+εmin×（-0.008 565×εmin+0.784 854） εmin<0

從公式（1）可見，板料FLC曲線與板料厚度有關，而VRB板的厚度過渡區(qū)FLC曲線如何表征也是仿真過程中的一個問題。本文將VRB板厚度過渡區(qū)離散為若干個等厚的區(qū)域，圖7是離散為5個等厚區(qū)的情況，從圖6中提取對應每個等厚度區(qū)域的材料性能值，并根據(jù)厚度計算其FLC曲線。

過渡區(qū)離散度不同，仿真結果也有一定的差異，離散度越高就越接近真實情況。本文對過渡區(qū)厚度分別離散1個和5個不同的等厚區(qū)域進行仿真分析。

5 仿真結果

5.1 離散程度對整體開裂及減薄影響

5.1.1 圓角區(qū)域的開裂

沖壓開裂是板料沖壓成形中主要缺陷之一，材料性能的輸入對于仿真結果有著重要影響。變厚板過渡區(qū)離散程度不同，意味著過渡區(qū)材料性能輸入存在明顯差異。因此，考察不同離散程度情況下整體板料開裂及減薄的差異性，以此來判斷離散程度對仿真精度的影響。

Abaqus后處理FLDCRT云圖顯示了單元開裂的趨勢，如果云圖中數(shù)值超過1則表示單元開裂。2種離散情況開裂最危險的位置都處于薄區(qū)盒形件側壁處（如圖8所示）。

圖9為圖8中4個圓角區(qū)域采樣點FLDCRT數(shù)值分布。

從圖8中可以看出，過渡區(qū)離散從1個區(qū)域變?yōu)?個區(qū)域后，薄側圓角處的開裂趨勢增大，而厚側圓角的開裂趨勢基本不變。原因在于過渡區(qū)離散為5個部分后，靠近厚側的過渡區(qū)材料的屈服變小，而靠近薄測的過渡區(qū)材料的屈服增大，故在沖壓過程中，由于靠近薄側的過渡區(qū)材料抵抗塑性變形的能力增加，所以薄測圓角區(qū)域的開裂趨勢增加。

5.1.2 圓角區(qū)域減薄

減薄率云圖顯示最大減薄率在盒形件的4個圓角處（如圖10所示）。

3種離散程度情況下4個圓角處的減薄率數(shù)值如圖11所示。

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，厚區(qū)圓角減薄率在2種離散情況下差異不大，而在薄區(qū)圓角區(qū)，離散程度為5時的減薄比離散程度為1時更大。分析開裂趨勢，由于離散程度5過渡區(qū)靠近薄側的材料屈服強度的增大，會導致薄區(qū)圓角區(qū)域的變形增大及減薄率的增加。

5.2 離散程度對過渡區(qū)仿真結果的影響

沿著板料的對稱中心，在過渡區(qū)段從厚區(qū)向薄區(qū)每隔10 mm取1個采樣點，共取11個采樣點?？疾?種離散程度的等效應變（如圖12所示）和減薄率（如圖13所示）。

圖12和圖13中，1到5號采樣點靠近厚區(qū)，6號采樣點處于過渡區(qū)正中心，7～11號采樣點靠近薄區(qū)。當離散程度由1變?yōu)?后，采樣點1到采樣點5的過渡區(qū)的材料屈服變小，采樣點7到采樣點11之間的過渡區(qū)材料屈服增大。采樣點1到采樣點5的過渡區(qū)相對之前更容易發(fā)生塑形變形，因此采樣點1到采樣點5的等效應變和減薄率在離散程度為5時偏大。而采樣點6到11之間的材料相對于之前不容易發(fā)生塑形變形，故采樣點6到采樣點11的等效應變和減薄率在離散程度為5時偏小。

6 結論

（1）Abaqus變厚板仿真采用殼單元比實體單元效率更高。

（2）Abaqus中變厚板仿真的虛擬沖壓速度需要兼顧考慮效率和精確度，依據(jù)動能所占內能比例是否小于5%來判別。

（3）過渡區(qū)的材料性能可以進行離散化處理，不同離散程度對應不同的仿真結果，離散程度越大，則越接近實際情況。

參 考 文 獻

[1]R Kopp，C Wiedner，A Meyer.Flexibly Rolled Sh-

eet Metal and Its Use in Sheet Metal Forming[J].Advanced Materials Research，2005（6-8）：81-92.

[2]Hauger.Tailor Rolled Blanks for Automotive Lightw-

eight Engineering[R].Automotive Circle International Conference，F(xiàn)rankfurd，2008：26-27.

[3]杜繼濤.TRB軋制建模及其在汽車覆蓋件上應用的關鍵技術[D].上海：同濟大學，2008.

[4]姜銀方，方雷，李志飛，等.連續(xù)變截面板及其應用中存在的關鍵問題[J].汽車制造技術，2011（1）：144-148.

[5]劉相華，吳志強，支潁，等.差厚板軋制技術及其在汽車制造中的應用[J].汽車工藝與材料，2011（1）：30-34.

[責任編輯：鐘聲賢]