基于正交試驗的汽車油箱底殼的成形分析

陳慶，李曉剛，姚野

(首鋼技術研究院用戶技術研究所，北京100041)

1 引言

汽車油箱底殼與一般沖壓件相比輪廓尺寸大、形狀復雜、外形不對稱，一般需要經過包括拉延、切邊、沖孔等工序得到最終零件。在第一工序拉延變形過程中，由于零件拉延深度較大，板料各處的變形和應力不均，拉深表面需要借助壓邊圈下的材料補充，同時內部表面在成形過程中會產生拉延脹形，容易出現起皺和拉裂等缺陷，并且實際成形過程中模具狀態、沖壓工藝參數變化以及材料參數變化都對最終結果產生影響。板料有限元仿真近年來在精度和模擬運算速度上都有較大的提高，使得仿真結果更加準確、可靠，但是數值模擬的結果無法給出各因素變量與評價成形質量的目標之間具體的關系模型，因此我們必須建立多因素變量與成形結果目標之間的數學模型，從而能夠對成形質量進行多方面綜合控制研究［1，2］。為了提高本零件的成形質量，本文通過正交試驗設計與仿真技術相結合，通過大量計算找出了各因素對沖壓成形質量的影響程度以及最優參數組合，為沖壓工藝的制訂和材料準確供應提供指導。

2 數值模擬及模型建立

將油箱底殼零件CAD模型以IGS格式導入軟件如圖1所示，在軟件中進行壓料面和工藝補充面的設計，由于油箱底殼端面為同一平面，使壓料面在此端面生成。在此基礎上調整沖壓方向并偏置出壓邊圈、凸模、凹模，建立的有限元模型如圖2所示。

圖1 零件CAD模型圖

為了更好地控制板料流動，使板料變形流動均勻，在凹模和壓邊圈上建立了等效拉延筋。拉延筋位置和參數設置如圖3所示。

本零件采用ST16牌號矩形材料，板料厚度為0.8mm，坯料尺寸為840mm×660mm，材料性能參數如表1所示。摩擦系數取0.15，壓邊力為F=2.4×106N，計算精確度按常規進行計算。

計算后可以得到成形狀態圖、FLD、主應變云圖、次應變云圖、厚度云圖和減薄率云圖等。本零件成形狀態圖、FLD和厚度減薄云圖如圖4所示。

3 正交試驗方案設計

根據正交試驗設計理論，可以利用數理統計學與正交性原理，從大量的試驗點中挑選適量的具有代表性的點，應用正交表合理安排試驗［3］。正交試驗的設計方法具有水平均勻性和搭配均勻性，選擇的試驗的每個因子的水平出現次數相同，每個水平的因子不重復出現，并且任何兩個因子搭配都以相同的次數出現。

圖2 有限元模型圖

圖3 拉延筋位置及參數設置圖

表1 ST16材料參數表

圖4 成形后各云圖與FLD

正交試驗可以確定各因素對響應指標的影響程度，并且能夠得到最佳響應指標各因素的設定水平以及各因素對響應指標影響最小的水平而得到最佳水平值。

在本文正交試驗設計中，因素為壓邊力、摩擦系數、屈服強度、抗拉強度、n值、r值等6個，響應指標為零件的最大減薄率，此指標能夠評定零件是否發生開裂和起皺。采用以表2所示正交表L25即6因素、5水平的25項試驗進行計算。通過計算得到表3的仿真結果。

4 數據處理及結果分析

(1)直觀分析。根據仿真計算結果，初步分析第5組和第11組數據最大減薄率為21.559 2%和21.713 9%時最好，第23組數據最大減薄率為50.531 3%最差。但哪個因素是關鍵影響因素無法判斷，不能起到選優的作用。因此，需要對結果進行深入分析。

表2 正交試驗設計各因素水平表

表3 正交試驗設計結果表

(2)極差分析。6因素在5水平下的最大減薄率之和為K1～K5，6因素在5水平下的最大減薄率平均值為k1～k5，平均值的最大最小值之差即為6因素的極差值R，通過R的大小可以得到對響應指標影響程度的排序，即影響程度大小為摩擦系數＞屈服強度＞抗拉強度＞壓邊力＞r值＞n值。

表4 仿真結果極差分析表

(3)優選方案。通過k1～k5的數據可以看出，屈服強度最優值即k值為最小值時選擇115MPa，同理抗拉強度選擇300MPa，n值選擇 0.26，r值選擇 2.1，壓邊力選擇230kN，摩擦系數選擇0.143。

5 結論

(1)通過有限元仿真軟件對汽車油箱底殼進行了有限元模型建立并進行仿真計算，利用正交試驗設計方法對壓邊力、摩擦系數、屈服強度、抗拉強度、n值、r值等6個因素設計，并通過仿真軟件進行模擬分析，確定了6個因素對本零件沖壓成形質量的影響程度大小為摩擦系數＞屈服強度＞抗拉強度＞壓邊力＞r值＞n值;

(2)對數據對比分析，找到了優選方案的材料工藝參數組合即屈服強度為115MPa，同理抗拉強度為300MPa，n值為0.26，r值為2.1，壓邊力為230kN，摩擦系數為0.143;

(3)影響實際生產時零件產生開裂的原因除了以上6因素外還有其他因素，利用有限元仿真手段能夠大大縮短設計開發和現場調試時間，并能夠及時調整和優化參數，也為材料參數的選取提供了可靠依據。

［1］唐遠志，向雄方．汽車車身制造工藝［M］．化學工業出版社，2009．

［2］李飛舟．板料成形CAE設計及應用［M］．北京航空航天大學出版社，2010．

［3］唐永林．現代汽車板工藝及成形理論與技術［M］．冶金工業出版社，2009．