高強板材在車身制造過程中的碰撞性試驗研究

周焱

（上海理工大學，上海 200093）

高強板材在車身制造過程中的碰撞性試驗研究

周焱

（上海理工大學，上海 200093）

以某汽車側碰中的主要承載和吸能部件帽形加強板為例，通過引入成形因素前后仿真結果的對比分析，研究了成形工藝引起的厚度變化和殘余應變對其碰撞性能的影響，并與平均碰撞力的經驗公式及試驗結果進行了對比。結果表明，在汽車結構碰撞仿真中應考慮成形工藝因素引起的影響，厚度不均與塑性硬化均不可忽略，以提高碰撞分析的精度，得到更為符合實際情況的模擬結果。

高強板材 汽車 耐撞性

1 試驗過程

本文用于仿真和試驗研究的對象為某款 SUV車第四橫梁帽形加強板，材料是高強低合金鋼 HSLA300，屈服應力350MPa，設計厚度是1.1mm，實驗中為便于安裝到臺車上，用線切割工藝加工成長度為135mm。試驗在自行開發的臺車碰撞試驗平臺上進行，在碰撞開始的瞬間，啟動數據采集系統，以獲得碰撞時的速度、加速度、碰撞力等所需試驗數據。實驗臺車重100kg，在兩側彈性繩的牽引下沿導軌撞向剛性墻。實際試驗時，帽形件是通過焊接工藝安裝到臺車前端面上的，為了消除零件端部因焊接引入的影響，經過反復調試（調整兩側彈性繩的數目），選定以初始速度4.9m/s進行碰撞，使得碰撞結束后零件只有前半部分發生壓潰變形。另外，零件的安裝位置通過臺車的縱向對稱面并與臺車重心處于同一水平面上，這與仿真分析的設置是一致的。力傳感器、速度傳感器及三向加速度傳感器位于臺車前端安裝面板背面，仿真中輸出此點的信息以進行對比。

圖1 沖壓成形后碰撞力-時間曲線（a）和變形形貌（b）

圖2 塑性應變（a）應變分布（b）截面塑性應變分布

2 試驗結果

經沖壓工藝后的成形件都是帶有成形效應的，根據成形仿真預示和實際生產經驗，本例中的帽形加強板平均產生了0.1的塑性應變，厚度減薄大約10%，即沖壓成形后的零件屈服應力σf由350MPa上升為460MPa，而厚度t由1.1mm減薄為0.99mm，根據平均碰撞力公式［1，2］：

其中，L=4f+2w+2h，f為法蘭高度，h為截面高度，w為凸緣寬度，t為材料厚度，σf為平均流動應力，可以計算出單帽形梁軸向壓潰時的平均碰撞力為：Fm=8.22×2201/3×460×0.995/3≈2.24× 104N。

試驗測得的碰撞力-時間曲線如圖1，計算其平均值為2.31× 104N，與平均碰撞力公式計算得到的理論值比較吻合，誤差約為3.1%。在通常情況下，材料的屈服應力σf=350MPa，t=1.1mm，計算可以得到其平均碰撞力為1.99×104N，這與平均碰撞力公式得到的理論值誤差較大，約為11.3%。

根據實際生產工藝情況，該帽形件成形仿真中采用雙動拉伸，壓邊力設置為恒定值25噸，潤滑狀態良好，摩擦系數取0.125，為了縮短仿真計算時間，虛擬拉延速度設為5000m m/s，壓邊間隙固定為1.1*t（t為板料厚度）。初始板料形狀為矩形，厚度t=1.1mm，尺寸為135*125mm，HSLA300材料的成形參數為強度系數632K/MPa，應變硬化指數為0.15，0度、45度和90度各向異性系數都為1.03。

材料在屈服滑移之后重新加載，變形抗力會增加，力學性能發生變化，材料冷作硬化的程度與塑性變形量有關，對同一個沖壓件，不同部位在沖壓過程中的塑性變形量是不同的，所以從精確分析的角度來說，應該對計算模型中的各個單元施加不同的等效塑性應變才能正確地模擬沖壓后零件的真實情況。本文中單帽形件在25t恒定壓邊力條件下經增量法成形及切邊回彈后的塑性應變分布如圖2（a）。在距離前端面65mm處橫截面（A-A）的等效應變大小如圖2（b）。

零件側壁由于成形過程中的擠壓和摩擦力的作用，變形比較劇烈，成形后等效塑性應變較大，最大值達0.25，而縱梁底部及法蘭區較平坦，殘余應變較小。若材料發生0.1的塑性應變，其屈服應力將由350MPa上升到460MPa，提高110MPa，可見塑性硬化對材料屈服強度的影響很大。

大部分文獻資料在成形模擬中使用自適應網格技術，導致成形結果中的模型網格尺寸較小，為了保證仿真精度，以3mm網格尺寸生成有限元模型，并以LS-DYNA為求解器進行板料成形及切邊回彈模擬，后續碰撞過程采用同一套有限元網格，并采用網格信息映射技術，將模擬結果dynain文件中包含的成形后板料網格的幾何、厚度、殘余應力、塑性應變等信息引入到碰撞性能分析的有限元模型中。由于采用的兩種網格是一致的，它們之間的信息映射應該是一一對應的，可以在實際生產過程中得以推廣應用。

［1］劉紅生，邢忠文，雷成喜.不具冷卻系統下高強鋼BR1500HS的熱沖壓成形質量［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China.2012，（82）：542-547.

［2］林忠欽.汽車車身制造質量控制技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.