基于Dynaform的汽車扭梁成形仿真研究

孟冬菊，楊平

汽車扭梁結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜，沖壓工藝設(shè)計失誤不僅會影響成形零件質(zhì)量還會延誤工期，采用Dynaform軟件對后扭梁的沖壓成形過程進行仿真分析，探究較為合理的工藝設(shè)計方案，避免成形過程出現(xiàn)拉裂、起皺、回彈等表面缺陷。

隨著我國成為世界上第二大汽車生產(chǎn)國，對汽車模具行業(yè)進一步發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。整車中沖壓成形零部件占較大比重，如駕駛室、車身、發(fā)動機和底盤的表面零部件，為提高成形效率，保證成品率，對沖壓工藝設(shè)計提出了更高要求。傳統(tǒng)工藝設(shè)計方法采用“試錯法”，該種方法容易造成巨大的資源浪費，較長的設(shè)計周期，已不能適應(yīng)新時期的要求。

近年來，隨著計算機技術(shù)、有限元仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，利用CAE技術(shù)進行沖壓成形工藝設(shè)計的有限元數(shù)值分析，節(jié)約了大量資源，提高了工藝設(shè)計效率，對傳統(tǒng)工藝設(shè)計方法起到了很好的補充效果。

汽車內(nèi)支撐件后扭梁屬于典型梁類沖壓件，在成形過程中容易發(fā)生起皺、回彈、拉裂及變薄等表面缺陷，影響使用性能。為提高后扭梁沖壓成形成品率，本文借助Dynaform軟件對其沖壓成形過程進行有限元數(shù)值分析，獲得較為合理的工藝設(shè)計參數(shù)，為企業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1. 后扭梁簡介

如圖1所示，為天津某模具公司的汽車底盤后扭梁模型，該模型包括后扭梁上部和下部零件，均為沖壓件，并通過CO2氣體保護焊將后扭梁上下部連接到一起。

汽車后扭梁是汽車的重要組成部分，需大批量生產(chǎn)，零件采用3mm厚B280VK鋼板，該種材料沖壓性能良好，適于沖壓批量生產(chǎn)，這樣不僅能提高生產(chǎn)效率，降低成本，還能夠有效保證零件精度與互換性。本文有限元模擬采用Barlat's-3 parameter Plasticity Model材料模型，該模型適用于任何薄板金屬成形分析，相關(guān)輸入?yún)?shù)如表1所示，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，材料參數(shù)很大程度上決定有限元模擬精度，因在進行有限元仿真模擬前一般要進行相關(guān)試驗或查詢工程材料手冊獲得較為準(zhǔn)確材料參數(shù)。

表1 B280VK材料參數(shù)

圖1 汽車后扭梁模型

圖2 B280VK材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

2. 后扭梁沖壓成形仿真分析

（1）有限元模型 對零件沖壓成形進行計算機仿真，主要包括兩個步驟：第一，利用CAD軟件建立零件幾何模型。第二，將幾何模型導(dǎo)入Dynaform有限元軟件，建立有限元模型，進行有限元前處理、有限元求解和仿真結(jié)果分析。本文僅對后扭梁下部進行有限元分析。

扭轉(zhuǎn)梁下部零件是利用CATIA軟件建立幾何模型，并通過IGES格式輸出，導(dǎo)入到Dynaform中，將模型形面當(dāng)做沖壓模擬中的凹模，劃分網(wǎng)格，然后通過網(wǎng)格偏移生成沖壓凸模和壓邊圈模型，如圖3所示。

（2）邊界條件 接觸設(shè)置：毛坯和模具各個部分間靜摩擦因數(shù)0.125，滑動摩擦系數(shù)取0.1，黏性阻尼系數(shù)取20。工藝參數(shù)設(shè)置：有些需符合實際情況；有些為適應(yīng)分析，需進行相應(yīng)調(diào)整。對于沖壓速度，如選擇實際值，需較長計算時間，因此在顯示求解有限元分析中，采用虛擬沖壓速度，同時考慮到人工動態(tài)效應(yīng)，通常沖壓速度最大值2000~5000mm/s。本研究采用單動拉延成形，即壓邊階段和沖壓階段。首先凹模和壓邊圈閉合，凹模速度2000mm/s；然后凹模帶動壓邊圈完成拉延過程，凹模速度取5000mm/s，壓邊力200kN。

（3）結(jié)果分析 完成上述設(shè)置后，驗證模型運動正確性后，即可利用LS-dyna求解器對當(dāng)前任務(wù)進行求解計算。當(dāng)計算完成后，進入ETA/Post-Processor后處理軟件對仿真結(jié)果進行分析和評價。圖4、圖5分別為沖壓模擬后板料的成形極限圖、厚度分布圖。由圖4可知，沖壓仿真結(jié)果不符合質(zhì)量要求，不僅局部區(qū)域存在破裂危險，且大部分區(qū)域沖壓不完全，存在起皺現(xiàn)象；由圖5 可知紅色區(qū)域厚度約為2.078mm，減薄率為30.7%，藍(lán)色區(qū)域厚度為4.969mm，增厚率約為65.6%，而一般認(rèn)為在成形部分增厚不超過1%，減薄不超過30%，都是可以接受的。通過以上分析可知，該種工藝設(shè)計方案不能進行生產(chǎn)加工。

圖3 有限元模型

圖4 成形極限

圖5 厚度分布

圖6 沖壓工序

表2 工序設(shè)計參數(shù) （mm/s）

3. 改進方案

為解決單工序沖壓不能獲得較為理想的沖壓效果與經(jīng)濟效益，建議采取第二套方案進行分析，即采用工序2沖壓成形，如圖6所示。工序1將坯料拉深成V形截面形狀，工序2將工件拉延成最后零件形狀。

（1）邊界條件 接觸設(shè)置與上述參數(shù)相同。采用工序2單動拉延成形，即第1工序?qū)⑴髁侠映蒝形，第2工序?qū)⒐ぜ映勺罱K形狀，每一工序均包含壓邊階段和沖壓階段參數(shù)設(shè)置如表2所示，凹模運動方向為正。

（2）結(jié)果分析 經(jīng)LS-dyna求解后，進入ETA/Post-Processor后處理軟件對仿真結(jié)果進行分析和評價。圖7、圖8為工序1完成時的成形極限圖、厚度分布圖。由圖7可知，當(dāng)工序1完成時，工件沒有發(fā)生折皺、拉裂等表面損傷；由圖8可知，紅色區(qū)域厚度約為2.570mm，減薄率為14.3%，藍(lán)色區(qū)域厚度為3.006mm，增厚率約為0.2%。由此可知，經(jīng)工序1拉延后，半成品工件沒有發(fā)生損傷，可繼續(xù)進行工序2拉延。

圖9、圖10為工序2完成時成形極限圖、厚度分布圖。由圖9可知，當(dāng)工序2完成時，工件沒有發(fā)生折皺、拉裂等表面損傷；由圖10可知，紅色區(qū)域厚度約為2.505mm，減薄率為16.5%，藍(lán)色區(qū)域厚度為3.010mm，增厚率約為0.3%。由此可知，經(jīng)工序2拉延后，后扭梁成品表面質(zhì)量好，可用于后扭梁批量沖壓生產(chǎn)活動。

文中提出的后扭梁沖壓成形改進方案，雖增加了一個工序，但沖壓成形效果明顯高于改進前，說明通過有限元分析可快速探尋較為合理的工藝設(shè)計方案，為企業(yè)節(jié)約資源、提高效率，迅速響應(yīng)市場需求。

圖7 工序1成形極限

圖8 工序1厚度分布

圖9 工序2成形極限

圖10 工序2厚度分布

4. 結(jié)語

（1）利用Dynaform軟件模擬后扭梁的沖壓成形過程，能夠直觀了解成形過程，觀察沖壓過程工件折皺、拉裂等表面缺陷，縮短模具設(shè)計周期。

（2）通過有限元分析，汽車后扭梁沖壓需采用工序2較為合理，可避免沖壓過程出現(xiàn)折皺、拉裂等缺陷。