沖壓成型歷史對吸能盒變形模式影響的研究

卜曉兵，金旭龍，張桂賢，馮亞玲，張連洪

（1.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2.中國第一汽車股份有限公司 天津技術(shù)開發(fā)分公司，天津 300462）

沖壓成型歷史對吸能盒變形模式影響的研究

卜曉兵1,2，金旭龍2，張桂賢2，馮亞玲2，張連洪1

（1.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2.中國第一汽車股份有限公司 天津技術(shù)開發(fā)分公司，天津 300462）

以企業(yè)某車型的吸能盒為研究對象，將沖壓成型引起的鈑金部件厚度減薄、殘余應(yīng)力和等效塑形應(yīng)變信息映射到臺車碰撞仿真模型中，引入沖壓成型歷史的臺車仿真結(jié)果在變形模式和加速度峰值上比未考慮沖壓成型歷史的臺車仿真結(jié)果更接近于試驗(yàn)測得的數(shù)值；引入沖壓成型歷史可以提高仿真的模擬精度，研究碰撞過程中的變形壓潰模式，可更好的指導(dǎo)汽車車身設(shè)計(jì)，防止過設(shè)計(jì)現(xiàn)象的產(chǎn)生，為企業(yè)節(jié)省研發(fā)時(shí)間和成本。

沖壓成型歷史；臺車；映射；變形模式

0 引言

臺車碰撞試驗(yàn)是較為接近整車碰撞的一種碰撞試驗(yàn)方式，試驗(yàn)時(shí)需要保持臺車重量與整車一致，可以用結(jié)構(gòu)相對簡單的臺車來代替整車進(jìn)行試驗(yàn)[1]。與整車試驗(yàn)相比，臺車試驗(yàn)具有不破壞整車、操作簡單、重復(fù)性好、試驗(yàn)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。

沖壓成型引起的厚度減薄、殘余應(yīng)力、塑形應(yīng)變等可以改變材料的屬性，汽車車身中某些采用沖壓成型的覆蓋件和結(jié)構(gòu)件是汽車碰撞的關(guān)鍵吸能部件，對汽車的結(jié)構(gòu)耐撞性有著重要的作用，尤其是當(dāng)碰撞仿真材料參數(shù)不考慮沖壓成型歷史的理想狀態(tài)下，得到的仿真結(jié)果必然會與實(shí)際情況存在很大的差異。

最先，美國通用汽車公司的Chi-Mou Ni等[1]提出了將沖壓成型歷史信息和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析并行的工程方法；近幾年，F(xiàn)ord公司的Adilson Aparecido等[2]研究了碰撞過程中保險(xiǎn)杠的成型工藝對它計(jì)算精度的影響；一汽技術(shù)中心的劉斌等[3]工程師采用一步成型法，將某款轎車發(fā)動機(jī)罩的沖壓成型歷史信息導(dǎo)入結(jié)構(gòu)仿真模型，研究了厚度變化對仿真模擬結(jié)果的影響；上海交通大學(xué)的曾鵬等[4]研究了沖壓成型導(dǎo)致的帽型沖壓件厚度變化、殘余應(yīng)力和塑形應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)沖壓成型歷史信息對碰撞過程中的壓縮變形量有很大的影響；同濟(jì)大學(xué)的余海燕等[5,6]以轎車的前縱梁總成為研究對象，將沖壓成型信息導(dǎo)入到前縱梁中，分析了這些因素在碰撞過程能量吸收和碰撞力的問題。湖南大學(xué)的張濤[5,6]基于沖壓效應(yīng)的網(wǎng)格變量映射方法對車身薄壁件提出了新的網(wǎng)格變量映射方法，并引入車身薄壁件進(jìn)行碰撞仿真研究。

本文通過對吸能盒以及縱梁進(jìn)行沖壓成型模擬，并將沖壓成型歷史信息引入臺車仿真模型中，通過與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，研究吸能盒的變形模式和壓潰效果，提高臺車和整車的仿真結(jié)果精度。

1 模型建立

吸能盒和縱梁是汽車碰撞過程中關(guān)鍵的吸能部件，吸能盒和縱梁吸能的強(qiáng)弱直接影響到乘員艙的生存空間，是汽車結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。臺車碰撞系統(tǒng)由保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒、縱梁前段、剛性臺車和剛性墻五部分組成。縱梁從懸置點(diǎn)位置斷開，焊接到碰撞臺車上；原因在于碰撞過程中，懸置點(diǎn)剛性很高，此位置斷開，可以更好的模擬整車低速碰撞中的碰撞狀態(tài)。

圖1是碰撞試驗(yàn)臺車，配重按照整車整備質(zhì)量進(jìn)行配重，碰撞速度設(shè)為24km/h。如圖2所示的吸能盒進(jìn)行了噴黑處理，并針對吸能槽位置進(jìn)行了白色劃線，目的是為了在碰撞過程中更好的觀察吸能盒在吸能槽處的壓潰變形模式，縱梁通過螺接連接到試驗(yàn)臺車上。

圖1 試驗(yàn)臺車

圖2 試驗(yàn)部件

在仿真建模中，沖壓的網(wǎng)格和碰撞的網(wǎng)格是兩套網(wǎng)格，沖壓網(wǎng)格要小于碰撞的網(wǎng)格，原因在于沖壓成型仿真須留意凸臺、圓角等細(xì)節(jié)特征，劃分的網(wǎng)格尺寸非常小，一般在1mm，而細(xì)節(jié)部分的網(wǎng)格尺寸小于1mm，以保證成型質(zhì)量。進(jìn)行沖壓成形的部件是吸能盒、縱梁等，沖壓網(wǎng)格不能直接用于碰撞網(wǎng)格進(jìn)行碰撞計(jì)算，如果采用沖壓仿真網(wǎng)格尺寸進(jìn)行碰撞仿真，計(jì)算時(shí)間過長，降低計(jì)算效率，因此需要根據(jù)碰撞仿真的要求重新劃分網(wǎng)格。為了兼顧計(jì)算效率和計(jì)算精度，設(shè)計(jì)了如圖3所示的技術(shù)路線。

圖3 臺車碰撞試驗(yàn)仿真技術(shù)路線

圖4 臺車碰撞仿真模型

圖4是簡化的臺車仿真模型，重量和試驗(yàn)臺車保持一致，碰撞件的離地高度也和試驗(yàn)臺車保持一致，并將沖壓成型歷史信息導(dǎo)入到臺車碰撞仿真臺車中。

2 沖壓成型仿真結(jié)果

沖壓成型仿真分析采用基于Radioss求解器的HyperForm軟件，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.12，一步成型法進(jìn)行沖壓仿真模擬可以提高計(jì)算效率。對臺車模型的吸能盒、縱梁內(nèi)板、縱梁外板以及加強(qiáng)板進(jìn)行了沖壓成型分析。

假定沖壓件在焊裝和夾具的夾持下，保持沖壓仿真模擬的最終形狀，不考慮回彈造成的影響。沖壓成型分析后，需要從仿真結(jié)果輸出dynain文件，該文件包含板料成型后節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、厚度變化、應(yīng)力和塑形應(yīng)變信息，將沖壓成型歷史網(wǎng)格信息映射到碰撞網(wǎng)格時(shí)，需要將*NOOD、*ELEMENT-SHELL-THICKNESS、INITIALSTRESS-SHELL和*INITIAL-STRAIN -SHELL包含的信息添加到碰撞模擬的輸入文件中，并在碰撞模型中檢查碰撞網(wǎng)格的厚度信息是否存在未識別的情況。

圖5 沖壓成型后厚度云圖

如圖5(a)所示的吸能盒最大減薄在波紋槽圓角處，最大的增厚處在翻邊彎曲處。吸能盒和縱梁的部件在實(shí)車中滿足了裝配和質(zhì)量的要求，部件的減薄率都在合理范圍之內(nèi)，吸能盒與縱梁的內(nèi)外板相比，曲面復(fù)雜程度相對較高，拉伸深度大，成型性會相對難一些。

表1 各部件材料及厚度信息

圖6 沖壓成型后殘余應(yīng)力云圖

圖7 沖壓成型后等效彈塑性應(yīng)變云圖

圖6和圖7是通過Radioss仿真的部件沖壓成型后殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變分布云圖，其中圖6中最大的殘余應(yīng)力值接近1000Mpa，最小0.0179Mpa，圖7出現(xiàn)的最大等效彈塑性應(yīng)變超過1.76，最小2.18×10-6，這說明在部件進(jìn)行沖壓成型后材料的殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變數(shù)值很大，并且呈現(xiàn)分布不均性，需要在整車或者分總成的碰撞中考慮殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變，提高碰撞仿真模擬的準(zhǔn)確性。

另外，在部件進(jìn)行沖壓成型過程中，除了材料中產(chǎn)生殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變外，還會引起部件厚度的變化。圖8是映射前后的厚度、殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變的分布，可以看出映射后的厚度、殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變分布的規(guī)律與映射后基本相同，只是在數(shù)值的區(qū)間上會有細(xì)微的差別，引起差別的主要原因有兩個(gè)，一個(gè)是因?yàn)檫M(jìn)行數(shù)據(jù)映射時(shí)，需要建立映射與被映射模型的局部坐標(biāo)系，尤其是在映射時(shí)需要選擇3個(gè)特征點(diǎn)來確定映射的網(wǎng)格信息，而實(shí)際劃分的網(wǎng)格中，由于沖壓成型仿真的網(wǎng)格要比碰撞仿真的網(wǎng)絡(luò)小的多，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)也相對密的多，即使映射三個(gè)特征節(jié)點(diǎn)的位置是一樣的，而其他位置的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)也會存在偏差，會導(dǎo)致坐標(biāo)系的不同，使得本來應(yīng)該在此節(jié)點(diǎn)映射的網(wǎng)格信息產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致網(wǎng)格中厚度、等效彈塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)力信息在映射后產(chǎn)生誤差；另外一個(gè)方面，映射時(shí)除了局部坐標(biāo)系引起的誤差，還有插值近似法引起的誤差，映射獲得節(jié)點(diǎn)數(shù)值時(shí)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不一致會采用插值法獲得節(jié)點(diǎn)的信息，也會引起誤差的產(chǎn)生。

圖8 映射前后厚度、殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變分布云圖

3 碰撞仿真與試驗(yàn)結(jié)果

臺車碰撞的仿真過程中，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠橫梁是輥壓，沒有進(jìn)行沖壓歷史信息的分析，剩下的主要碰撞關(guān)鍵件進(jìn)行了沖壓成形歷史信息分析。圖9是關(guān)鍵件沖壓殘余應(yīng)力云圖，可以看到?jīng)_壓后殘余應(yīng)力的分布，說明在碰撞發(fā)生前，碰撞的沖壓件中已經(jīng)存在一定的預(yù)應(yīng)力，尤其是吸能盒上的預(yù)應(yīng)力分布會影響其在碰撞發(fā)生時(shí)的壓潰模式。

圖9 導(dǎo)入沖壓成型歷史信息的仿真模型

共進(jìn)行了四次的臺車碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證吸能盒的變形模式，試驗(yàn)最終吸能盒的變形模式如圖8所示，可以明顯的看出吸能盒向車身內(nèi)側(cè)彎折變形，吸能槽并沒有很好的起到引導(dǎo)壓潰的作用。

圖10 吸能盒變形模式

考慮沖壓成型歷史的預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)變的存在增加了材料抗變形的能力，沖壓成型產(chǎn)生的拉應(yīng)力增強(qiáng)了材料承受碰撞壓應(yīng)力的能力，增加部件軸向剛度和吸能能力，所以發(fā)生相同變形時(shí)，需要的碰撞力就會顯著的增大。仿真中如果沒有進(jìn)行沖壓信息的映射，因?yàn)闆]有預(yù)應(yīng)力和殘余彈塑性應(yīng)變以及厚度分布信息，吸能盒的壓潰模式呈現(xiàn)順序壓潰的形式，如圖11所示。如果吸能盒和縱梁以及縱梁的加強(qiáng)板增加沖壓歷史信息后，呈現(xiàn)出試驗(yàn)中向內(nèi)的彎折變形模式，如圖12所示。從圖11和圖12的吸能盒變形模式可以看出，在壓潰剛開始的階段，沖壓殘余應(yīng)力對吸能盒的壓潰影響不明顯，當(dāng)吸能槽參與壓潰引導(dǎo)變形時(shí)，從第二張圖以后，可以明顯的看出吸能盒的變形發(fā)生很大的不同，沒有沖壓歷史信息的吸能盒的吸能槽起到了很好的壓潰引導(dǎo)，吸能盒按照吸能槽進(jìn)行順序壓潰，直到壓潰到最后一個(gè)吸能槽；進(jìn)行沖壓成形歷史信息的碰撞模型可以看到，從第二個(gè)吸能槽開始，吸能盒已經(jīng)開始向車內(nèi)側(cè)彎折，一旦發(fā)生彎折變形，后續(xù)的第三個(gè)和第四個(gè)吸能槽完全沒有引導(dǎo)壓潰，導(dǎo)致吸能盒直接向內(nèi)側(cè)彎折變形加大，最終引發(fā)縱梁在吸能盒發(fā)生彎折變形后，直接將吸能盒壓潰，吸能盒吸能減少。

圖11 吸能盒仿真

圖12 加入沖壓成型歷史的吸能盒仿真

圖13 碰撞試驗(yàn)圖像

圖13是臺車碰撞試驗(yàn)圖像，圖13(a)中由于第一個(gè)吸能槽已經(jīng)壓潰，拍攝角度的原因，看到的第一條做標(biāo)記的白線是第二個(gè)吸能槽，此時(shí)的吸能盒已經(jīng)開始向內(nèi)彎折，圖13(b)中向內(nèi)彎折加劇，第三個(gè)吸能槽沒有參與引導(dǎo)壓潰，圖13(c)中吸能盒已經(jīng)完全彎折壓潰。試驗(yàn)的結(jié)果和映射沖壓成形歷史信息的碰撞仿真結(jié)果基本一致，都是從第二個(gè)吸能槽開始向內(nèi)彎折，最終出現(xiàn)吸能盒完全彎折變形。主要是兩個(gè)方面的原因引起：一個(gè)方面是沖壓成型存在的殘余拉應(yīng)力抵消了一部分碰撞產(chǎn)生的壓應(yīng)力，起到了強(qiáng)化的作用，不易發(fā)生變形；另一方面參照應(yīng)力波的傳遞規(guī)律，預(yù)應(yīng)力的存在干擾了碰撞力的傳遞，預(yù)應(yīng)力會與碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力在波的傳播方向上發(fā)生疊加和消減的現(xiàn)象，消減的位置變形小，疊加的位置變形就會增大。

4 結(jié)論

1）采用基于Radioss理論的一步成型法可以很好模擬沖壓成型中厚度分布、殘余應(yīng)力和等效彈塑性應(yīng)變信息；

2）考慮沖壓成型歷史可以增強(qiáng)仿真模擬中部件的軸向剛度，增強(qiáng)抗變形能力和吸能特性，使仿真結(jié)果的侵入速度和侵入量更接近于實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果；

3）加入沖壓成型歷史后可以提高整車側(cè)碰仿真的精度，研發(fā)初期可更好的指導(dǎo)汽車車身設(shè)計(jì)，防止過設(shè)計(jì)現(xiàn)象的產(chǎn)生，為企業(yè)節(jié)省研發(fā)時(shí)間和成本。

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Research on the vehicle side impact with consideration of sheet forming history

BU Xiao-bing1,2, JIN Xu-long2, ZHANG Gui-xian2, FENG Ya-ling2, ZHANG Lian-hong1

TG386

A

1009-0134(2016)12-0050-05

2016-09-07

中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司2015年標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對策項(xiàng)目（YF-15-BZFG-001）

卜曉兵（1982 -），男，山東人，高級工程師，博士，主要從事整車結(jié)構(gòu)耐撞性的研究。