沖壓工藝對汽車覆蓋件抗凹性能影響研究

劉俊紅，張雷，胡高寧

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

沖壓工藝對汽車覆蓋件抗凹性能影響研究

劉俊紅，張雷，胡高寧

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

抗凹性是評價和反映汽車覆蓋件表面質量和使用性能的一項重要指標。文章以某車型前門、發動機艙蓋、后背門覆蓋件的三種材料為研究對象，基于數值模擬法，從抗凹剛度、抗凹穩定性以及局部凹痕抗力三方面分析研究沖壓工藝對汽車覆蓋件抗凹性能的影響，進而為抗凹目標值的設定提供參考。

抗凹性；覆蓋件；沖壓工藝；數值模擬

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)11-19-04

1 引言

近年來，車身外形的設計及制造能力是衡量汽車外形發展水平的一個重要標志。車身外形是由大尺寸的覆蓋件組成，常常會受到按壓、倚靠及石子沖擊等載荷作用，使覆蓋件發生凹陷撓曲甚至是永久性的凹痕。車身覆蓋件承受外部載荷作用時抵抗凹陷彎曲及局部凹痕變形，保持形狀的能力稱為抗凹性[1]。抗凹性是評價和反映汽車覆蓋件表面質量和使用性能的一項重要指標。

汽車覆蓋件主要是通過沖壓工藝使其成型，沖壓會對覆蓋件材料產生沖壓硬化和延伸變薄等影響，導致覆蓋件材料發生變化，影響其抗凹性能，本文主要研究沖壓工藝對覆蓋件抗凹性能的影響。

2 抗凹性評價指標

覆蓋件抗凹性能評價主要包括抗凹剛度、抗凹穩定性及局部凹痕抗力三個方面。

抗凹剛度是指覆蓋件抵抗凹陷撓曲的彈性變形的能力，利用載荷-位移曲線表示，如圖 1（a）所示，覆蓋件的抗凹剛度隨著力的增加發生變化。抗凹穩定性是試件在外載荷達到一定程度時，抵抗彈性變形的能力突然喪失，發生失穩的現象，如圖 1（b）所示，當加載的力到一定程度時，位移發生變大的現象。局部凹痕抗力是指試件在外載荷作用下發生凹陷，載荷除去后，試件表面會有局部永久凹陷保留，是覆蓋件抵抗局部凹陷的塑性變形能力。其中，抗凹剛度和抗凹穩定性是體現覆蓋件的彈性性能，局部凹痕抗力是體現覆蓋件的塑性性能[2-4]。

圖1 力—位移曲線

3 沖壓工藝對材料性能的影響

通過沖壓工藝使覆蓋件成型，但是在沖壓過程中會使覆蓋件的材料性能發生變化，影響材料的屈服強度、抗拉強度以及材料本身厚度。本文以某車型前門為例，對其前門、發動機艙蓋和后背門外板原始材料及沖壓后的材料進行力學性能研究及厚度測量，截取樣件平整區的板材，如圖2所示，其中，前門外板采用的材料為 DC04，發動機艙蓋外板采用的材料為DC03，后背門外板采用的材料為DC06。

圖2 材料取樣

將截取的板材加工為靜態拉伸試樣，每個外板取三個試樣進行試驗，利用砂紙將試樣表面的底漆除去，如圖3所示，測量試樣厚度并記錄，如表1所示。通過電液伺服疲勞試驗系統-MTS Landmark進行靜態拉伸試驗，如圖4所示。

圖3 發動機艙蓋靜態拉伸試樣

表1 材料厚度變化

圖4 電液伺服疲勞試驗臺

通過靜態拉伸試驗，得到材料沖壓前后的屈服強度及抗拉強度，如圖5和圖6所示。由試驗數據可以看出，三種材料沖壓后屈服強度均增加了一倍左右；抗拉強度基本上沒有變化。

圖5 沖壓前后屈服強度對比

圖6 沖壓前后抗拉強度對比

原始鋼板在沖壓過程中，材料發生塑性流動，產生冷作硬化現象，有的區域會變薄。因此，沖壓后的鋼板，其屈服強度有所提高，但塑性變形和伸長率有所降低。

4 建立有限元模型

利用Hypermesh軟件建立前門、發蓋和后背門的有限元模型，此外，還需建立壓頭有限元模型。

（1）前門有限元模型

根據前門的數模進行網格劃分，主要包括外板、內板、加強板及防撞梁等幾部分，因車門主要是由鈑金件構成，所以采用殼單元劃分網格。網格劃分完成后對其賦予屬性及材料，并按樣車實際情況對各零件進行焊接、膠粘、包邊和螺栓連接。根據前門閉合工況對其進行邊界約束，其中，約束上下鉸鏈123456 DOF，約束鎖扣123456 DOF，如圖7所示。

圖7 前門邊界條件

（2）發動機艙蓋有限元模型

根據前門的建模方式建立發動機艙蓋有限元模型，邊界條件為約束鉸鏈123456 DOF，約束鎖扣123456 DOF，緩沖塊約束3 DOF，如圖8所示。

圖8 發動機艙蓋邊界條件

（3）后背門有限元模型

同樣，根據前門的建模方式建立后背門有限元模型，邊界條件為約束鉸鏈123456 DOF，約束鎖扣123456DOF，緩沖塊約束1 DOF，如圖9所示。

圖9 后背門邊界條件

（4）壓頭有限元模型

根據試驗壓頭（直徑為 80mm）建立其有限元模型，單元類型為六面體網格，為方便與覆蓋件建立接觸面，在體單元表面建立殼單元，如圖10中紅色單元。

圖10 壓頭有限元模型

5 抗凹性能的數值分析

模型建立完成后，利用Hypermesh軟件中的Abaqus版塊進行處理，首先建立覆蓋件與壓頭之間的接觸面，如圖11所示，然后進行工況設置：Step1：加載150N的壓力；Step2：加載400N的壓力；Step3：卸載。

圖11 前門與壓頭接觸面

利用 Abaqus求解器分別對沖壓前后兩種材料特性曲線下的前門、發蓋和后背門進行抗凹計算求解，結果如表2所示。以前門為例得到的力—位移曲線，如圖12所示。

圖12 前門力—位移曲線

表2 兩種材料特性曲線下抗凹計算結果

通過對比三種材料沖壓前后的抗凹計算結果，可以看出經過沖壓工藝后，覆蓋件的抗凹剛度、加載位移基本上無變化，但殘余位移明顯減小。

6 結論

通過對沖壓前后覆蓋件的材料進行靜態拉伸試驗，得到其屈服強度及抗拉強度，基于數值模擬法，對某車型前門、發動機艙蓋和后背門覆蓋件進行計算分析，得到加載力-位移曲線，從沖壓前后對比結果中可以看出，沖壓工藝對材料的抗凹剛度和抗凹穩定性基本上沒有影響，對局部凹痕抗力影響較大，為抗凹殘余位移目標值的設定提供參考。

[1] 郝琪, 陳瑩. 基于數值模擬的車身材料抗凹性分析[J]. 湖北汽車工業學院學報,2008,22(2): 11-14.

[2] 韋勇, 裴磊, 成艾國. 基于 ABAQUS的汽車覆蓋件抗凹性分析[J]. 材料導報，2015,29(8):70-75.

[3] 李石. 轎車屈曲、抗凹性能分析及優化[J]. 合肥工業大學學報,2009,32:18-20.

[4] 李東升, 周賢賓. 雙曲扁殼覆蓋件抗凹性的定量評估[J]. 機械工程學報, 1998( 1) : 12- 15.

Study on the Effect of Stamping Process on the Dent Resistance of Automobile Panel

Liu Junhong, Zhang Lei, Hu Gaoning
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Dent resistance is an important index to evaluate and reflect the surface quality and performance of automobile panel. The three materials of the front door, hood and back door of one car are taken as the research object. The effect of stamping process on the anti-concave performance of automobile panel was studied from the anti-concave stiffness, anti-concave stability and local dent resistance based on the numerical simulation method and provided a reference for setting the anti-concave target value.

dent resistance; panel; stamping process; numerical simulation

U466

：A

：1671-7988 (2017)11-19-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.11.008

劉俊紅，女，（1981-），研究生，就職于安徽江淮汽車集團有限公司技術中心，CAE分析專家，主要從事整車結構強度及疲勞耐久CAE仿真分析、性能開發、技術管理。