鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板成形性CAE分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳龍 程芳 呂振偉

河南森源重工有限公司 河南省長(zhǎng)葛市 461500

1 引言

數(shù)據(jù)表明[1]，乘用車每減重10%，能耗下降8%，排放降低4%。對(duì)電動(dòng)車而言，在電池能量的限制下，盡可能的減輕車身重量，是增加電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的重要手段。鋁合金是目前最理想的輕量化材料，具有密度低、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，鋁合金車身結(jié)構(gòu)具有更高的剛度，且在發(fā)生碰撞的過(guò)程中產(chǎn)生變形，能夠吸收更多的碰撞能量，從而確保乘員的安全。與碳纖維等材料相比，鋁合金的生產(chǎn)成本低、使用范圍廣，回收率可達(dá)90%，是汽車輕量化的首選材料[2-3]。

利用有限元軟件對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析[4-6]，能有效的降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)生產(chǎn)周期。AutoForm是一款有效的薄板成形CAE分析軟件，可以對(duì)薄板成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析，幫助研發(fā)人員優(yōu)化成形結(jié)構(gòu)及參數(shù)。其分析過(guò)程如圖1：

在乘用車研發(fā)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的設(shè)計(jì)及制造是重要的一環(huán)，其形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸變化大，成形過(guò)程十分復(fù)雜。借助AutoForm軟件對(duì)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析，通過(guò)分析成形過(guò)程中材料的減薄及起皺風(fēng)險(xiǎn)，判斷成形的好壞，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

2 鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板模型建立及參數(shù)定義

鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板模型如圖2所示，并采用BT殼單元對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板

選用鋁合金材料為5182鋁合金，板材尺寸為1570*1040*0.8mm，其材料的各項(xiàng)性能如表1所示：

定義材料屬性及工藝參數(shù)后，對(duì)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析計(jì)算。

3 結(jié)果分析

當(dāng)成形過(guò)程到底后，對(duì)零件沖壓過(guò)程的成形性、減薄率及起皺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并依此對(duì)零件的成形性能進(jìn)行評(píng)定。

3.1 成形性分析

材料的成形性模擬結(jié)果如圖3所示：

從圖3中可以看到，在現(xiàn)有工藝參數(shù)下對(duì)該結(jié)構(gòu)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板進(jìn)行沖壓，零件整體成形良好，但局部區(qū)域（圖3紅色區(qū)域）有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

成形極限圖（FLD）可以用來(lái)評(píng)定薄板在沖壓過(guò)程中的成型性能，能夠直觀的表明薄板在沖壓過(guò)程中的變化情況。鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的成形FLD分布如圖4所示，結(jié)果表明在FLD曲線以下10%的安全裕度無(wú)危險(xiǎn)點(diǎn)。

3.2 減薄率

在零件沖壓過(guò)程中，在沖壓力的作用下，部分材料區(qū)域會(huì)發(fā)生減薄現(xiàn)象，但材料的減薄尺寸需要控制在一定的范圍內(nèi)，超過(guò)這個(gè)范圍，零件就有發(fā)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。在模擬分析過(guò)程中，判斷減薄是否會(huì)引起開(kāi)裂的標(biāo)準(zhǔn)如表3：

圖1 AutoForm分析過(guò)程

表1 材料性能

表2 工藝參數(shù)

圖3 沖壓模擬結(jié)果

圖4 成形FLD

在鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板沖壓模擬中，我們得到該沖壓過(guò)程的減薄率如圖5所示：

從圖中可以看到，除邊部區(qū)域有些許增厚，其余區(qū)域均為減薄，最大減薄率出現(xiàn)在中間結(jié)構(gòu)區(qū)域，最大減薄率為24.4%.對(duì)比表3的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可知，該沖壓過(guò)程中零件局部區(qū)域的減薄率較高，有產(chǎn)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 減薄率引發(fā)開(kāi)裂的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

3.3 起皺

零件的起皺風(fēng)險(xiǎn)如圖6所示。

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)不同區(qū)域表面的起伏高度超過(guò)一定值時(shí)（壓料面＞0.05，凸模與凹模圓角＞0.02，平坦面＞0.001）有起皺風(fēng)險(xiǎn)，從圖6中可以看出，零件沖壓過(guò)程中可能發(fā)生起皺的區(qū)域均在薄板的邊緣部位，對(duì)零件的影響較小。

圖5 減薄率分布

圖6 起皺風(fēng)險(xiǎn)分布

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖壓成形模擬，我們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)局部區(qū)域（圖3所示）有發(fā)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，為了消除該風(fēng)險(xiǎn)，我們對(duì)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。

針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)行不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將圖7a中的R角由R3加大到R5，R9加大到R15，以降低成形破裂風(fēng)險(xiǎn)；將圖7b中的R角由R12增大到R20，斜度加大10°，并將所有凹坑兩端頭改為平緩過(guò)渡，以降低成形破裂風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)，沖壓出來(lái)的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板實(shí)物如圖8所示，可以看出，零件表面平整，結(jié)構(gòu)完好，模擬分析有破裂風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，成形效果良好，有效消除了破裂風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用AutoForm有限元分析軟件對(duì)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的沖壓成形進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)原有結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的減薄率達(dá)到24.4%，有發(fā)生開(kāi)裂的可能。通過(guò)增大R角，將原有額R3增大到R5，R9增大到R15，R12增大到R21，并加大斜度，修改凹坑兩端頭為平緩過(guò)渡，以消除開(kāi)裂趨勢(shì)。并依據(jù)修改后的結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)出了合格的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板零件。

圖7 具有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域

圖8 鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板