汽車高強(qiáng)度鋼U形件彎曲回彈有限元分析研究

黃能會(huì)　周均濤　張軍建

摘? 要：文章對(duì)汽車高強(qiáng)度鋼進(jìn)行U形彎曲過程中的回彈進(jìn)行了分析，研究了彎曲回彈產(chǎn)生的原因以及利用有限元分析軟件對(duì)U形件進(jìn)行沖壓回彈分析，闡述了在進(jìn)行仿真分析過程中應(yīng)該注意的問題，對(duì)高強(qiáng)度鋼彎曲模具設(shè)計(jì)者有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：回彈;高強(qiáng)度;有限元;彎曲

中圖分類號(hào)：TG386文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）17-0116-02

Abstract： In this paper， the springback of automobile high strength steel in the process of U-shaped bending is analyzed， the causes of bending springback are studied， and the stamping springback analysis of U-shaped parts is carried out by using finite element analysis software. This paper expounds the problems that should be paid attention to in the process of simulation analysis， which has a certain guiding significance for the designers of high strength steel bending die.

Keywords： springback; high strength; finite element; bending

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車數(shù)量的增加影響著大氣污染的環(huán)境問題。為減少污染物排放、降低汽車能耗，實(shí)現(xiàn)汽車的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，人們生活質(zhì)量的提高對(duì)汽車在碰撞后能保護(hù)乘客等安全性能上的要求越來越高，為了實(shí)現(xiàn)保證安全性能的同時(shí)減輕汽車的重量，采用新型的高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼材已成為發(fā)展趨勢(shì)[1]。沖壓作為汽車制造過程中四大工藝的最前工序，其成形結(jié)果對(duì)后續(xù)加工和裝配起著非常大的影響作用。在板料成型過程中，尤其是高強(qiáng)度鋼板，容易出現(xiàn)如破裂、起皺、回彈等缺陷[2]。而回彈是高強(qiáng)度鋼板板料成形過程中最為復(fù)雜的問題[3]。回彈問題的不解決好，對(duì)后續(xù)制件的裝配和實(shí)用性能會(huì)影響很大。

1 高強(qiáng)度鋼回彈

我國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)產(chǎn)業(yè)研究院根據(jù)力學(xué)特性，把屈服強(qiáng)度在210～550MPa和抗拉強(qiáng)度在270～700MPa的鋼為高強(qiáng)鋼，而屈服強(qiáng)度大于550MPa和抗拉強(qiáng)度大于700MPa的鋼為超高強(qiáng)鋼。板料在沖壓過程中受到外力作用就會(huì)發(fā)生彎曲，有彎曲就一定有回彈現(xiàn)象發(fā)生，板料在發(fā)生彎曲過程中，其彎曲的內(nèi)表面受壓應(yīng)力，外表面受拉應(yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)不一致導(dǎo)致板料所受屈服應(yīng)力不一樣，當(dāng)外力移除后，彈性變形區(qū)因回復(fù)而引起回彈。因此，掌握高強(qiáng)度鋼板沖壓成形技術(shù)是我國(guó)當(dāng)前汽車零部件制造行業(yè)急需解決的問題。

2 有限元分析方法

高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越普遍，回彈產(chǎn)生的問題也越來越制約著高強(qiáng)度鋼在汽車行業(yè)中的應(yīng)用，精確的回彈分析預(yù)測(cè)和有效的補(bǔ)償控制在當(dāng)前也越來越重要。隨著借助軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）的日趨成熟，板料成形理論的逐步完善，結(jié)合CAD技術(shù)，CAE技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，對(duì)于提高產(chǎn)品的精度、縮短模具開發(fā)的周期、降低模具制造的成本等都達(dá)到了很多企業(yè)的認(rèn)可。利用CAE軟件對(duì)沖壓全過程進(jìn)行有限元模擬，設(shè)置合理的參數(shù)，結(jié)合實(shí)際模具沖壓產(chǎn)品進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)對(duì)比，就能夠很好的利用好這個(gè)工具，為沖壓模具制造作前期服務(wù)。

2.1 DYNAFORM回彈計(jì)算方法

本論文借助板料成形軟件DYNAFORM對(duì)零件的成型過程進(jìn)行沖壓模擬，DYNAFORM軟件是美國(guó)ETA公司推出的針對(duì)板料成形數(shù)值模擬的專業(yè)化軟件，目前已被世界各大汽車、鋼鐵等單位廣泛應(yīng)用。DYNAFORM軟件是利用LS-DYNA求解器對(duì)板料實(shí)現(xiàn)精確成形與回彈預(yù)測(cè)、回彈補(bǔ)償?shù)确抡娣治觯撥浖[式求解和顯式求解兩種求解方式，其中隱式求解存在迭代計(jì)算收斂性的問題，計(jì)算時(shí)可用較大的時(shí)間步長(zhǎng);顯式求解沒有收斂性問題，但與劃分網(wǎng)格最小尺寸關(guān)系很大，因?yàn)闀r(shí)間步長(zhǎng)由最小單元尺寸所決定。在解決回彈分析問題時(shí)，DYNAFORM軟件采用的是動(dòng)靜聯(lián)合算法求解，即利用動(dòng)力顯式求解器模擬沖壓成形過程，計(jì)算迅速、穩(wěn)定，而且不存在收斂性問題，能實(shí)現(xiàn)顯、隱式無縫集成的功能，將完成沖壓分析后的結(jié)果，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為隱式求解器再進(jìn)行回彈分析。最后，從結(jié)果文件中創(chuàng)建云圖、變形、應(yīng)力分布和動(dòng)畫等，方便查看計(jì)算結(jié)果。

2.2 DYNAFORM回彈計(jì)算過程

DYNAFORM軟件提供回彈的計(jì)算分析方法有兩種方法，一是快速設(shè)置法：如圖1所示，該方法只需要定義工具part就可以按照缺省參數(shù)設(shè)置的方式進(jìn)行回彈仿真分析，此方法雖然簡(jiǎn)單，但在實(shí)際中對(duì)參數(shù)的設(shè)置不符合實(shí)際工況，這種方式只適用于低強(qiáng)度鋼簡(jiǎn)單沖壓件的回彈分析。第二種是采用成形參數(shù)設(shè)計(jì)，按照實(shí)際沖壓工況設(shè)置后進(jìn)行成形分析，如圖2所示，在實(shí)際分析過程中，常采用第二種分析方法，其具體分析過程如下：

（1）將設(shè)計(jì)好的沖壓零件或者模具轉(zhuǎn)化為DYNAFORM所能識(shí)別的文件，導(dǎo)入到分析軟件中，導(dǎo)入后的模型如圖3所示。（2）提取所需要的面進(jìn)行零件層的創(chuàng)建，命名好后為分析工序做準(zhǔn)備。（3）對(duì)板料、凸模、凹模、壓邊圈等進(jìn)行設(shè)置，按照實(shí)際板料的屈服強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。按照實(shí)際模具工作情況進(jìn)行工序、沖壓方向等設(shè)置。（4）將分析任務(wù)提交給管理器進(jìn)行計(jì)算，分析前要對(duì)工序中凸、凹模等模具零件進(jìn)行動(dòng)畫演示模擬分析，確保相互位移運(yùn)動(dòng)的正確性，避免既無法進(jìn)行仿真計(jì)算，又無法得到合理的結(jié)果。（5）查看計(jì)算結(jié)果，包括云圖分析、等值曲線、動(dòng)畫結(jié)果等，如果回彈量不在可容許的范圍內(nèi)，則進(jìn)行回彈補(bǔ)償分析。（6）將最終得到的模面導(dǎo)入到模具設(shè)計(jì)中進(jìn)行真實(shí)模具的設(shè)計(jì)。

2.3 重要參數(shù)設(shè)置

（1）網(wǎng)格劃分，對(duì)各零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，按照適中的原則，盡可能采用尺寸均勻的正方形單元，如果三角形單元不可避免，盡量放在板料的外圍，檢測(cè)板料內(nèi)部沒有自由邊界，同時(shí)不能有重迭的單元。板料網(wǎng)格大小按零件最小圓角的3倍值劃分，R的3倍為最大值，理論上1/4圓弧上要有4個(gè)節(jié)點(diǎn)（3個(gè)單元），零件比較小的時(shí)候，可以適當(dāng)減小網(wǎng)格大小值。對(duì)于回彈分析處理圓角位置時(shí)的時(shí)候，為了讓分析結(jié)果更接近實(shí)際，一般要求回彈分析前，理論上1/4圓弧上要有5個(gè)節(jié)點(diǎn)（4個(gè)單元），如圖4所示：圓弧半徑為3mm，有4個(gè)單元，兩相鄰節(jié)點(diǎn)距離1.17mm，即網(wǎng)格細(xì)分后最小單元網(wǎng)格大小為1mm左右。另外在控制參數(shù)設(shè)置中，最大自適應(yīng)等級(jí)取4。

（2）沖壓材料導(dǎo)入經(jīng)過實(shí)測(cè)的真實(shí)屈服強(qiáng)度的屈服曲線，才能使得計(jì)算結(jié)果更加精確。

（3）沖壓零件工具設(shè)計(jì)參數(shù)：摩擦系數(shù)設(shè)置、模具間隙、壓邊力等在沒有經(jīng)驗(yàn)值的情況下要做正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析。

（4）回彈補(bǔ)償可以進(jìn)行多次反復(fù)的進(jìn)行，直到得到回彈值在可接受的范圍內(nèi)，這樣得到所需要的模面，也就是模具設(shè)計(jì)的面。

3 回彈措施

目前控制高強(qiáng)度鋼回彈的一般方法主要有兩種：一是從模具上進(jìn)行改進(jìn)，采用模面補(bǔ)償，根據(jù)回彈量的大小，修改模面，從而達(dá)到控制回彈的目的，這就需要對(duì)模具進(jìn)行不停的改進(jìn)，甚至在改進(jìn)的過程中將整個(gè)凸、凹模毀掉;二是從沖壓工藝上進(jìn)行控制，調(diào)整摩擦系數(shù)、壓邊力、拉延等來減少回彈。這樣的控制回彈方式使得模具制造的周期長(zhǎng)，制造成本高。

到目前為止，高強(qiáng)度鋼的回彈理論、數(shù)值計(jì)算等都沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，現(xiàn)有的回彈經(jīng)驗(yàn)是針對(duì)以往的低強(qiáng)度鋼總結(jié)出來的。通過軟件進(jìn)行CAE結(jié)合實(shí)踐模具進(jìn)行分析，正交分析出一個(gè)通用的模具型面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并以此為基礎(chǔ)建立比較完善的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如同目前的低強(qiáng)度鋼回彈公式一樣。相信通過這樣的分析方式，我國(guó)的汽車輕量化和高強(qiáng)度制造技術(shù)會(huì)有很大的幫助。

4 結(jié)束語

通過有限元分析軟件可以較好地分析高強(qiáng)度鋼彎曲回彈，能夠直接的對(duì)成形和回彈過程進(jìn)行分析，并較精確的預(yù)測(cè)回彈量，最后通過回彈后的結(jié)果單元，導(dǎo)出成形模面指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)，從而有效的降低模具制造成本，縮短模具制造周期，對(duì)模具設(shè)計(jì)者和沖壓工藝者有一點(diǎn)的指導(dǎo)意義。

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