汽車板抗凹性能影響因素數值模擬研究

王連軒,劉天武,楊西鵬

(1. 河鋼集團邯鋼公司,河北 邯鄲 056015;2. 河鋼材料技術研究院,河北 石家莊 050023)

輕量化是汽車行業發展的大趨勢,而高強鋼的應用是汽車輕量化的一個重要手段。目前,汽車外覆蓋件主要用材包括DC53D+Z、HC180BD+Z、HC180YD+Z等,厚度主要范圍0.6～0.7 mm,根據輕量化需求,逯若東、冀鵬等采用高強鋼DP500完成了汽車外覆蓋件的試制[1-2],并開展了抗凹性能測試與分析。然而通過外板高強化使得零件減薄,可能會引起零件“變軟”,為反映這種“軟硬”程度,汪承璞[3]指出試件抵抗凹陷撓曲的彈性變形能力稱為抗凹剛度,對有一定曲率的扁殼覆蓋件,外部載荷作用達到一定程度,抵抗彈性變形的能力突然喪失,發生失穩,這種抵抗失穩的能力稱為抗凹穩定性。為更好的評價材料級別的抗凹性能,國家標準GB/T 34477-2017以及中國汽車工程學會技術規范SAE-China J3201-2013分別制定了金屬材料和汽車覆蓋件板材的抗凹性能試驗方法。通過試驗的方法測定材料的抗凹性能周期長,費用高,為此本文根據SAE-China J3201-2013汽車覆蓋件板材抗凹性能試驗方法建立了抗凹試驗仿真模型,獲得了較高的仿真精度,同時開展了不同材料和不同厚度的抗凹性能仿真分析,獲得了汽車板抗凹性能與材料厚度、強度之間的關系。

1 抗凹性能試驗

本文基于SAE-China J3201-2013《汽車覆蓋件板材抗凹性能試驗方法》,完成了DC53D+Z(0.65 mm)的初始剛度和失穩凹陷載荷的測試。首先將試驗板料沖壓成一定形狀的試樣,然后使用25.4 mm壓頭以10 mm/min恒定加載速度對該試樣中心位置進行加載。試樣中心位置在載荷的作用下發生彈性變形和塑性變形。通過力傳感器輸出載荷-位移曲線,載荷-位移曲線彈性變形階段的斜率代表試樣抵抗局部彈性變形的能力,稱為抗凹初始剛度,選取10 N至25 N之間的載荷-位移數據用最小二乘法線性擬合獲得初始剛度結果。載荷-位移曲線上出現載荷下降而位移繼續增加時發生失穩凹陷,該曲線導數初次為零處所對應的載荷為失穩凹陷載荷[4]。通過以上試驗獲得DC53D+Z試樣的初始剛度和失效凹陷載荷試驗結果(見表1)。

表1 抗凹性能試驗結果

2 抗凹試驗有限元建模

根據SAE-China J3201-2013試驗方法,利用hypermesh、Ls-dyna等商業軟件建立了抗凹試驗仿真模型,具體圖1所示。DC53D+Z抗凹試樣采用殼單元,網格尺寸為5 mm,采用Belytschko-Tsay全積分殼單元方程,厚度方向采用5個積分點。DC53D+Z選取MAT_24號材料模型,密度為7.85e～9 kg/mm3,彈性模量為210000 MPa,泊松比為0.3,屈服強度為151 MPa,通過拉伸試驗仿真對標而獲得材料的真實應力-真實塑性應變曲線[5]。鋼制壓頭采用MAT_20號剛性材料,實體單元,密度7.85e～9 kg/mm3,彈性模量210 000 MPa,泊松比0.3。在抗凹試樣兩側法蘭處約束6個方向自由度,為縮短計算時間,壓頭加載速度設定為1 mm/s。通過DATABASE_RCFORC關鍵字輸出壓頭載荷信息,通過DATABASE_HISTORY_NODE輸出壓頭節點位移信息,從而繪制出載荷-位移曲線。

圖1 抗凹試驗仿真模型

3 仿真結果與試驗結果對比

通過抗凹性能仿真計算,獲得載荷-位移仿真曲線。同樣采用10 N至25 N之間的載荷-位移數據用最小二乘法線性擬合獲得初始剛度,計算曲線導數初次為零處所對應的載荷為失穩凹陷載荷。DC53D+Z(0.65 mm)試樣初始剛度和失穩凹陷載荷的試驗值和仿真結果如表2所示,初始剛度試驗值為86.3 N/mm,仿真結果為86.9 N/mm,仿真誤差為0.7%。失穩凹陷載荷試驗值為87.6 N,仿真結果為89.5 N,仿真誤差為2.2%。通過實驗結果和仿真結果對比看,本文建立的抗凹試驗仿真模型仿真精度較高,能夠準確模擬材料的抗凹性能。

表2 仿真結果與試驗結果對比

4 抗凹性能影響因素

為研究汽車板厚度和強度對抗凹性能的影響規律,本文基于該抗凹試驗仿真模型分別計算了DC53D+Z、HC180BD+Z、HC300/500DPD+Z三種汽車板以及0.55 mm、0.6 mm、0.65 mm、0.7 mm四個厚度下初始剛度和失穩凹陷載荷,另外考慮了預應變(2%)以及烘烤工藝(烘烤溫度170 ℃,烘烤時間20分鐘)對HC180BD+Z的影響,在材料模型中分別輸入原始材料以及烘烤以后材料的真實應力真實塑性應變曲線,并分別計算了試樣的抗凹性能。為便于區分,烘烤后的HC180BD+Z標記為HC180BD+Z-B。不同汽車板材料的抗凹性能仿真結果如表3所示。

表3 不同汽車板材料的仿真結果

從仿真結果可以看出,相同厚度材料的初始剛度相同,與材料強度無關,初始剛度隨著材料厚度的增加而增加。失穩凹陷載荷與厚度和材料強度均有關,對于相同強度的材料,失穩凹陷載荷隨著材料厚度的增加而增加,對于相同厚度的材料,失穩凹陷載荷隨著材料強度的提升而增加,例如HC300/500DPD+Z的失穩凹陷載荷明顯高于同厚度的DC53D+Z。烘烤硬化鋼HC180BD+Z經過了預應變硬化和烘烤硬化,屈服強度提升了約60 MPa,其失穩凹陷載荷也得到了提升,因此對于具有烘烤硬化性能的汽車板,經噴漆烘烤后其抗凹陷能力也將提升。

4.1 初始剛度的影響因素

為分析初始剛度的影響因素,本文分析了DC53D+Z試樣在載荷為25 N時的應力結果,如圖2所示。可以看出,試樣最大應力為72 MPa,位于壓頭直接接觸的位置,由于最大應力遠小于DC53D+Z材料的屈服強度(151 MPa),因此材料處于彈性階段,也就是說在初始剛度的測試范圍(10 N～25 N)內材料均處于彈性階段,未發生塑性變形,因此初始剛度與材料屈服強度無關。另外,從仿真結果也可以看出,相同厚度不同強度的(DC53D+Z、HC180BD+Z、HC300/500DPD+Z)都具有相同的初始剛度,也說明了初始剛度與屈服強度無關。

圖2 載荷25 N下試樣的應力結果

考慮到仿真模型中采用相同的試樣形狀,且不同汽車板材料的彈性模量基本一致,因此初始剛度主要與厚度相關。將初始剛度作為應變量,厚度作為自變量,通過數據擬合,初始剛度Ki與厚度t呈線性關系,方程為,

Ki=Ct-97.9

(1)

式中:C=285.4,該方程擬合優度r2為0.998。

不同厚度初始剛度的仿真結果和按公式(1)擬合的結果見表4所示,可以看出,初始剛度仿真結果和擬合結果基本一致,擬合誤差最大1.2%。初始剛度的仿真結果和擬合曲線如圖3所示,可以看出,仿真結果與擬合曲線吻合度較高,因此該方程能很好的表征初始剛度和材料厚度之間的關系。

圖3 初始剛度與厚度的關系

表4 初始剛度仿真結果及擬合結果

4.2 失穩凹陷載荷的影響因素

本文對DC53D+Z試樣在失穩凹陷載荷下的應力進行分析,應力結果如圖4所示。可以看出,最大應力為167 MPa,稍微大于DC53D+Z的屈服強度(151 MPa)。同樣對HC180BD+Z、HC180BD+Z-B和HC300/500DPD+Z試樣進行應力分析,在失穩凹陷載荷下的最大應力分別為193 MPa、255 MPa和369 MPa,均達到了材料的屈服強度(183 MPa、252 MPa、367 MPa)。也就是說,壓頭加載過程中當試樣的應力達到材料屈服強度后發生了失穩效應,因此失穩凹陷載荷與材料屈服強度有關[6]。通過對比不同厚度和不同強度材料的失穩凹陷載荷結果,可以看出失穩凹陷載荷與汽車板厚度和強度均有關,失穩凹陷載荷隨著厚度和屈服強度的增大而增大。將失穩凹陷載荷作為因變量,厚度和屈服強度作為自變量,通過數據擬合,失穩凹陷載荷Fu與厚度t、屈服強度σs呈冪函數關系,其方程為。

圖4 DC53D+Z在失穩凹陷載荷下的應力結果

Fu=Ctaσsb

(2)

式中:a=2.14,b=0.134,C=116.7,該方程擬合優度r2為0.993。

失穩凹陷載荷仿真結果和按公式(2)擬合的結果如表5所示,可以看出,通過該方程擬合的失穩凹陷載荷與仿真結果之間的誤差很小(<3%),因此該方程能很好的表征失穩凹陷載荷與材料厚度和屈服強度之間的關系。

表5 失穩凹陷載荷仿真結果及擬合結果

5 結論

依據SAE-China J3201-2013汽車覆蓋件板材抗凹性能試驗方法,完成DC53D+Z抗凹性能測試,初始剛度和失穩凹陷載荷分別為86.3 N/mm和87.6 N。根據試驗工況建立了抗凹試驗仿真模型并進行計算,初始剛度仿真結果86.3 N/mm,仿真誤差0.7%,失穩凹陷載荷仿真結果89.5 N,仿真誤差2.2%,仿真精度高。基于該模型,完成DC53D+Z、HC180BD+Z、HC300/500DPD+Z三種汽車板以及0.55 mm、0.6 mm、0.65 mm、0.7 mm四個厚度的抗凹性能仿真分析,獲得了不同厚度汽車板的初始剛度和失穩凹陷載荷數據。通過數據分析:初始剛度與厚度有關,呈線性關系,方程為Ki=Ct-97.9,其中C=285.4;失穩凹陷載荷與厚度和屈服強度均有關,失穩凹陷載荷隨著厚度和屈服強度的增大而增大,失穩凹陷載荷Fu與厚度t、屈服強度σs呈冪函數關系,方程為Fu=Ctaσsb,其中a=2.14,b=0.134,C=116.7。