門外板小尺寸圓角特征線成形失效CAE評估方法

【摘要】為解決小尺寸圓角特征線成形失效計算機輔助工程（CAE）評估困難的問題，針對存在該特征的某車型門外板，利用AutoForm，通過調(diào)節(jié)拉延筋控制材料流入量獲得特征線區(qū)域存在不同成形狀態(tài)的4種門外板模型，分別分析了考慮厚向應(yīng)力和不考慮厚向應(yīng)力的成形情況和實際沖壓情況，結(jié)果表明，厚向應(yīng)力使小尺寸圓角特征線的成形極限降低，進一步成形會發(fā)生不均勻的塑性變形，導(dǎo)致傳統(tǒng)的成形性CAE評估方法不適用于小尺寸圓角特征線。最后，提出了結(jié)合滑移量的小尺寸圓角特征線成形性CAE評估方法，即當(dāng)滑移量不超過5 mm且減薄率和最大非線性失效值均滿足要求時，認為小尺寸圓角特征線不存在成形性風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：車門 小尺寸圓角特征線 沖壓成形 CAE 失效

中圖分類號：TG386.3；U466" 文獻標志碼：A" DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240064

CAE Evaluation Method for Failure of Small Size Fillet Feature Lines

of Door Panels

Deng Guochao， Lin Kai， You Binbo， Li Mengyao， Li Zihao

（GAC Automotive Research amp; Development Center， Guangzhou 511434）

【Abstract】In order to solve the problem of difficulty in Computer Aided Engineering （CAE） evaluation of forming failure of small fillet feature line， for a door outer panel with such feature， AutoForm was used to control the material inflow by adjusting the drawbead， and four kinds of door outer panel models with different forming states are obtained. Meanwhile， the forming condition and practical stamping condition with and without thickness stress are analyzed respectively. The results show that the forming limit of small size fillet feature line is reduced due to the influence of thickness stress， and uneven plastic deformation will occur in further forming， so the traditional formability CAE evaluation method is not suitable for small size fillet feature lines. Finally， a CAE method for evaluating the formability of small fillet feature lines combined with slippage is proposed， that is， when the slippage is less than 5mm and the thickness reduction rate and maximum nonlinear failure value meet the requirements， it can be considered that there is no formability risk of small fillet feature lines.

Key words： Door， Small radius feature lines， Stamping， CAE， Failure

【引用格式】 鄧國朝， 林楷， 尤彬波， 等. 門外板小尺寸圓角特征線成形失效CAE評估方法[J]. 汽車工程師， 2024（11）： 37-42.

DENG G C， LIN K， YOU B B， et al. CAE Evaluation Method for Failure of Small Size Fillet Feature Lines of Door Panels[J]. Automotive Engineer， 2024（11）： 37-42.

1 前言

外觀特征線是汽車造型的重要特征，其風(fēng)格復(fù)雜多變，其中，小尺寸圓角特征線提升了沖壓成形計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真和工藝制造的難度。何星明等[1]以車門為例，對覆蓋件小特征線的滑移線缺陷產(chǎn)生機理進行了分析，認為滑移位移量和接觸壓力是現(xiàn)有CAE判定滑移線嚴重程度的2種方法，建議在同步工程階段進行滑移線評估并制定預(yù)防措施。關(guān)來德等[2]利用AutoForm對某側(cè)圍外板進行模擬分析，對存在開裂風(fēng)險的圓角區(qū)域采取調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、壓邊力等措施降低開裂風(fēng)險。綜上，小特征線的成形問題主要是滑移線缺陷導(dǎo)致的面品問題[3-6]和超過材料成形極限所帶來的成形失效，即開裂[7-8]。

本文針對某具備小尺寸圓角特征線的門外板成形問題，利用有限元分析方法，并結(jié)合實際生產(chǎn)情況，對小尺寸圓角特征線的成形問題進行分析，并修正CAE分析設(shè)置及成形失效評估方法。

2 門外板結(jié)構(gòu)特征

某車型的前門外板造型如圖1所示，該門外板上部區(qū)域存在圓角半徑尺寸極小的主特征線。通過在特征線上作距離相等的系列法向平面，測量法向平面與產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交線位置的夾角α和圓角半徑R，具體位置共9處，見圖1。測量結(jié)果如表1所示，α在134°～139°范圍內(nèi)變化，R在1.6～1.9 mm范圍內(nèi)變化，特征線非常銳利，根據(jù)過往經(jīng)驗，該小尺寸圓角特征線存在沖壓成形開裂風(fēng)險，需通過CAE進一步分析評估。

3 有限元分析及實際沖壓結(jié)果

3.1 材料力學(xué)性能

該前門外板所用材料為GX220BD-ZF鍍鋅鋼板，料厚為0.7 mm，力學(xué)性能如表2所示。此類普通軟鋼在進行有限元仿真分析時，其硬化模型采用Hill準則：

σ=σ₀+Kεⁿ" （1）

式中：σ為真應(yīng)力，σ₀為屈服應(yīng)力，K為強度因子，ε為真應(yīng)變，n為硬化因子。

仿真分析時，屈服模型采用Hill48模型。

3.2 有限元模型建立

根據(jù)前門外板的造型特點，建立拉延工藝有限元分析模型，如圖2所示。由于壓料面落差較大，壓邊圈在-Y方向采用定位銷，如圖2a所示，以避免重力狀態(tài)下材料發(fā)生無規(guī)則竄動。壓邊圈行程設(shè)置為95 mm，壓邊力設(shè)置為2 200 kN。拉延筋的布置形式如圖2b所示，拉延筋采用自適應(yīng)三維模型，考慮過筋減薄效應(yīng)。同時，X方向采用鎖死筋，避免材料流入；Y方向采用雙筋，用于調(diào)整Y向材料流入，針對該門外板特點，-Y方向通過雙筋鎖死，避免材料流入，+Y方向按滿足成形性和提升材料利用率的原則，允許部分材料流入。

由于特征線圓角半徑尺寸較小，為提升仿真準確性，需要減小網(wǎng)格單元尺寸，但會增加接觸處理和矩陣求解的時間[9]，因此，對有限元軟件的網(wǎng)格單元分析參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整，如表3所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

模型的分析結(jié)果如圖3所示，該門外板在常規(guī)的拉延方案下，根據(jù)過往的成形性及剛性評估標準，最大非線性失效值lt;0.8、減薄率lt;25%、主應(yīng)變gt;0.03均滿足要求。

3.4 實際沖壓結(jié)果

在模具加工調(diào)試階段，一般通過提高模具研合率并按CAE分析工藝參數(shù)調(diào)試，使實際生產(chǎn)與CAE分析狀態(tài)一致，避免因?qū)嶋H誤差使實際成形與理論成形結(jié)果不匹配。調(diào)試階段的匹配率越高，零件的成形性與理論情況越接近，越能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

該前門外板的模具需要保證下模特征線的硬度高于45 HRC，上模特征線處采用避空加工方案[10]。在沖壓調(diào)試時，需控制實際材料流入量與前期CAE分析結(jié)果的偏差。圖4所示為相同工藝條件下沖壓過程材料實際流入量與CAE分析結(jié)果，兩者相差不超過5 mm，滿足要求。

4 開裂原因分析與失效評估方法

金屬薄板成形在求解時通常僅考慮平面應(yīng)力的作用，如彎曲應(yīng)力與拉伸應(yīng)力，而厚度方向上應(yīng)力的影響可忽略不計[11]。但小尺寸圓角特征線在板料成形過程中可能會由于小面積的接觸形成不可忽視的正應(yīng)力（即厚向應(yīng)力）[12]，孫利等[13]研究認為模具圓角半徑減小會明顯增加板料-模具界面接觸壓力。閻昱等[14]對TRIP780鋼和304鋼進行了研究，結(jié)果表明，考慮厚向應(yīng)力的材料成形極限曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合度更高，且當(dāng)厚度方向為拉應(yīng)力時，成形極限值更低，即材料的成形性變差。所以，上述方案與實際沖壓結(jié)果不一致，可能為未考慮厚向應(yīng)力所致。

為進一步研究小尺寸圓角特征線實際成形狀態(tài)與CAE分析結(jié)果不一致的原因并獲得更為準確的失效評估方法，本文在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別分析考慮厚向應(yīng)力及未考慮厚向應(yīng)力的情況。

同時，通過調(diào)整圖2b中±Y方向的拉延筋阻力系數(shù)，控制±Y方向的材料流入量，獲得了不同成形結(jié)果的方案，其流入量測量位置為圖1中測點1～測點9，測量結(jié)果如表4所示。其中：方案1為基準方案，即上述常規(guī)方案；方案2在方案1的基礎(chǔ)上，減小-Y方向第二段拉延筋阻力；方案3在方案1的基礎(chǔ)上，減小±Y方向拉延筋阻力，整體降低減薄量；方案4在方案1的基礎(chǔ)上，加大+Y方向拉延筋阻力。

圖6所示為不考慮厚向應(yīng)力的前門外板測點1～測點9處的減薄率和最大非線性失效的CAE分析結(jié)果。根據(jù)標準，減薄率低于25%、最大非線性失效值不高于0.8則產(chǎn)品無失效風(fēng)險，4種方案特征線區(qū)域的成形性有較高的裕度，不存在失效風(fēng)險。

圖7所示為考慮厚向應(yīng)力的減薄率和最大非線性失效的CAE分析結(jié)果。與圖6相比，特征線區(qū)域的減薄率和最大非線性失效值均明顯提高。其中，方案1和方案4按標準判斷均存在失效風(fēng)險，方案2和方案3則處于安全區(qū)域。

針對上述CAE方案同步進行實際沖壓調(diào)試，模具的研合率、材料流入量以及工藝參數(shù)嚴格按上述要求進行，結(jié)果如表5所示。相比于CAE分析結(jié)果（圖7），實際沖壓結(jié)果僅方案2特征線處無失效。說明當(dāng)CAE分析考慮厚向應(yīng)力時，CAE分析結(jié)果仍存在與實際不相符的情況。

如前所述，考慮厚向應(yīng)力條件下的小尺寸圓角特征線成形時，板料在圓角部位受到厚向應(yīng)力σn和圓角根部的拉伸應(yīng)力στ的作用，如圖8所示。在圓角部位厚向應(yīng)力的作用下，材料發(fā)生顯著的加工硬化，成形極限降低，而圓角外區(qū)域仍接近原板料狀態(tài)，2個區(qū)域的力學(xué)性能產(chǎn)生差異[15-16]。當(dāng)圓角區(qū)域的板料滑出圓角根部時，在拉伸應(yīng)力的作用下，圓角附近區(qū)域的板料由于力學(xué)性能的差異發(fā)生顯著的不均勻塑性變形，當(dāng)板料流動量達到一定程度時，板料提前發(fā)生失效。力學(xué)性能的差異導(dǎo)致CAE分析與實際沖壓不同，因此，過往的經(jīng)驗指標并不適用于小圓角成形失效評估，板料滑出圓角的距離也是需要衡量的指標。

進一步測量4種方案特征線處的材料流動量（滑移量），結(jié)果如圖9所示。除方案3外，各方案特征線處的滑移量均小于5 mm。由圖7可知，在考慮厚向應(yīng)力的情況下，方案3的減薄率和最大非線性失效值均最低，但其滑移量最大，大于5 mm，因此，可認為當(dāng)滑移量大于5 mm時，該區(qū)域的變形量超過了材料成形極限，造成開裂。

綜上所述，存在小尺寸圓角的門外板在進行CAE成形分析時，需要進行網(wǎng)格細化，并考慮厚向應(yīng)力，在進行CAE分析結(jié)果評估時，需要結(jié)合滑移量大小綜合判斷。以門外板材料為例，在減薄、最大非線性失效均滿足成形性的前提下：當(dāng)滑移量不超過5 mm時，可認為特征線的成形性滿足要求，滑移量越小，安全裕度越高；若滑移大于5 mm，則特征線存在成形失效風(fēng)險。

5 結(jié)束語

存在小尺寸圓角的門外板產(chǎn)品在沖壓成形時，特征線處的厚向應(yīng)力會導(dǎo)致板料產(chǎn)生加工硬化，降低板料成形極限，當(dāng)板料滑動出圓角時，會產(chǎn)生不均勻的塑性變形，出現(xiàn)失效。

對于存在小尺寸圓角門外板產(chǎn)品的成形性判斷，在CAE分析時應(yīng)進行網(wǎng)格細化且考慮厚向應(yīng)力的影響，在對結(jié)果進行成形性評估時，應(yīng)綜合分析減薄率、最大非線性失效值以及滑移量。在減薄、失效均滿足成形性的前提下，滑移量不超過5 mm時特征線的成形性滿足要求，滑移量大于5 mm時特征線存在成形失效風(fēng)險。

上述評估方法針對常用的門外板材料分析研究獲得，由于其他材料的材料力學(xué)性能，特別是加工硬化效應(yīng)存在差異，滑移量的影響會存在一定差異，需要進一步分析研究。

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（責(zé)任編輯 弦 歌）

修改稿收到日期為2024年3月5日。