城市軌道車輛小彎梁成形數值模擬

謝秉順，王興元，朱健軍，魯萬彪，唐晶晶，何亞峰，盧文壯

（1.南車南京浦鎮車輛有限公司工業化部，江蘇南京210031;2.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

0 前言

板料成形是一種復雜的力學過程，它包含幾何非線性、材料非線性、接觸非線性等方面非線性問題，用傳統的解析方法存在求解困難或解析值的誤差較大等問題。隨著計算機技術的不斷進步以及有限元技術的不斷發展，近年來發展了有限元法對板料成形過程進行計算機模擬和分析的新技術［1］。采用有限元法可以預測板料成形過程中的應力、應變規律，模擬成形過程中的起皺、破裂及隨后的回彈，能夠比較準確地分析各種工藝參數對成形過程的影響［2］。沖壓工藝模擬仿真分析有利于工藝人員更好的進行工藝審核，便于制定有效的工藝方案，杜絕不合格品的出現，實現降低成本，提高生產效率，實現沖壓成形工藝的數字化管理。CAD/CAM是軌道交通裝備研制和生產的必然趨勢，本文以城市軌道車輛用某型號小彎梁零件為對象，利用有限元數值模擬技術對小彎梁成形進行分析，得出小彎梁成形極限、應力應變場分布、厚度分布等，為沖壓成形小彎梁類零件的設計及其沖壓成形工藝開發提供參考。

1 幾何模型及有限元模型

研究對象為某型號城市軌道車輛車廂小彎梁零件，成形工藝采用模具沖壓成形。小彎梁成形板料為厚度2mm的Q355GNH高耐侯結構鋼板材。其毛坯尺寸根據零件的實際幾何尺寸，通過有限元分析軟件計算獲得。小彎梁的成形分析幾何模型在Pro/E中建立，如圖1所示。圖中小彎梁成形分析幾何模型包括模具和小彎梁零件兩個部分。根據成形分析要求，幾何模型中模具模型定義為剛性板，小彎梁模型為實體模型。

圖1 小彎梁成形分析幾何模型

板料沖壓成形有限元仿真分析的單元類型有三類，基于薄膜理論的薄膜單元、基于板殼理論的殼單元和基于連續介質理論的實體單元［3，4］。為了更加貼近實際，基于mindlin理論，本文在小彎梁沖壓成形有限元仿真分析中采用BelytSChko—Wong—Chiang薄殼單元。小彎梁是典型的大變形構件，為了減少沖壓分析單元之間應力的間斷性，綜合考慮計算精度和計算時間，小彎梁成形用毛坯板料采用精細的網格劃分，沖壓模具采用剛體材料模型，其網格劃分采用細密網格。網格劃分后的小彎梁成形分析有限元模型如圖2所示。

圖2 小彎梁成形分析的有限元模型

小彎梁成形分析中模具上模運動速度為0.5m/min，模具的下模固定。成形順序為:先上圓弧曲面成形，然后彎梁兩側邊拉伸成形，拉伸成形時對兩邊的下圓弧曲面約束。小彎梁材料Q355GNH高耐侯結構鋼的彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比ν=0.29，密度 7.8×103kg/m3，下屈服強度σs=355MPa，抗拉強度σb≥600MPa，強化系數k=320，硬化指數n=0.21，應變率參數c=40，p=5。

2 小彎梁成形分析結果

2.1 成形預測

成形極限圖（FLD）的基本原理是假設板料變形中一個主應變方向與板面垂直，即法向應變ε3為主應變之一，另兩個主應變ε1、ε2均在板面內，在以試件破裂或失穩時的應變ε1、ε2（長、短軸方向）為坐標軸建立的坐標系中，成形極限曲線將坐標系半平面（ε1＞0）劃分為安全區、臨界區和破裂區三部分，FLD是板料成形數值模擬破裂判斷的主要依據［5］。圖3是小彎梁板材成形的FLD，從圖中可以看出小彎梁板材成形面內應變值基本都落在安全區，對應位置板材不會產生破壞，零件成形面有極少部分應變值落在臨界區，臨界區的材料有可能破裂，也有可能不破裂。FLD中各區域分布和特性為小彎梁板材成形工藝措施改善提供依據。

圖3 小彎梁成形極限圖

成形狀態區域分布圖能夠反映出成形條件下零件沖壓成形的破裂區、危險區、安全區、折皺傾向區和折皺區等區域分布。圖4為小彎梁成形狀態區域分布圖，從圖中可以看出，總體上小彎梁成形基本處于安全區內，在成形條件下小彎梁基本能夠順利成形。但同時圖中也反映出小彎梁的成形區域分布不均勻，小彎梁的彎曲面部分區域有折皺趨勢，在有折皺趨勢的部位需要采取有效的約束或工藝措施來消除折皺。

圖4 小彎梁成形狀態區域分布圖

2.2 MISE應力及應變

小彎梁成形過程中模具以一定的速度和方向沖壓板料，使金屬板材發生彈性和塑性變形。由于非線性因素的相互作用，小彎梁成形過程中的塑性變形非常復雜，成形中應力分布也非常復雜。圖5是小彎梁成形MISE等效應力分布，從圖中可以看出MISE分布不均勻，MISE等效應力值在233.976～434.527MPa之間，在彎梁兩側邊的下部（沖壓過程中最后被拉伸的部位）的拉應力最大，一旦該處拉應力超過材料強度極限，將造成材料拉裂。而在側邊下部側面與底面交界位置很容易形成應力集中，應力集中極易造成材料拉裂。由于在成形工藝中采用了工藝過渡圓弧，有效地消除了在側邊下部側面與底面交界位置處的應力集中，防止該位置材料被拉裂。

圖5 小彎梁成形MISE分布

小彎梁成形過程的應變實際上反映的是小彎梁在沖壓成形中板材處于的壓縮或拉伸狀態。圖6為小彎梁應變分布，從圖6可以看出板材應變分布不均勻，圖6應變的區域位置與圖4成形預測區域基本一致，壓縮應變區域有折皺趨勢。板材的應變從總體上會造成小彎梁成形后不同位置板材截面厚度發生變化。

圖6 小彎梁成形應變分布

2.3 成形厚度

圖7是小彎梁成形厚度分布，從圖中可以看出成形后厚度分布不均勻，最大厚度為 2.165mm，最小厚度為1.414mm。圖7所示小彎梁成形后不同位置板材截面厚度與圖6成形過程應變的區域及變化趨勢基本一致。小彎梁板材在成形過程中受到多重非線性相互耦合作用，使板厚在某些區域發生了明顯變化，這也為板材展開圖精確計算帶來很大的困難。在實際生產中如果能夠掌握板料成形厚度變化規律，則可準確獲得成形零件的板料毛坯結構尺寸，快速設計出成形零件的展開圖，同時也可減少試模次數，降低生產成本，在沖壓成形零件生產中有十分重要的應用。

圖7 小彎梁成形厚度分布

3 結論

采用有限元法可以預測板料成形過程中的應力、應變規律，模擬成形過程中的起皺、破裂，能夠比較準確地分析工藝參數對成形過程的影響。本文利用有限元對某型號城市軌道車輛對小彎梁成形過程進行了數值模擬，獲得了小彎梁成形極限圖、應力及應變分布、厚度分布。研究結果可為小彎梁零件設計及其沖壓成形工藝開發提供參考。

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