汽車門框上條件拉彎成形過程的數值模擬研究*

陳亞兵，夏琴香，沈亞靜，吳 鋒

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640；2.敏實集團廣州敏惠汽車零部件有限公司，廣東廣州 511356）

汽車門框上條件拉彎成形過程的數值模擬研究*

陳亞兵1，夏琴香1，沈亞靜1，吳 鋒2

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640；2.敏實集團廣州敏惠汽車零部件有限公司，廣東廣州 511356）

復雜截面型材的高精度拉彎成形是制造汽車門框的關鍵技術。基于動態顯式有限元軟件ABAQUS/Explicit，針對一種由SPCD與B250P1拼焊板滾壓得到的汽車門框上條型材零件，對其力控制方式的直進臺面式拉彎成形進行了數值模擬研究，對比分析了不同預拉力和不同摩擦系數對型材截面畸變的影響程度。結果表明，增加預拉力可以減小截面畸變程度，但當預拉力大于1.3倍屈服強度時，畸變量反而變大，當預拉應力取1.1倍的屈服強度時，整體的畸變量達最小；當摩擦系數為0.08～0.12時，截面畸變量較小，可以得到較好的成形精度。

拼焊板；型材；拉彎成形；截面畸變；數值模擬

0 引言

目前在汽車行業中，越來越多的人們開始關注輕量化結構設計，減輕車重既可節約能源，又可減少環境污染[1]。汽車門框是轎車上的重要組成部件，通常是通過彎曲工藝來完成。生產中彎曲成形方法很多，其中主要有壓彎、折彎、滾彎和拉彎[2]。拉彎成形是指毛料在彎曲的同時加以切向拉力，改變毛料截面內的應力為拉應力的一種型材彎曲工藝，能夠成形結構復雜、屈服比大的型材，具有彎曲精度高、回彈小、表面質量好的優點[3]。因此拉彎工藝廣泛應用于汽車型材彎曲件的制造中。

對于型材拉彎成形的數值模擬，國內外很多學者進行了相關的研究，其中型材截面有簡單對稱的，也有復雜無規則的；有二維平面拉彎，也有三維空間曲面拉彎；加載方式有力控制的，也有位移控制的。但現有研究普遍都是探討拉彎工藝參數對型材回彈的影響規律[4-8]，也有針對補拉力、摩擦系數對矩形鋁型材拉彎成形精度的影響進行的研究[9]，但對于復雜截面拼焊板型材截面畸變的研究還未見報道。

本文以某汽車門框上條工件為研究對象，其截面形狀復雜、非對稱，成形過程必定存在一定的截面畸變。基于有限元模擬方法進行研究，采用了ABAQUS動力顯示模塊Explict，建立了直進臺面式的拉彎模型，分析了預拉力及摩擦系數對本型材截面畸變變化的影響規律，為復雜截面拼焊板型材拉彎成形工藝參數的選擇提供了參考。

1 型材拉彎有限元模型

1.1 試驗模型

拉彎方式一般包括轉臺式和張臂式兩種。轉臺式拉彎集合了拉彎和繞彎的特點，通用靈活，可成形圓環形、S形等多種類型零件；張臂式拉彎適用于成形幾何尺寸大、直線段較長、三維復雜形狀、可兩件對稱成形的零件。

本文中的某汽車門框上條件不僅具有壁薄、空心的特點，上下部分還分別帶有凸筋特征，截面形狀為非對稱不規則形式，型面為三維變曲率，成形過程復雜，故采用張臂式拉彎成形方式[10]。本文采用先預拉后彎曲的加載方式，試驗模型如圖1所示，在X正方向對工件的兩端施加預拉力F，并保證F大小不變，方向始終垂直于工件端部，使工件橫截面的應力達到屈服極限；然后模具在Y負方向發生S的位移，工件由于受到模具的推力作用開始貼膜[11]。

1.2幾何建模

圖1 直進臺面式拉彎試驗模型原理圖

型材進行拉彎成形涉及到的幾何模型主要是型材和模具，型材采用可變形實體、實體單元；和型材相比，模具的變形量很小，故在此將其視為剛體，采用離散剛體、殼單元進行建模，而為了減少網格數量，加快運行速度，模具只考慮與型材接觸的部分，其他的忽略。

（1）型材模型。型材截面如圖2所示，型材毛坯為長度為1100 mm，壁厚為0.8 mm的直型材。由于型材細長故截面方向上網格尺寸要小些，且截面圓角較多，故在圓角位置均勻分布3個單元，厚度方向劃分兩層，長度方向每5 mm分布一個種子點，網格模型如圖3所示。

圖2 某汽車門框上條件型材截面形狀

圖3 某汽車門框上條件型材的有限元網格劃分

（2）拉彎模具模型。模具的半徑為2 000 mm，所對圓心角為60°。由于模型的形狀、約束、加載等條件具有良好的對稱性，因此只需建立1/2模型進行模擬，這樣可以大大減少計算量，節省計算時間，節約計算機資源。模具對模擬結果影響較小，為了節省計算時間，模具只劃分和型材接觸的面，在圓弧方向每10 mm分布一個種子點，其網格模型如圖4所示。整個裝配后的有限元模型如圖5所示。

圖4 拉彎模具的有限元網格劃分

圖5 型材拉彎的模型裝配圖

1.3 材料模型

型材材料為SPCD鋼與B250P1鋼的拼焊板，經過標準單向拉伸試驗獲得拼焊板的材料特性，其真實應力-應變曲線如圖6所示，屈服強度為282 MPa，抗拉強度為450 MPa，彈性模量E=224 GPa，泊松比為0.3。模擬過程中不考慮材料的各向異性效應，采用VonMises屈服準則，隨動硬化法則。

圖6 真實應力-應變曲線

2 數值模擬結果與分析

本文采用ABAQUS動力顯示算法Explicit模塊對該復雜截面型材模擬計算，分析型材截面畸變，研究預拉力、摩擦系數等因素對截面畸變的影響[4]。

2.1 成形精度的衡量標準

型材彎曲過程中，對于非對稱截面型材，彎曲過程中彎曲力作用點不易通過型材截面的彎心，則型材除了產生彎曲外，還產生一定的扭轉變形。對于本文研究的復雜非對稱截面型材，進行截面畸變的分析時，定義型材中間對稱面三個位移量a，b，c，如圖7所示，規定向內凹為正值，向外凸為負值。

圖7 截面畸變的定義

2.2 預拉力的影響

本文介紹的拉彎成形過程的加載方式是預拉、保持預拉力不變彎曲，但是預拉力的大小會對型材的截面精度造成影響。本文針對這一問題，采用相同的材料SPCD與B250P1拼焊板，摩擦系數取為0.1，預拉力分別取為屈服強度的0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4倍，進行模擬研究，定量分析預拉力對成形精度的影響。

根據模擬結果，得到最易發生截面畸變的中截面對應的a、b、c的數據，作圖8、9、10。由圖8-10可知，當預拉力不足以使型材達到屈服強度時，型材的截面畸變量比較大，尤其是畸變量c為負值，表示型材頂部有往上翹曲的趨勢；而隨著預拉力的增大，畸變量a、b、c都變小，當預拉應力達到1.1倍屈服強度后，畸變量a達到最小，畸變量c由負變正，說明當預拉應力達到屈服強度后型材頂部由上翹轉變為下塌；當預拉應力繼續增大，由圖8、10可知，畸變量a、c隨之變大，畸變量c的變化量比較大；由圖9可知，隨著預拉應力的增大，畸變量b的值有變小的趨勢，當預拉應力達到屈服強度后，畸變量b變化量變小。預拉應力從0.9倍變到1.0倍時，畸變量a、b、c變化劇烈，變形量急劇變化，說明當型材預拉時是否達到屈服強度對于拉彎成形是一個非常重要的影響因素。綜上，當預拉應力取1.1倍的屈服強度時，整體的畸變量達最小。

圖8 不同預拉力對畸變量a的影響

圖9 不同預拉力對畸變量b的影響

2.3 摩擦系數的影響

為了考察不同摩擦系數μ對畸變量的影響，對于預拉應力為1.1倍屈服強度的情況下，改變型材與模具之間的摩擦系數μ=0，0.04，0.08，0.10，0.12，0.15進行模擬，得到畸變量a，b，c與摩擦系數的關系，如圖11所示。

由于摩擦力的存在，拉力均勻傳遞到中間截面比較困難，導致沿型材長度方向拉力分配不均勻。由圖11可知，畸變量a雖然隨著摩擦系數的增加有增大的趨勢，但總體上變化不大，畸變量為0.9 mm左右，說明畸變量a受摩擦系數的影響不大；當摩擦系數為0～0.04時，畸變量b內凹，而畸變量c外凸，且隨著摩擦系數的增加，畸變量變大；當摩擦系數為0.08～0.12時，畸變量b與c較小，且基本保持不變，均表現為內凹；當摩擦系數為0.15時，畸變量b表現為外凸。以上表明了摩擦系數對畸變量b與c的影響較大。

圖10 不同預拉力對畸變量c的影響

圖11 不同摩擦系數u對畸變量的影響

3 結論

本文針對一種典型的汽車門框上條件的SPCD與B250P1拼焊板型材的直進臺面式拉彎成形，利用動態顯示有限元軟件ABAQUS/Explicit進行了數值模擬，對比分析了預拉力、摩擦系數對截面畸變的影響規律，其主要結論如下：

（1）當預拉應力小于屈服強度時，截面的畸變量較大；而當預拉應力大于屈服強度時，截面畸變量較小且變化平穩，取預拉應力為1.1倍屈服強度可得到較好的成形精度；

（2）由于摩擦力的存在，拉力均勻傳遞到中間截面比較困難，導致沿型材長度方向拉力分配不均勻。當摩擦系數為0.08～0.12時，中間截面的畸變量較小，可得到較好的成形精度。

［1］Kleiner M，Geiger M，Klaus A.Manufacturing of light?weight components by metal forming［J］.Annals of the CIRP，2003（52）：521-542.

［2］夏琴香，袁寧.模具設計及計算機應用［M］.廣州：華南理工大學出版社，2008.

［3］《航空制造工程手冊》總編委員會.航空制造工程手冊：飛機鈑金工藝［M］.北京：航空工業出版社，1992.

［4］刁可山，周賢賓，金朝海，等.復雜截面型材力控制拉彎成形數值模擬分析［J］.材料科學與工藝，2004，12（4）：413-416.

［5］王少輝，蔡中義，李明哲.鋁合金型材多點拉彎成形的數值模擬［J］.鍛壓技術，2010，35（2）：66-69.

［6］Miller J E，Kyriakides S.Three-dimensional Effects of The Bend-stretch Forming of Aluminum Tubes［J］.In?ternational Journal of Mechanical Sciences，2003，45（1）：115-140.

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［10］沈亞靜，徐仲祥，夏琴香，等.某汽車門框上條件拉彎成形模具設計［A］.第七屆泛珠三角塑性工程會議論文集［C］.云南昆明，2013：102-106.

［11］胥少東.B299轎車門框拉彎工藝研究及數值模擬［D］.秦皇島：燕山大學，2008.

Numerical Simulation of Stretch Bending of the Upper Strip Used for Automobile Doorframe

CHEN Ya-bing1，XIA Qin-xiang1，SHEN Ya-jing1，WU Feng2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640，China；2.Guangzhou Minhui Automobile Parts Co.，Ltd，Guangzhou511356，China）

High precision stretch bending of complex profile parts is regard as the key technology for manufacturing of automobile doorframe.The process of the stretch bending forming with force-controlled for the typical kind of upper strip of automobile doorframe rolled by the tailor welded blanks of SPCD and B250P1 was simulated by ABAQUS/Explicit，the dynamic explicit FEM software;the influence of different pretension and friction coefficient on the cross-section distortion was investigated.The results show that，generally，the cross-section distortion decreases with the increasing of the pretension;however，when the pretension is 1.1 times of the yield strength，the cross-section distortion is the minimum;when the pretension exceeds 1.3 times of the yield strength，the cross-section distortion increases inversely.When the friction coefficient is between 0.08 and 0.12，the value of cross-section distortion is small and the workpieces with high forming precision can be obtained.

tailor welded blanks；profiled beam；stretch bending；cross-section distortion；numerical simulation

TG386.41

A

1009－9492(2014)07－0047－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.014

陳亞兵，男，1989年生，福建廈門人，碩士研究生。研究領域：塑性加工及模具計算機技術。

夏琴香，女，1964年生，江西九江人，教授，博導。研究領域：塑性加工及模具計算機技術，meqxx?ia@scut.edu.cn。

(編輯：向 飛)

*廣州市科技計劃項目（編號：12A32081585）；廣東省精密裝備與制造技術重點實驗室（編號：PEMT1202）

2014－01－01