高強板材在車身制造過程中的碰撞性試驗研究

周焱

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

高強板材在車身制造過程中的碰撞性試驗研究

周焱

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

以某汽車側(cè)碰中的主要承載和吸能部件帽形加強板為例，通過引入成形因素前后仿真結(jié)果的對比分析，研究了成形工藝引起的厚度變化和殘余應(yīng)變對其碰撞性能的影響，并與平均碰撞力的經(jīng)驗公式及試驗結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明，在汽車結(jié)構(gòu)碰撞仿真中應(yīng)考慮成形工藝因素引起的影響，厚度不均與塑性硬化均不可忽略，以提高碰撞分析的精度，得到更為符合實際情況的模擬結(jié)果。

高強板材 汽車 耐撞性

1 試驗過程

本文用于仿真和試驗研究的對象為某款 SUV車第四橫梁帽形加強板，材料是高強低合金鋼 HSLA300，屈服應(yīng)力350MPa，設(shè)計厚度是1.1mm，實驗中為便于安裝到臺車上，用線切割工藝加工成長度為135mm。試驗在自行開發(fā)的臺車碰撞試驗平臺上進行，在碰撞開始的瞬間，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以獲得碰撞時的速度、加速度、碰撞力等所需試驗數(shù)據(jù)。實驗臺車重100kg，在兩側(cè)彈性繩的牽引下沿導(dǎo)軌撞向剛性墻。實際試驗時，帽形件是通過焊接工藝安裝到臺車前端面上的，為了消除零件端部因焊接引入的影響，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試（調(diào)整兩側(cè)彈性繩的數(shù)目），選定以初始速度4.9m/s進行碰撞，使得碰撞結(jié)束后零件只有前半部分發(fā)生壓潰變形。另外，零件的安裝位置通過臺車的縱向?qū)ΨQ面并與臺車重心處于同一水平面上，這與仿真分析的設(shè)置是一致的。力傳感器、速度傳感器及三向加速度傳感器位于臺車前端安裝面板背面，仿真中輸出此點的信息以進行對比。

圖1 沖壓成形后碰撞力-時間曲線（a）和變形形貌（b）

圖2 塑性應(yīng)變（a）應(yīng)變分布（b）截面塑性應(yīng)變分布

2 試驗結(jié)果

經(jīng)沖壓工藝后的成形件都是帶有成形效應(yīng)的，根據(jù)成形仿真預(yù)示和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，本例中的帽形加強板平均產(chǎn)生了0.1的塑性應(yīng)變，厚度減薄大約10%，即沖壓成形后的零件屈服應(yīng)力σf由350MPa上升為460MPa，而厚度t由1.1mm減薄為0.99mm，根據(jù)平均碰撞力公式［1，2］：

其中，L=4f+2w+2h，f為法蘭高度，h為截面高度，w為凸緣寬度，t為材料厚度，σf為平均流動應(yīng)力，可以計算出單帽形梁軸向壓潰時的平均碰撞力為：Fm=8.22×2201/3×460×0.995/3≈2.24× 104N。

試驗測得的碰撞力-時間曲線如圖1，計算其平均值為2.31× 104N，與平均碰撞力公式計算得到的理論值比較吻合，誤差約為3.1%。在通常情況下，材料的屈服應(yīng)力σf=350MPa，t=1.1mm，計算可以得到其平均碰撞力為1.99×104N，這與平均碰撞力公式得到的理論值誤差較大，約為11.3%。

根據(jù)實際生產(chǎn)工藝情況，該帽形件成形仿真中采用雙動拉伸，壓邊力設(shè)置為恒定值25噸，潤滑狀態(tài)良好，摩擦系數(shù)取0.125，為了縮短仿真計算時間，虛擬拉延速度設(shè)為5000m m/s，壓邊間隙固定為1.1*t（t為板料厚度）。初始板料形狀為矩形，厚度t=1.1mm，尺寸為135*125mm，HSLA300材料的成形參數(shù)為強度系數(shù)632K/MPa，應(yīng)變硬化指數(shù)為0.15，0度、45度和90度各向異性系數(shù)都為1.03。

材料在屈服滑移之后重新加載，變形抗力會增加，力學(xué)性能發(fā)生變化，材料冷作硬化的程度與塑性變形量有關(guān)，對同一個沖壓件，不同部位在沖壓過程中的塑性變形量是不同的，所以從精確分析的角度來說，應(yīng)該對計算模型中的各個單元施加不同的等效塑性應(yīng)變才能正確地模擬沖壓后零件的真實情況。本文中單帽形件在25t恒定壓邊力條件下經(jīng)增量法成形及切邊回彈后的塑性應(yīng)變分布如圖2（a）。在距離前端面65mm處橫截面（A-A）的等效應(yīng)變大小如圖2（b）。

零件側(cè)壁由于成形過程中的擠壓和摩擦力的作用，變形比較劇烈，成形后等效塑性應(yīng)變較大，最大值達0.25，而縱梁底部及法蘭區(qū)較平坦，殘余應(yīng)變較小。若材料發(fā)生0.1的塑性應(yīng)變，其屈服應(yīng)力將由350MPa上升到460MPa，提高110MPa，可見塑性硬化對材料屈服強度的影響很大。

大部分文獻資料在成形模擬中使用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，導(dǎo)致成形結(jié)果中的模型網(wǎng)格尺寸較小，為了保證仿真精度，以3mm網(wǎng)格尺寸生成有限元模型，并以LS-DYNA為求解器進行板料成形及切邊回彈模擬，后續(xù)碰撞過程采用同一套有限元網(wǎng)格，并采用網(wǎng)格信息映射技術(shù)，將模擬結(jié)果dynain文件中包含的成形后板料網(wǎng)格的幾何、厚度、殘余應(yīng)力、塑性應(yīng)變等信息引入到碰撞性能分析的有限元模型中。由于采用的兩種網(wǎng)格是一致的，它們之間的信息映射應(yīng)該是一一對應(yīng)的，可以在實際生產(chǎn)過程中得以推廣應(yīng)用。

［1］劉紅生，邢忠文，雷成喜.不具冷卻系統(tǒng)下高強鋼BR1500HS的熱沖壓成形質(zhì)量［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China.2012，（82）：542-547.

［2］林忠欽.汽車車身制造質(zhì)量控制技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.