影響汽車大梁沖壓開裂因素的敏感性分析

胡　星，　黃時鋒，　楊海軍，　楊洪剛

(上海電機學院 汽車學院, 上海 201306)

影響汽車大梁沖壓開裂因素的敏感性分析

胡星，黃時鋒，楊海軍，楊洪剛

(上海電機學院 汽車學院, 上海 201306)

摘要汽車大梁沖壓過程中，實際成形工藝參數往往在設計工藝參數的附近有一定波動。這些波動的不確定性導致工藝優(yōu)化設計的難度增加，甚至會影響大批量生產中產品質量的穩(wěn)定性。基于沖壓有限元技術，將穩(wěn)健性理論與試驗設計相結合，應用于某汽車大梁成形開裂分析。研究表明，為控制好大梁的開裂現象，最主要的控制因素依次是壓邊力、摩擦系數、應變硬化指數n值和厚向異性系數r。

關鍵詞大梁; 沖壓成形; 開裂; 穩(wěn)健性設計

汽車大梁是整車車架的重要部件，其結構設計是車身安全性能中重要的一部分[1-3]。通過提升零件材料等級、優(yōu)化與周圍零件的合理搭接及形貌斷面等方法，能高效提升結構載荷路徑，從而滿足安全性能和剛度要求。由于受制于有限空間結構(車身結構復雜)和成形工藝(冷沖壓工藝)，大梁通常難以成形、保證量產制造質量[4-6]。

穩(wěn)健設計是使所設計的產品或工藝無論在制造還是在使用中，雖然材料或結構的參數發(fā)生變化，或在規(guī)定的壽命期內結構發(fā)生老化和變質，都能在一定范圍內保持其產品性能穩(wěn)定的一種工程設計方法[7]。如果在汽車大梁沖壓工藝設計和材料選擇時，考慮由于制造水平的差異給制造質量帶來的影響，實現汽車大梁沖壓工藝穩(wěn)健性設計，則可以縮短汽車大梁的生產周期，降低成本[8-10]。在中國主流轎車的設計來自國外的情況下，掌握車身覆蓋件穩(wěn)定制造的沖壓工藝參數和材料性能參數，不僅有利于提高國內車身覆蓋件的制造水平，為將來自主開發(fā)車型打下堅實的基礎，同時還可實現車身覆蓋件鋼板的國產化，有利于提高中國鋼鐵企業(yè)的生產水平，提升企業(yè)的競爭力。

本文將正交試驗設計和板料沖壓成形有限元仿真相結合，對汽車大梁進行了沖壓模擬分析，研究汽車了大梁成形穩(wěn)健設計中的敏感性因素，提出了優(yōu)化成形質量的方案，以提高大梁沖壓成形質量的穩(wěn)定性。

1大梁沖壓可制造性分析

基于沖壓有限元分析軟件對大梁沖壓可制造性進行模擬分析，模擬單元選擇為彈塑性殼單元。材料應力-應變(σ-ε)關系為經典的Ludwik方程：

σ=Kεn

其中，K為硬化強度；n為應變硬化指數。

屈服準則選擇為Hill’48，成形極限曲線基于Keeler經驗公式。材料板厚為1.75mm，屈服強度為280MPa，抗拉強度為480MPa，應變硬化指數n為0.175，泊松比為0.3，彈性模量為210GPa。

沖壓仿真采用增量法將沖壓成形過程分成許多細小的增量步進行，對板料經過的每一增量步的運動、受力情況及應力應變情況進行計算分析，計算結果作為下一增量步的輸入，直至結束。在可成形性分析方面，理論上采用增量法模擬較一步法更能給出接近實際的結果[11-13]。增量法模擬分析是利用計算機虛擬環(huán)境下的虛擬沖壓來替代實物模具在壓力機上反復試模，以檢驗工藝設計和模具設計方案。

圖1為采用增量法模擬時的工具定位信息。采用單動拉延模擬大梁成形，凹模在上、凸模在下。設板料尺寸為360mm×1540mm，壓邊力BHF=0.26MPa，摩擦系數μ=0.18，采用彈塑性殼單元，厚向積分點設置為5個，采用實體拉延筋。

圖1　增量法模擬工具定位Fig.1　Tool establishment under incremental method

采用增量法的模擬成形結果如圖2所示。由圖可見，在大梁截面形面變化較為劇烈的地方，零件發(fā)生了開裂現象。因此，選擇此處的開裂指標作為本次開裂模擬的控制指標。

圖2　增量法模擬成形結果Fig.2　Formability prediction with a one-step method

2控制因子及控制目標

2.1控制因子

車身覆蓋件沖壓仿真中可以調整的變量屬于穩(wěn)健設計中的設計因素，是可控的合理的選擇設計因素，可以準確可靠地實現穩(wěn)健設計[14-15]。相對于車身覆蓋件幾何特征，選擇材料性能參數和沖壓工藝參數作為設計因素更容易實現且成本較低。

影響車身覆蓋件沖壓成形質量的因素很多，影響程度有大有小，抓住主要影響因素，研究在這些主要因素中的關鍵因素才能抓住質量問題的本質。根據對沖壓成形經驗的積累和成形性能試驗的分析，同時考慮特征參數提取的難易程度，選擇材料性能參數中的屈服強度σs、應變硬化指數n、平均厚向異性系數r、薄板厚度t、壓邊力BHF、沖壓工藝參數中的摩擦系數μ等，作為車身覆蓋件敏感因素分析中的設計因素，如圖3所示。

圖3　大梁成形敏感性分析控制因子選擇Fig.3　Controlling parameters for evaluation 　　　of sensitivity analysis

圖3中，針對大梁沖壓成形開裂敏感性分析，綜合考慮材料參數之間的相互關系，選擇σs、n、r、t、BHF、μ作為控制因子，以厚度減薄作為評價大梁開裂的評價指標輸出量，研究大梁開裂指標隨著控制因子的變化而變化的敏感性，從而控制大梁的開裂，保證成形質量的穩(wěn)健性。

影響因素的取值范圍很大程度上決定了該因素對于質量特性的影響程度，合理地選擇取值范圍，才能真正反映實際沖壓成形過程中影響因素對于沖壓成形質量的影響。根據汽車生產商和鋼板供應商實際生產經驗，設計了以下控制因子的取值范圍。

(1)σs。該值決定了薄板材料成形中開始產生塑性變形時所需的載荷，σs大，所需的成形力也大。根據經驗，將σs上、下浮動30MPa，分別為250、280、310MPa。

(2)n。在金屬薄板沖壓成形中，n是個極為重要的參數，沖壓成形零件的最終強度可用n值來確定；均勻伸長率、成形極限圖的高低、應變分布和其他許多成形變量也都與n值直接相關；n值還反映了薄板材料變形時應變均化的能力。在成形以拉深變形為主的零件時，n值小的材料，零件的厚度分布不均，表面粗糙，易產生裂紋；n值大的材料，零件的厚度分布均勻，表面質量較好，不易產生裂紋。因此，n越大，薄板的沖壓成形性能越好。根據經驗，取n分別為0.15、0.175和0.2。

(3)r。r值是金屬薄板沖壓成形中重要參數，與n值一樣可作為評價薄板成形性能好壞的不可忽視的指標。已有的研究結果表明，r值與許多模擬成形性能指標具有相關性。r值的大小反映了薄板成形時厚向變形的難易程度，r值越大，材料越不易在厚向發(fā)生變形，即越不易變薄或增厚；r值越小，材料厚向變形越容易，即越易變薄或增厚。對大多數金屬薄板，r值在成形過程中保持為常數。根據經驗，r取為0.7、0.85和1。

(4)t。在軋制時，板料的厚度必然存在一定的誤差。根據經驗，將t上、下浮動0.03mm，分別取為1.72、1.75和1.78mm。

(5) BHF。BHF為壓機壓邊板施加在毛坯上的作用力，可換算為壓邊板單位面積上的壓力(壓強)。BHF直接阻止著板料在成形過程中法蘭部分的起皺，故BHF越大，材料越容易破裂，而減小BHF就會出現起皺的可能。根據實際經驗，BHF分別取為0.15、0.205和0.26MPa。

(6)μ。根據實際經驗，μ分別為0.12、0.15和0.18。

綜上所述，選取影響整個系統(tǒng)的6個因子，每個因子選取3個水平，如表1所示。

2.2控制目標

車身覆蓋件沖壓成形，鋼板厚度一般在2mm以下。由單向拉伸試驗可知，典型的冷軋板材料，進入塑性變形階段后，試件厚度隨著拉伸力增大而減小。當拉伸力增大到一定程度時，拉伸試件出現頸縮，進而破裂[16]。因此，成形毛坯的厚度從某種程度上反映了出現破裂的可能。可以選擇成形毛坯最小厚度或關鍵部位的厚度來評價車身覆蓋件沖壓成形的破裂質量問題。

成形毛坯的厚度減薄量(Thinning)定義為毛坯原始厚度與成形后厚度之差除以毛坯原始厚度；因此，厚度減薄量反映了毛坯在成形前、后的變形程度。圖4所示為大梁的開裂位置，以容易開裂的圓角區(qū)域的的最大厚度減薄量作為控制目標輸出量。對于同一幾何形狀特征的車身覆蓋件，采用不同厚度的毛坯沖壓成形，可以用該處的厚度減薄量來評價成形過程中的共同特點或反映成形質量的好壞。

圖4　大梁開裂位置Fig.4　Fracture position of the beam panel

3大梁成形開裂穩(wěn)健性設計

試驗設計是穩(wěn)健設計中獲得質量特性信息的重要方法之一，是研究如何合理而有效地獲得信息數據的方法，包括以下內容： 響應變量的選取、影響響應變量的因素(或稱試驗因子)及其水平值的選擇、試驗安排、信息數據獲取和綜合地進行科學的數理統(tǒng)計分析，確定最佳結果?？紤]到本文系統(tǒng)中的6因素3水平，選擇L18(37)(7因素3水平18次試驗)正交表，表頭設計如表2所示，其中X1～X6分別表示σs、n、r、t、BHF、μ等6個控制因子。

根據正交表頭進行數值模擬，得到的成形結果(特征區(qū)域最大減薄率)，對成形結果進行統(tǒng)計處理，可以得到在每個因素水平下的平均響應及極差，如表3所示。

根據表3中減薄率的均值和極差的結果，利用極差分析法可以判斷出各因素對大梁最大減薄率的影響大小排序為BHF>μ>n>r?t>σs。剔除不重要的影響因素，根據最小二乘法進行擬合，可以得到大梁厚度減薄一階響應面方程為

表2　L18(37)正交表

表3　不同水平下的最大減薄率均值與極差

Thinning=-1.202n-0.175r+0.572BHF+

1.019μ+0.289

由此可見，為控制大梁的開裂現象，最主要的控制因素依次是BHF、μ、n和r值，即n越小，大梁越容易開裂；r越小，大梁越容易開裂；BHF越大，大梁越容易開裂，μ越大，大梁越容易開裂。因此，只有保證這4個參數的穩(wěn)定性，就能確保大梁開裂的穩(wěn)健性。

4結語

汽車大梁是整車車架的重要部件，沖壓容易產生開裂，因此，通常較難控制和保證量產的制造質量。穩(wěn)健設計是一種提高產品生產質量穩(wěn)定性、同時降低制造成本的設計方法。為了控制好大梁的開裂現象，本文基于有限元方法進行了基于沖壓成形基本變形方式的敏感因素分析，選取了σs、n、r、t、BHF、μ等6個最主要的控制因素，它們對大梁最大減薄率的影響大小排序為BHF>μ>n>r?t>σs。其中，n越小，大梁越容易開裂；r越小，大梁越容易開裂；BHF越大，大梁越容易開裂；μ越大，大梁越容易開裂。

通過以上研究工作，針對大梁開裂問題，以沖壓仿真代替實際沖壓試驗，用敏感性分析方法，實現了大梁沖壓成形開裂的穩(wěn)健性控制。

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Robustness Analysis of Fracture Behavior of Automobile Beam Panel

HU Xing，HUANG Shifeng，YANG Haijun，YANG Honggang

(School of Automobile, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

AbstractDuring the stamping process of automobile beam panel, there exist differences between the actual technical parameters and design parameters. These differences make optimization of stamping process difficult. Stability of mass production is also affected. This paper uses a finite element method to analyze the fracture behavior of automobile beam panel based on the robustness design theory and experiment design. The results show that the main controlling factors for beam panel fracture are blank-holding force, coefficeut of friction, hardening index, and normal plastic straining ratio.

Keywordsbeam panel; stamping; fracture; robustness design

收稿日期：2016-01-26

基金項目：上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃(ZZSDJ15005)；上海市大學生創(chuàng)新活動計劃項目(201511458079)；上海電機學院學科基礎建設項目(12XKJC02)；上海市復雜薄板結構數字化制造重點實驗室開放課題(201500)

作者簡介：胡星(1982-)，男，講師，博士，主要研究方向為汽車薄板沖壓成形，E-mail： hux@sdju.edu.cn

文章編號2095-0020(2016)02-0076-05

中圖分類號U 260.32； TG 386

文獻標志碼A