A立柱加強板拉延成形數值模擬分析及優化

陳元芳，謝 丁，代璐蔚，洪 標，宋 霞，徐艷如，孫開成

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054；2.模具技術重慶市重點實驗室， 重慶 400054)

?

A立柱加強板拉延成形數值模擬分析及優化

陳元芳1,2，謝 丁1，代璐蔚1，洪 標1，宋 霞1，徐艷如1，孫開成1

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054；2.模具技術重慶市重點實驗室， 重慶 400054)

利用AutoForm軟件對汽車A立柱內板上部加強板拉延工藝進行了模擬分析。在拉延成形后獲得零件成形極限圖和減薄率云圖。結果表明：零件存在開裂和起皺的缺陷。通過優化零件結構使零件減薄率在標準范圍內。同時采用正交試驗優化了工藝參數，獲得了性能更優的產品。

拉延成形；A立柱上部加強板；AutoForm；正交試驗

隨著汽車行業對汽車輕量化、低能耗的要求，高強板已經廣泛應用在汽車車身結構件中。高強板在保證材料強度和剛度的同時有效減少了材料的厚度，充分降低了材料的質量。但是由于高強板的成形性能不佳，采用高強板的零件在生產過程中容易出現缺陷，所以在生產前對零件進行模擬分析，可以有效避免缺陷產生，減少試模周期，降低生產成本[1-3]。

A立柱加強件是車身上部重要的結構件。該結構件上部連接著頂蓋和前車窗，下部連接著前門，同時與B立柱搭接。考慮到除自身的強度外還承受了頂蓋和前門的壓力，為了保證整車的強度，所以選用了高強板B340-590DP。由于該材料強度高、塑性差，在生產過程中出現了大量開裂和起皺等成形缺陷。為了減少試模時間，對A立柱加強件進行了有限元模擬分析，期望找到產品成形缺陷部位及產生的原因，用以指導生產。

本文用Autoform軟件對其沖壓工藝進行了模擬，主要分析了拉延過程中出現起皺、破裂等質量缺陷的原因，并對工藝進行了優化，保證零件能順利成形，并具有良好的性能。

1 A立柱加強板的沖壓工藝分析

A立柱加強件的外形尺寸為1 870 mm×508 mm×102 mm，材料厚度為1.5 mm。A立柱加強件的結構特點是：零件截面復雜，成形深度存在很大的起伏；零件上分布共36個孔，且沖孔方向不一致。為了滿足零件的強度和剛度的要求，必須使用高屈服強度和抗拉強度的高強板，但增加了工藝上的難度。A立柱加強板三維模型如圖1所示，B340-590DP化學成分和力學性能如表1、2所示[4]。

圖1 A立柱加強板三維模型

%

表2 B340-590DP材料性能參數

屈服強度/MPa抗拉強度/MPa硬化指數泊松比彈性模量/(N·mm-2)厚向異性指數378650．40．160．32．1×1050．888

本產品結構復雜，需分為4個工序成形：① 工序為拉延。因拉延工藝能有效提高材料的強度，所以零件盡可能在拉延工序中成形。② 正修邊加正沖孔。在沖壓方向上20°以內的角度上的修邊可以采用正修邊。在沖壓方向上，沖孔角度大于85°的孔，沖孔角度相差小于10°可以正沖孔。③ 側修邊、側沖孔和正沖孔。利用斜楔將修邊角度大于20°的板料去除。④ 整形加正沖孔[5]。工程計劃如圖2所示。

圖2 工程計劃

2 A立柱加強板拉延模型預處理

2.1 確定拉延方向

產品的拉延方向需滿足此方向拉延深度均勻，零件各部分無負角出現。因本產品孔特征較多，需盡量使拉延方向的孔能夠正沖，以減少工序。拉延方向如圖3所示。

圖3 拉延方向

2.2 確定拉延筋

拉延筋主要是通過阻止材料流動來調節進料速度，可有效控制產品成形缺陷[6]。本文選用等效拉延筋進行模擬。A立柱加強板拉延筋如圖4所示。

圖4 拉延筋參數

2.3 確定壓料面

壓料面應接近光順，盡量隨產品的形狀做到拉延深度均勻，拉延深度為79 mm。A立柱加強板壓料面如圖5所示。

圖5 壓料面

3 模擬結果分析及優化

Autoform是采用靜態隱式算法的彈塑性有限元分析軟件，采用的是三角形網格。Autoform結合了CAD設計和CAE分析，相對于其他沖壓分析軟件具有更強大的建模能力。Autoform有膜單元和殼單元，其中膜單元有3個自由度，而殼單元有5個自由度，計算結果更為準確。本文使用的殼單元進行模擬。

接下來通過工藝生成器(Process generator)選擇Incremental的模擬類型。采用單動拉延工藝(Single action draw),板料厚度為1.5 mm。在Blank中導入板料形狀，板料放在壓料面上，后導入材料D340-590DP。檢查生成的凹模、凸模和壓料板。凹模的工作方向為Z方向，移動距離為500 mm，工具體為剛性。在Lube中設置摩擦力為標準常量0.15。在Process中對物體重力、壓邊和拉延過程的工具體進行激活，同時設置壓邊力為80 t。Control中設置計算的精確度，采用默認的標準。Autoform采用的三角形網格單元，可對三角形的角度和Radius pentration進行輸入，可調整網格的大小。最后選擇殼單元(Elastic plastic shell)進行模擬[7]。模具工具體有限元模型如圖6所示。

3.1 模擬結果和分析

零件的前處理設置完畢后進行后處理模擬，初次拉延成形極限圖和減薄率云圖如圖8、9所示。從成形極限云圖可以看出：A區域呈紅色有較大的破裂風險，同時從減薄率云圖可以看到A區域最大減薄率為-0.237，小于了高強板減薄率-0.180的標準[8]；B區域在成形極限云圖中呈紫色，有起皺的趨勢，對應減薄率為0.062，大于了0.050的標準；C區域在成形極限圖中呈黃色，有破裂的趨勢，且減薄率達到了-0.197；D區域有起皺的趨勢，增厚率達到了0.068 2。以上區域在拉延成型中有開裂和起皺的風險，需對零件區域進行分析優化。

圖7 成形極限曲線

圖8 成形極限圖

圖9 減薄率云圖

針對零件出現的缺陷對零件進行分析[9]。從圖8中看出：A處存在開裂風險，FLD圖有紅色破裂區域，最大減薄率為-0.206，受到雙向拉應力的作用，且側壁圓角過小，變形比較集中，材料流動受阻導致開裂。將側壁圓角放大，在進行球化使材料能順暢流動，改善成形性能。B處呈紫色存在起皺風險，最大增厚率達到0.062，屬于壓縮力引起的起皺。將該平面降低3 mm，使材料得到充分拉深。C處FLD圖為安全區域，但變薄率超過了-0.180，有拉裂的風險，是由于材料拉延深度過大，變形較為急促，使材料流動過快導致開裂。將圖示處R角加大，使過渡平緩，減緩材料流動。D處存在較大起皺風險，材料從C處流動到D處后造成堆積導致起皺，因D處平面有孔不能加吸皺特征，故沿Z軸抬高C與D過渡區域4 mm，增加拉延深度使材料充分成形。

3.2 優化后的模擬結果和分析

對優化后的結果(圖10～12)和初次模擬結果進行對比，可見零件開裂起皺的風險得到了改善，最小的減薄率為-0.178，最大的增厚率為0.041。符合料厚1.5 mm的高強板減薄率-0.18～0.05的要求。

圖10 優化后成形極限曲線

圖11 優化后成形極限圖

圖12 優化后減薄率云圖

4 工藝參數優化

4.1 正交試驗方案

為獲得最佳工藝參數，選取了壓邊力、摩擦因數、缺陷集中區域的等效拉延筋這3個重要的工藝參數進行正交試驗。選用3因素3水平的正交表。利用Autoform進行仿真優化。正交試驗采用的工藝參數方案見表3。

表3 正交試驗方案

4.2 正交試驗結果分析

文獻[10]將最小減薄率和最大增厚率作為判斷依據，綜合評價指標Y=最小減薄率+最大增厚率。對上述方案進行模擬驗證。本實驗中正交試驗結果如表4所示，因素水平與指標Y之間的效應曲線圖如圖13所示。

根據表4的數據和圖13的效應曲線圖可知：各因素水平對零件的影響順序是拉延筋>壓邊力>摩擦因數，這3因素中拉延筋對成形質量的影響最大，隨著拉延筋的增大，綜合評價指標Y逐漸增大，其他兩個影響因子對指標Y的影響都是先降低后增大。綜合考慮最佳的參數組合為:壓邊力為80 kN，摩擦因數為 0.14，拉延筋為0.15。以這組參數進行模擬，成形極限圖和減薄率云圖如圖15、16所示。從圖中可以看出：零件成形質量良好，沒有缺陷產生，其最大減薄率為-0.170，最大增厚率為0.046 4，較優化前有明顯改善，其綜合性能提高較大。實驗結果表明該最優解的組合是合理的。

表4 正交試驗結果

注：Ki1、Ki2、Ki3分別表示i水平所對應的綜合指標的均值，R表示極差。

圖13 因素水平與Y之間的效應曲線

圖14 成形極限曲線

圖15 成形極限圖

圖16 減薄率云圖

5 結束語

運用autoform對A立柱加強板進行了拉延模擬分析，對零件所存在的開裂和起皺等缺陷進行了優化，使零件成形極限圖沒有開裂的區域，同時減薄率在-0.18～0.05范圍內。

選用3因素3水平的正交表對A立柱加強板的拉延筋、壓邊力和摩擦因數3個工藝參數進行了優化。試驗結果表明：正交試驗可減少試驗次數，節省試模時間，提高生產效率。

[1] 王廣勇,王剛.高強度鋼在汽車輕量化中的應用[J].汽車工藝與材料，2011(1):1-5.

[2] 羅振軒，榮建，楊可，等.高強度汽車用鋼發展與第3代汽車高強度鋼的研究[J].汽車工藝與材料，2015(4):1-5.

[3] 楊亙，夏琴香，邱遵文，等.高強鋼板在汽車上的應用及沖壓成形性能研究現狀[J].現代制造工程，2012(7)：138-143.

[4] 鄧俊彥，冷星環，吳愷威，等.沖壓速度對雙相鋼B340/590DP拉深成形性能的影響[J].鍛壓技術，2016,41(7):109-113.

[5] 王德倫，畢盧思.某款乘用車側圍板的拉延仿真分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2015(2):7-11，18.

[6] 彭成允,關婧,曾英,等.基于Dynaform的真實拉延筋高度控制的數值模擬[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2012(3):56-59.

[7] 林通，張侃.AutoForm4.0鈑金沖壓成形分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2009.

[8] 黃福天.基于AUTOFORM的汽車覆蓋件成形仿真分析[D].長春:吉林大學，2014.

[9] 閆潔，江開勇.馬達外殼盒形拉深件成型模擬與沖壓級進模設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2011(9):25-28，42.

[10]劉鵬翔，程培元，胡一博.基于AutoForm的滑門內板的拉延成形數值模擬研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2016(3):82-85.

(責任編輯 劉 舸)

Study on Numerical Simulation of Draw Forming Process for A-Pillar Reinforced Panel

CHEN Yuan-fang1,2, XIE Ding1, DAI Lu-wei1， HONG Biao1，SONG Xia1, XU Yan-ru1, SUN Kai-cheng1

(1.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China； 2.Chongqing Key Laboratory of Mould Technology, Chongqing 400054, China)

The drawing process of A-pillar inner panel upper reinforced panel are simulated and analyzed by AutoForm software. The forming limit diagram and thinning diagram are obtained after drawing. Cracking and wrinkling present serious obstacles of the parts. The structure is optimized to control the thinning rate of parts. The process parameters are optimized through the orthogonal experiment to obtain better performance.

drawing; upper reinforcing plate of A column; AutoForm; orthogonal experiment

2017-02-16

重慶市科委重大項目(cstc2013-yykfc6004)

陳元芳(1968—),女,重慶人,碩士,教授,主要從事材料特種成型工藝及數字化模擬研究，E-mail:cqitcyf@qq.com。

陳元芳，謝丁，代璐蔚，等.A立柱加強板拉延成形數值模擬分析及優化[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(6):41-46.

format：CHEN Yuan-fang, XIE Ding, DAI Lu-wei，et al.Study on Numerical Simulation of Draw Forming Process for A-Pillar Reinforced Panel[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(6):41-46.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.06.006

U463;TG386.1

A

1674-8425(2017)06-0041-06