鋁制發動機罩內板成形性CAE分析及結構優化

陳龍 程芳 呂振偉

河南森源重工有限公司 河南省長葛市 461500

1 引言

數據表明[1]，乘用車每減重10%，能耗下降8%，排放降低4%。對電動車而言，在電池能量的限制下，盡可能的減輕車身重量，是增加電動車續航里程的重要手段。鋁合金是目前最理想的輕量化材料，具有密度低、比強度高等優點，鋁合金車身結構具有更高的剛度，且在發生碰撞的過程中產生變形，能夠吸收更多的碰撞能量，從而確保乘員的安全。與碳纖維等材料相比，鋁合金的生產成本低、使用范圍廣，回收率可達90%，是汽車輕量化的首選材料[2-3]。

利用有限元軟件對成形過程進行模擬分析[4-6]，能有效的降低生產成本，縮短研發生產周期。AutoForm是一款有效的薄板成形CAE分析軟件，可以對薄板成形過程進行模擬分析，幫助研發人員優化成形結構及參數。其分析過程如圖1：

在乘用車研發過程中，發動機罩內板的設計及制造是重要的一環，其形狀復雜，結構尺寸變化大，成形過程十分復雜。借助AutoForm軟件對鋁合金發動機罩內板的成形過程進行模擬分析，通過分析成形過程中材料的減薄及起皺風險，判斷成形的好壞，進而對發動機罩內板的結構進行優化，生產出合格的產品。

2 鋁合金發動機罩內板模型建立及參數定義

鋁合金發動機罩內板模型如圖2所示，并采用BT殼單元對幾何模型進行網格劃分。

圖2 鋁合金發動機罩內板

選用鋁合金材料為5182鋁合金，板材尺寸為1570*1040*0.8mm，其材料的各項性能如表1所示：

定義材料屬性及工藝參數后，對鋁合金發動機罩內板的成形過程進行模擬分析計算。

3 結果分析

當成形過程到底后，對零件沖壓過程的成形性、減薄率及起皺風險進行分析，并依此對零件的成形性能進行評定。

3.1 成形性分析

材料的成形性模擬結果如圖3所示：

從圖3中可以看到，在現有工藝參數下對該結構鋁合金發動機罩內板進行沖壓，零件整體成形良好，但局部區域（圖3紅色區域）有開裂風險。

成形極限圖（FLD）可以用來評定薄板在沖壓過程中的成型性能，能夠直觀的表明薄板在沖壓過程中的變化情況。鋁合金發動機罩內板的成形FLD分布如圖4所示，結果表明在FLD曲線以下10%的安全裕度無危險點。

3.2 減薄率

在零件沖壓過程中，在沖壓力的作用下，部分材料區域會發生減薄現象，但材料的減薄尺寸需要控制在一定的范圍內，超過這個范圍，零件就有發生開裂的風險。在模擬分析過程中，判斷減薄是否會引起開裂的標準如表3：

圖1 AutoForm分析過程

表1 材料性能

表2 工藝參數

圖3 沖壓模擬結果

圖4 成形FLD

在鋁合金發動機罩內板沖壓模擬中，我們得到該沖壓過程的減薄率如圖5所示：

從圖中可以看到，除邊部區域有些許增厚，其余區域均為減薄，最大減薄率出現在中間結構區域，最大減薄率為24.4%.對比表3的評判標準可知，該沖壓過程中零件局部區域的減薄率較高，有產生開裂的風險。

表3 減薄率引發開裂的評判標準

3.3 起皺

零件的起皺風險如圖6所示。

經驗表明，當不同區域表面的起伏高度超過一定值時（壓料面＞0.05，凸模與凹模圓角＞0.02，平坦面＞0.001）有起皺風險，從圖6中可以看出，零件沖壓過程中可能發生起皺的區域均在薄板的邊緣部位，對零件的影響較小。

圖5 減薄率分布

圖6 起皺風險分布

4 結構優化

通過對現有結構進行沖壓成形模擬，我們發現該結構局部區域（圖3所示）有發生開裂的風險，為了消除該風險，我們對鋁合金發動機罩內板的結構進行局部優化。

針對不同的風險區域，進行不同的結構優化。將圖7a中的R角由R3加大到R5，R9加大到R15，以降低成形破裂風險；將圖7b中的R角由R12增大到R20，斜度加大10°，并將所有凹坑兩端頭改為平緩過渡，以降低成形破裂風險。

根據優化后的結構進行生產，沖壓出來的鋁合金發動機罩內板實物如圖8所示，可以看出，零件表面平整，結構完好，模擬分析有破裂風險的區域經過結構優化后，成形效果良好，有效消除了破裂風險。

5 結語

本文利用AutoForm有限元分析軟件對鋁合金發動機罩內板的沖壓成形進行模擬分析，發現原有結構局部區域的減薄率達到24.4%，有發生開裂的可能。通過增大R角，將原有額R3增大到R5，R9增大到R15，R12增大到R21，并加大斜度，修改凹坑兩端頭為平緩過渡，以消除開裂趨勢。并依據修改后的結構，生產出了合格的鋁合金發動機罩內板零件。

圖7 具有開裂風險的區域

圖8 鋁合金發動機罩內板