重卡駕駛室頂蓋沖壓仿真分析

張凱鵬

重卡駕駛室頂蓋沖壓仿真分析

張凱鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重卡駕駛室頂蓋結構復雜且尺寸較大，成形過程中會出現起皺、開裂、回彈等工藝問題，通過對板料成形過程理論和沖壓缺陷預測的理論研究，應用AutoForm軟件，采用動力顯式算法對零件的拉延工序進行數值模擬，同時調整工藝參數，解決沖壓件工藝問題。

頂蓋外板；數值模擬；沖壓成形；回彈

引言

重卡駕駛室白車身的典型結構是由側圍外板、頂蓋外板、后圍外板等大型外表面覆蓋件和內部骨架件連接而成，受制于板料成形的復雜性、整車布置、模具制造工藝和調試水平的影響，板料沖壓過程中產生的起皺、變薄、開裂和回彈等缺陷的控制一直是車身制造的一個重點和難點。應用板料成形數值模擬技術在開發過程中對大型表面覆蓋件進行仿真分析，可以有效地避免沖壓缺陷、減少模具和夾具等工裝方案的反復更改，有效控制項目周期和開發成本，應用Auto Form、Dyna Form等先進數值模擬軟件能有效的對沖壓缺陷探測和分析，縮短車身結構設計和模具開發的周期，同時降低開發的成本和風險，具有重要的工程意義。

1 沖壓成形有限元仿真理論及技術

汽車車身覆蓋件的成形過程中板料本身會發生彈性和塑性變形，整個成形過程實際上是一個非常復雜的力學過程，變形過程多為大變形，大撓度以及大轉動，對沖壓過程的分析涉及材料的非線性、幾何非線性和邊界非線性等內容，因此可以采用非線性大變形有限元控制方程對不同邊界條件下覆蓋件成形中產生的應力應變進行數值模擬，同時通過優化幾何和工藝參數，最終得出較為精確的結果。

1.1 運動和變形的物質描述

在對重卡駕駛室的頂蓋外板進行沖壓仿真分析時，一般采用拉格朗日（Lagrange）方法來描述和研究板料的運動和變形，在連續的介質中，將坐標Xi定義為物質坐標，通過研究物質坐標Xi與時間t函數之間的關系來解決頂蓋外板沖壓成形的運動學問題。

1.2 屈服準則

在物體受復雜應力情況下下，某一質點的六個獨立的應力分量是判定該質點進入塑性狀態的重要依據，如果只是單一的選取某一個應力分量，無法判定該質點是否進入塑性狀態。綜上，在應力空間或應變空間里來分析屈服問題顯得更加合理。材料處于彈性狀態時，材料發生屈服，應力點σ在屈服面內，屈服面的書序表達式可以用屈服準則（屈服函數）進行描述。常用的屈服準則有Von.Mises準則、Hill準則和Barlat準則等。

1.3 沖壓成形有限單元類型選擇

板料成形數值模擬技術發展至今，技術已經比較成熟，并經實際理論和實踐驗證的，可以用來進行沖壓仿真的有限元類型有薄膜單元、實體單元、殼單元三種，如圖1所示。

圖1 有限元單元

1.4 有限元計算控制方程的求解

由于覆蓋件沖壓過程屬于大變形、大位移力學過程，為了減少運算次數，提高計算效率，可以應用非線性大變形有限元控制方程對沖壓過程進行分析和求解，推導出有限元控制方程的靜力解法和動力顯式解法，其中有限元控制方程的靜力解法可以分為靜力顯式解法和靜力隱式解法。靜力顯式解法忽略加速度、速度的影響，同時將沖壓成形過程假設為準靜力過程；動力顯式解法受最小時間步長的限制，運算條件是穩定的，這種算法模擬處理接觸問題時，接觸狀態變化較小，接觸問題處理起來也就更加容易，因此，可以利用最小時間步長來高效地處理接觸問題。

沖壓問題是一個典型的接觸問題，重卡頂蓋外板屬于典型的大型覆蓋件，其成形過程具有很強的非線性，從解的精度考慮，時間不能太長。動力顯式解法受最小時間步長限制，運算條件穩定。因此，對頂蓋外板的全工序模擬宜采用動力顯示算法。

1.5 材料模型

板料的成形，需要在一定壓力的作用下，由沖壓工裝機構實現。在有限元計算中，壓力直接通過參數條件設置，模具機構（包括凸模、凹模、壓邊圈等）及板料需要有限元法建立分析模型。因為凸凹模、壓邊圈等模具機構在整個沖壓成形過程中變形量非常小，所以模具機構一般可以近似的采用剛體材料模型進行模擬；由于在沖壓成形過程中，板料發生彈性變形、彈塑性變形、純塑性變形，因此板料一般采用彈塑體材料模型進行模擬。

1.6 沖壓仿真的沙漏控制

動力顯式算法即一點積分法，應用于沖壓有限元數值模擬中，一點積分的顯式算法由于縮減了積分，單元計算時的積分點數少于實際積分點數，這樣的簡化過程可以提高運算速度，但是卻容易產生沙漏現象。

細化模型網格，提高有限元模型的質量，整體采用均勻、細密的網格可以有效的控制沙漏現象。避免將載荷單獨施加在一個孤立的節點上，由于激活的單元把沙漏模式傳遞給相鄰單元，所以對于可能出現的點單元加載，應盡可能的把加載分布在相鄰的幾個節點上，這樣也可以有效的控制沙漏現象。控制沙漏的方法還有：（1）采用全階積分單元公式；（2）調整模型體積粘度；（3）增加系統彈性剛度。

1.7 沖壓成形缺陷判斷

目前，沖壓成形的仿真和模擬分析缺陷采用的工人標準主要是成形極限圖FLD和最大減薄率。

1.7.1成形極限圖

成形極限圖FLD(Forming limit Diagram，簡稱（FLD)，也稱成形極限曲線FLC(Forming Limit Curve)，用于描述板料在不同應力狀態下的變形極限。

通過試驗手段，可以得到一種材料在板料平面內的各種應力應變狀態下的成形極限點，把這些點標注到以對數應變1和2（或工程應變1和2）為坐標軸的直角坐標系中并連成線，就得到了材料的成形極限圖。成形極限圖將坐標系的半平面(1＞0)被劃分為安全區、臨界區和破裂區等部分，如圖2所示。

圖2 成形極限圖FLD

成形極限圖表明，如果應變在FLD的破裂區上，零件將發生破裂；應變在FLD的安全區上，零件將能成形成功；應變在FLD的臨界區上，零件將可能發生破裂。由圖可以直觀的得出工序是否能成功成形。可見，成形極限圖是一種比較直觀的判斷板料沖壓成形可行性的方法，該方法比較簡單有效。

1.7.2最大減薄率

車身覆蓋件最大減板減薄率受車身部位、零件的成形特征等因素影響。一般對于車門外板、側圍外板等表面質量、抗凹性、剛度要求比較高的部位，最大減薄率不能超過10%，對于拉延深度較深的結構件，允許最大減薄率不超過20%。對車身總體來講，總成的最大減薄率一般不能超過6%。

2 重卡頂蓋外板沖壓成形數值模擬

2.1 頂蓋數值模擬分析的有限元建模

本文選用的模型是某重卡頂蓋外板，材料：DC06，厚度1.0mm，材料參數見表1，基本面定義為凹模面，方案模型尺寸為：1793mm×2332mm×332.5mm，材料利用率為：79.58%，我們在CATIA軟件中建立頂蓋外板的三維模型，如圖3所示，該零件尺寸較大且沖壓深度較深，沖壓難度較大。

表1 頂蓋外板材料參數

首先，沖壓方向的確定不是隨機的，也不是固定的，應該根據零件的形狀和工藝方案確定。合理的沖壓方向應該使板料的成形能一次順利完成，中途不能出現分析中斷；成形結束后零件的形狀應與產品模型一致，不能出現工藝不可接受的沖壓缺陷。

此次沖壓方向選擇Z軸，圖4為拉延時的負角檢查，綠色表示此區域單元的拔模角度大于6°，屬于合理區域；黃色表示該區域單元的拔模角度在1°～6°之間，屬于危險區域；紅色表示該區域單元的拔模斜度小于0°，屬于嚴重的沖壓負角區域，必須調整沖壓方向，可以看出頂蓋外板不存在沖壓負角。

圖3 加長平頂頂蓋外板

圖4 頂蓋外板沖壓成形負角檢查

其次，還需要對模型進行工藝補償。頂蓋外板的沖壓工序設置為：拉延、切邊沖孔、修邊整形、修邊沖孔整形四序，不同的工序均需設定相應的工藝補充面、壓料面，拉延工序時，壓塊和頂起部位選取頂蓋外板模型上比較平坦的面，對凹模進行單獨的工藝補充，工藝補充的壓料面設計在CATIA中完成，先把頂蓋外板上的翻邊部分沿著相連的部分展開，然后將頂蓋外板上存在的窗口和孔洞按照其邊緣輪廓填補，并保證補充面的光順，將CATIA三維模型上的圓角進行修正。

最后，需要確認零件的壓料面。壓料面主要是指凹模圓角以外的那一部分，可以在CATIA軟件中設計頂蓋外板的壓料面，模型如圖5所示。

圖5 經過壓料面補充的頂蓋外板三維模型

2.2 頂蓋沖壓成形仿真分析

頂蓋外板沖壓時采用接觸偏置，偏置的距離為1.0mm。對頂蓋外板的凸、凹模、壓邊圈等剛體進行網格劃分后的模型如圖6所示，其有限元單元數為334710個，坯料等彈塑性體有限單元數為18150個。

圖6 頂蓋外板坯料與模具有限元網格模型

在進行沖壓成形的仿真分析前，需要在軟件中對各項工藝參數進行設定，其中主要包含：沖壓速度、壓邊力、摩擦系數、模具間隙和拉延筋。

為解決某重卡頂蓋外板起皺、開裂、材料減薄率大等工藝問題，最終確定的工藝參數如下：模具摩擦系數為0.1，模具沖壓速度為200mm/s，壓邊圈閉合速度為250mm/s，模具壓邊力1800kN。

拉延成形仿真過程中重點對壓邊力和拉延筋對沖壓件成形的硬性進行模擬和分析，并對其進行優化，確保工藝參數設置的合理性。

第一次模擬頂蓋外板不采用拉延筋，模具的摩擦系數設置為0.15，模具沖壓速度200mm/s，壓邊圈閉合速度為250mm/s，壓邊力符合公式（3.1）要求。

經過計算初步設定壓邊力F為1800kN，對頂蓋外板進行拉延分析，頂蓋外板成形極限曲線和FLD圖如圖7所示。

圖7 無拉延筋頂蓋外板成形極限曲線和FLD圖

由圖7可以看出，未設拉延筋的頂蓋外板，主體部分灰色區域范圍較大，說明成形不充分，外板周圈側壁和壓邊圈區域的藍色和紫色部分說明板料有起皺或者起皺的趨勢，外板沖壓成形后工藝曲線明顯，不能滿足設計和生產要求。

針對頂蓋外板大面積的成形不充分和外板側面起皺問題，工藝上采用增加圓形拉延筋的方式進行處理。設置壓邊力1800kN、摩擦系數0.15對頂蓋外板進行成形模擬由圖8可以看出，采用等效拉延筋的頂蓋外板材料流動順暢，零件塑性變形充分，但仍存在破裂和局部較小的起皺風險區，采用局部潤滑、調整沖壓速度等措施都可以解決該問題。

圖8 有拉延筋頂蓋外板成形極限曲線和FLD圖

為了更好的對頂蓋外板的成形性能進行分析，分別對其在拉延過程中的材料變薄和應力應變仿真結果進行分析。在頂蓋外板的的側壁、拐角處零件成形終了時存在破裂風險區，同時有起皺趨勢。采用優化模具摩擦系數的方法來解決某重卡頂蓋外板的起皺問題。

圖9 厚度變化和第一主應變分布圖

另外優化工藝參數后板料的厚度變化和第一主應變分布見圖9。

對比板料沖壓工藝參數優化前后板料的三個方向接觸力發現，模具摩擦力減小后，板料與模具接觸力相應減小，可有效改善沖壓條件。

優化了頂蓋外板工藝參數后，沖壓成形終了時消除了破裂風險區，對于零件側壁，法蘭面周圈區域的起皺趨勢也得到改善。側壁、法蘭面周圈區域的起皺的局部起皺風險區較小，起皺趨勢不明顯，在切邊工序可以將大部分起皺法蘭面切除，對于切邊工序未完全消除的零件側壁上的部分起皺，可以通過整形工序予以消除；綜上，優化沖壓工藝參數后，頂蓋外板成形情況基本滿足設計和工藝要求。

3 結束語

重卡的頂蓋外板屬于典型的白車身大型外覆蓋件，對零部件表面質量要求較高，由于其尺寸較大且沖壓深度較深，因此其沖壓過程控制難度較大，若采用傳統方法可能需要反復修模才能達到精度要求，采用數值模擬的方法，在CATIA和Auto Form軟件中進行建模和沖壓過程進行仿真分析，針對回彈問題給出了優化建議，通過實際產品驗證發現優化方法有效，極大的降低了產品的開發成本和周期。

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Rebound of Stamping Forming of Roof Cap of Heavy Truck

Zhang Kaipeng

（ShaanXi Heavy-duty Automobile Co., LtD, Shaanxi Xi'an 710200）

The Roof Cap of Heavy truck has complex structure and large size, so corrugation, crack and rebound may occur in theforming process.This paper researches on the theory of molding of sheet metal and the prediction of disfigurement, and use Autoform software to simulate theforming processthat based on the dynamic display algorithm. At the same time, by adjusting the process parameters, the stamping process problem was solved.

roof outer plate; numerical simulation;stamping; springback

U467

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張凱鵬（1977-），就職于陜西重型汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.047