車身前縱梁結構優化及成本分析*

胡星

（上海電機學院）

傳統的汽車產品開發采用順序工程方法，產品依次在各不同部門進行各環節開發，前一過程完成后進行后一過程[1-3]。同步工程 SE（Simultaneous Engineering）是解決產品質量、成本、周期問題的有效方法[4-5]。沖壓同步工程對于縮短鈑金件模具開發周期，降低工裝、板料、后期生產成本，提高產品品質起到至關重要的作用[6-7]。在車身前部吸能結構中，前縱梁是最重要的吸能元件[8-10]。文章運用同步工程基本方法，提出車身前縱梁結構設計流程，對車身前縱梁進行沖壓分析，利用沖壓有限元軟件對其沖壓全工序進行模擬，完成結構設計改進。基于得到的優化結構及工藝，對零件的制造成本進行分析。

1 前縱梁沖壓仿真分析

1.1 數模幾何特征分析

本次研究的對象是某車型前縱梁，圖1示出其初始三維數模設計圖。零件三維空間尺寸為570 mm×120 mm×240 mm，零件厚度為2.2 mm。前縱梁是典型的U形件，其截面變化復雜，成型深度較大，截面高度變化劇烈，圓角半徑小，形狀狹長，使得沖壓工藝與模具設計具有一定的難度。為了滿足其功能與安全性能，必須保證零件的強度與剛度，同時提高原材料的強度級別[11]。前縱梁的結構特點導致其成型質量不易控制，也導致了其設計與制造困難。

圖1 車身前縱梁三維數模圖

1.2 沖壓有限元分析流程

沖壓成型模擬仿真通過專業的有限元分析軟件，對零件數模進行處理，模擬零件加工成型過程，從而觀察零件加工過程中可能出現的缺陷。本次使用沖壓有限元模擬軟件研究車身前縱梁的成型過程，分析流程如圖2所示。

圖2 車身前縱梁的數值模擬分析流程

1.3 有限元分析前處理

將數模導入沖壓有限元分析軟件之后，需要通過軟件對數模進行網格劃分。網格劃分的質量將直接影響計算效率、計算精度以及計算結果的收斂性。網格劃分越細，計算機的計算精度越高，但是計算效率會下降。所以工程師在進行計算機仿真分析時要根據企業的要求進行網格劃分。

確定沖壓方向是對數模相關屬性進行設定后的一步重要工作。一般而言，確定沖壓方向需要考慮2個方面的問題：1）拉延成型過程中不能出現負角度；2）沖壓深度不能太深并要相對均勻，深度太深會產生一系列成型質量缺陷，同時坯料與凸模要有良好的初始接觸情況，保證其在成型之處不會出現起皺等缺陷。圖3示出車身前縱梁沖壓方向，其z向（紙面向里）為車身前縱梁的沖壓方向。根據車身前縱梁零件的形狀特征，該沖壓方向拉延深度適中，左右兩邊相對均衡，沒有負角度拉延，并且能保證坯料與凸模有良好的接觸。

圖3 車身前縱梁沖壓方向

壓料面是通過工藝補充形面進行區域選取得到的。工藝形面補充是對零件數模片體的孔和面進行補充，使其成為封閉完整的面，從而便于完成拉延工序[12]。對車身前縱梁來說，因為其結構狹長，含孔較少，所以其工藝補充主要在兩端與根部。由于其拉延深度較深，對其進行工藝補充時既要考慮成型性，也要考慮材料的尺寸問題，盡量在滿足拉延需求的前提下節約材料。本次研究中車身前縱梁的工藝形面補充，如圖4所示。

圖4 車身前縱梁工藝補充形面

在有限元軟件中，可以方便地設計出零件的凸模、凹模、壓邊圈等模具的仿真模型，根據之前零件的工藝補充設計，車身前縱梁分析中模具的有限元分析模型，如圖5所示。

圖5 車身前縱梁模具的有限元分析模型定位圖

1.4 材料及工藝參數

毛坯的形狀對材料利用率、成型過程中的應力應變分布等有著重要影響，是沖壓件是否合格的關鍵[13]。車身前縱梁的外形復雜，通過有限元軟件的毛坯尺寸估算功能可以計算出基礎坯料形狀。再通過實際的工程經驗，考慮板料的排樣與其經濟性要求，設計出更加規則合理的坯料。經過多次優化比較之后，車身前縱梁的毛坯為580 mm×320 mm的矩形板。

選擇毛坯材料是沖壓工藝方案的內容之一，在車身前縱梁的初始設計方案中，使用冷成型用鍍鋅板，材料型號為HX340LAD，厚度為2.2 mm，體積質量為7.8×103kg/m3，彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0.3，屈服強度為340 MPa，抗拉強度為510 MPa，厚向異性系數為0.694。

壓邊力是控制板料沖壓成型的重要工藝參數之一，直接影響沖壓成型質量。壓邊力的設計要根據零件要求、工作經驗、仿真分析結果等不斷優化[14]。經過多次分析優化后，車身前縱梁的單位壓邊力取3 MPa。正確選擇摩擦因數可以真實地模擬沖壓成型過程中接觸界面的摩擦狀況，使得數值模擬仿真結果與實際工作情況更加相符。根據國內目前一般模具生產公司的生產條件、技術水平以及實際工作經驗[15]，設置沖壓成型仿真中摩擦因數為標準值0.15。

1.5 仿真結果分析

圖6示出車身前縱梁成型結果，圖6中的7種顏色代表材料在沖壓成型仿真過程中的成型狀況。其中紅色點云區域（Splits）代表該部分區域材料會拉裂；橙色點云區域（Excess.thinning）代表該部分材料區域過度變薄，接近開裂；黃色點云區域（Risk of splits）代表該區域材料有開裂風險；綠色點云區域（Safe）代表該部分材料發生安全塑性變形，符合零件沖壓成型質量和安全性能要求；灰色點云區域（Insuff.stretch）代表該區域材料拉伸不足，基本沒有產生塑性變形；藍色點云區域（Comprss）代表該部分材料受到面內的壓應力，有起皺風險；紫色點云區域（Thickng）代表該部分板料起皺。

圖6 車身前縱梁拉延仿真分析成型結果顯示界面

從圖6中可以看出，車身前縱梁的沖壓成型存在局部起皺的成型缺陷，車身前縱梁成型性不能達到制造要求，需要運用沖壓同步工程技術結構優化產品數模。在車身前縱梁沖壓成型過程中容易發生起皺的區域位于前部與中部的連接部分，如圖6圈中所示。此區域位于最終零件上，所以對整個零件的力學性能與結構性能都會產生影響。從圖6中可以看出該部位比較特殊，其周圍曲面變化幅度較大，所以考慮通過平順形面結構來實現克服起皺缺陷的目的。數模修改情況，如圖7所示，此修改方案可以減小局部壓應力，減緩板料在沖壓成型過程中的擠壓情況，從而達到克服起皺缺陷的目的。

圖7 車身前縱梁數模修改前后對比圖

圖8 示出車身前縱梁修改數模形面后的沖壓成型性能圖。圖8中①處本來起皺的部位變成了壓應力狀態，②處原本受壓應力的狀態變成了拉伸不足，數模結構更改后起皺區域的大小與起皺的程度都得到了明顯的改善。

圖8 車身前縱梁結構改進后的成型結果圖

2 車身前縱梁沖壓成本計算

拉延是基本的沖壓工序之一，文章根據現有的零件數據來計算出壓力機的沖壓噸位，根據企業單位的實際生產情況計算出車身前縱梁的沖壓成本。

選擇冷沖板類零件所需要的壓力機噸位時，若是薄板（小于3 mm或壓力機公稱力行程）沖裁時，因為沖裁力不大，可根據沖壓件沖裁力與壓力的計算來選擇壓力機的噸位[16]；使用一般材料，在壓力機上沖裁普通件時，根據沖裁力與壓邊力選擇沖床噸位，綜合考慮模具的刀刃磨損、凹凸模間隙不均勻、材料力學性能波動及材料厚度偏差等因素，壓力機噸位公式，如式（1）所示。

式中：F——壓力機噸位，kN；

F沖——沖裁力，kN；

F壓——壓邊力，kN；

K——系數，查閱相關表格，取K=1；

L——數模周長，mm；

t——坯料厚度，mm；

σb——板料的強度極限，MPa；

P——單位壓邊力，MPa；

A——受沖壓部分的面積，m2。

根據測量，車身前縱梁周長為1 555 mm，厚度為2.2 mm，強度極限為500 MPa，將其代入式（2）可得：

經換算，取沖裁力噸位為170 t。

本次設定車身前縱梁沖壓成型的單位壓邊力為3 MPa，因車身前縱梁結構復雜，實際受沖壓面積不易準確測量，這里估算為板料的一半，即0.5×320 mm×580 mm。根據式（3）可得：

F壓=PA=3（0.5×320×580）=278 400 N=278.4 kN

經換算，壓邊力取 28 t。將 F沖=170 t，F壓=28 t代入式（1）可得，F≥198 t，壓力機噸位取 200 t。

查閱相關資料與企業數據，獲得成本價格。表1示出沖壓工序成本表。

表1 車身前縱梁沖壓工序成本表

根據市場價格，車身前縱梁沖壓成型所用材料HX340LAD為8元/kg，所以沖壓件成本如式（4）所示。

式中：C——沖壓件成本，元/件；

C沖——沖壓工序總成本，元/件；

C材——原材料成本，元/件。

由表1數據得出：

C沖=0.4+0.4+0.3+0.3+0.3=1.7元/件

C材=毛坯質量×單價

=長×寬×厚×體積質量×單價

=580×320×2.2×10-9×7.8×103×8

=25.5 元/件

C=C沖+C材=1.7+25.5=27.2元/件

所以車身前縱梁沖壓的成本為27.2元/件。

3 結論

文章結合沖壓同步工程的技術方法與結構優化的實際工作經驗，對車身前縱梁進行了結構優化和沖壓成本計算。對車身前縱梁初始數模進行沖壓成型仿真并對成型結果及成型缺陷產生的可能原因進行分析。利用沖壓工作人員的工作經驗，對零件可能發生沖壓成型缺陷的部位作出相應的結構改進，并在條件不變的前提下對結構改進前后的零件作出成型性對比，從而使得零件能夠更好地符合實際工作情況。在此基礎上，對前縱梁的沖壓成本進行了分析。分析結果對縮短前縱梁開發周期、降低成本、提高產品質量具有重要意義。