汽車高強度鋼U形件彎曲回彈有限元分析研究

黃能會　周均濤　張軍建

摘? 要：文章對汽車高強度鋼進行U形彎曲過程中的回彈進行了分析，研究了彎曲回彈產生的原因以及利用有限元分析軟件對U形件進行沖壓回彈分析，闡述了在進行仿真分析過程中應該注意的問題，對高強度鋼彎曲模具設計者有一定的指導意義。

關鍵詞：回彈;高強度;有限元;彎曲

中圖分類號：TG386文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）17-0116-02

Abstract： In this paper， the springback of automobile high strength steel in the process of U-shaped bending is analyzed， the causes of bending springback are studied， and the stamping springback analysis of U-shaped parts is carried out by using finite element analysis software. This paper expounds the problems that should be paid attention to in the process of simulation analysis， which has a certain guiding significance for the designers of high strength steel bending die.

Keywords： springback; high strength; finite element; bending

隨著汽車工業的快速發展，汽車數量的增加影響著大氣污染的環境問題。為減少污染物排放、降低汽車能耗，實現汽車的可持續發展。同時，人們生活質量的提高對汽車在碰撞后能保護乘客等安全性能上的要求越來越高，為了實現保證安全性能的同時減輕汽車的重量，采用新型的高強度鋼板代替普通鋼材已成為發展趨勢[1]。沖壓作為汽車制造過程中四大工藝的最前工序，其成形結果對后續加工和裝配起著非常大的影響作用。在板料成型過程中，尤其是高強度鋼板，容易出現如破裂、起皺、回彈等缺陷[2]。而回彈是高強度鋼板板料成形過程中最為復雜的問題[3]。回彈問題的不解決好，對后續制件的裝配和實用性能會影響很大。

1 高強度鋼回彈

我國汽車工程學會產業研究院根據力學特性，把屈服強度在210～550MPa和抗拉強度在270～700MPa的鋼為高強鋼，而屈服強度大于550MPa和抗拉強度大于700MPa的鋼為超高強鋼。板料在沖壓過程中受到外力作用就會發生彎曲，有彎曲就一定有回彈現象發生，板料在發生彎曲過程中，其彎曲的內表面受壓應力，外表面受拉應力，應力狀態不一致導致板料所受屈服應力不一樣，當外力移除后，彈性變形區因回復而引起回彈。因此，掌握高強度鋼板沖壓成形技術是我國當前汽車零部件制造行業急需解決的問題。

2 有限元分析方法

高強度和超高強度鋼板在汽車工業中的應用越來越普遍，回彈產生的問題也越來越制約著高強度鋼在汽車行業中的應用，精確的回彈分析預測和有效的補償控制在當前也越來越重要。隨著借助軟件進行計算機輔助分析（CAE）的日趨成熟，板料成形理論的逐步完善，結合CAD技術，CAE技術得到了廣泛的應用，同時，對于提高產品的精度、縮短模具開發的周期、降低模具制造的成本等都達到了很多企業的認可。利用CAE軟件對沖壓全過程進行有限元模擬，設置合理的參數，結合實際模具沖壓產品進行物理實驗對比，就能夠很好的利用好這個工具，為沖壓模具制造作前期服務。

2.1 DYNAFORM回彈計算方法

本論文借助板料成形軟件DYNAFORM對零件的成型過程進行沖壓模擬，DYNAFORM軟件是美國ETA公司推出的針對板料成形數值模擬的專業化軟件，目前已被世界各大汽車、鋼鐵等單位廣泛應用。DYNAFORM軟件是利用LS-DYNA求解器對板料實現精確成形與回彈預測、回彈補償等仿真分析，該軟件包含隱式求解和顯式求解兩種求解方式，其中隱式求解存在迭代計算收斂性的問題，計算時可用較大的時間步長;顯式求解沒有收斂性問題，但與劃分網格最小尺寸關系很大，因為時間步長由最小單元尺寸所決定。在解決回彈分析問題時，DYNAFORM軟件采用的是動靜聯合算法求解，即利用動力顯式求解器模擬沖壓成形過程，計算迅速、穩定，而且不存在收斂性問題，能實現顯、隱式無縫集成的功能，將完成沖壓分析后的結果，自動轉換為隱式求解器再進行回彈分析。最后，從結果文件中創建云圖、變形、應力分布和動畫等，方便查看計算結果。

2.2 DYNAFORM回彈計算過程

DYNAFORM軟件提供回彈的計算分析方法有兩種方法，一是快速設置法：如圖1所示，該方法只需要定義工具part就可以按照缺省參數設置的方式進行回彈仿真分析，此方法雖然簡單，但在實際中對參數的設置不符合實際工況，這種方式只適用于低強度鋼簡單沖壓件的回彈分析。第二種是采用成形參數設計，按照實際沖壓工況設置后進行成形分析，如圖2所示，在實際分析過程中，常采用第二種分析方法，其具體分析過程如下：

（1）將設計好的沖壓零件或者模具轉化為DYNAFORM所能識別的文件，導入到分析軟件中，導入后的模型如圖3所示。（2）提取所需要的面進行零件層的創建，命名好后為分析工序做準備。（3）對板料、凸模、凹模、壓邊圈等進行設置，按照實際板料的屈服強度、摩擦系數等進行設置，并進行網格劃分。按照實際模具工作情況進行工序、沖壓方向等設置。（4）將分析任務提交給管理器進行計算，分析前要對工序中凸、凹模等模具零件進行動畫演示模擬分析，確保相互位移運動的正確性，避免既無法進行仿真計算，又無法得到合理的結果。（5）查看計算結果，包括云圖分析、等值曲線、動畫結果等，如果回彈量不在可容許的范圍內，則進行回彈補償分析。（6）將最終得到的模面導入到模具設計中進行真實模具的設計。

2.3 重要參數設置

（1）網格劃分，對各零件進行網格劃分時，按照適中的原則，盡可能采用尺寸均勻的正方形單元，如果三角形單元不可避免，盡量放在板料的外圍，檢測板料內部沒有自由邊界，同時不能有重迭的單元。板料網格大小按零件最小圓角的3倍值劃分，R的3倍為最大值，理論上1/4圓弧上要有4個節點（3個單元），零件比較小的時候，可以適當減小網格大小值。對于回彈分析處理圓角位置時的時候，為了讓分析結果更接近實際，一般要求回彈分析前，理論上1/4圓弧上要有5個節點（4個單元），如圖4所示：圓弧半徑為3mm，有4個單元，兩相鄰節點距離1.17mm，即網格細分后最小單元網格大小為1mm左右。另外在控制參數設置中，最大自適應等級取4。

（2）沖壓材料導入經過實測的真實屈服強度的屈服曲線，才能使得計算結果更加精確。

（3）沖壓零件工具設計參數：摩擦系數設置、模具間隙、壓邊力等在沒有經驗值的情況下要做正交實驗模擬分析。

（4）回彈補償可以進行多次反復的進行，直到得到回彈值在可接受的范圍內，這樣得到所需要的模面，也就是模具設計的面。

3 回彈措施

目前控制高強度鋼回彈的一般方法主要有兩種：一是從模具上進行改進，采用模面補償，根據回彈量的大小，修改模面，從而達到控制回彈的目的，這就需要對模具進行不停的改進，甚至在改進的過程中將整個凸、凹模毀掉;二是從沖壓工藝上進行控制，調整摩擦系數、壓邊力、拉延等來減少回彈。這樣的控制回彈方式使得模具制造的周期長，制造成本高。

到目前為止，高強度鋼的回彈理論、數值計算等都沒有一個標準的規范，現有的回彈經驗是針對以往的低強度鋼總結出來的。通過軟件進行CAE結合實踐模具進行分析，正交分析出一個通用的模具型面設計準則，并以此為基礎建立比較完善的設計準則，如同目前的低強度鋼回彈公式一樣。相信通過這樣的分析方式，我國的汽車輕量化和高強度制造技術會有很大的幫助。

4 結束語

通過有限元分析軟件可以較好地分析高強度鋼彎曲回彈，能夠直接的對成形和回彈過程進行分析，并較精確的預測回彈量，最后通過回彈后的結果單元，導出成形模面指導模具設計，從而有效的降低模具制造成本，縮短模具制造周期，對模具設計者和沖壓工藝者有一點的指導意義。

參考文獻：

[1]范子杰，等.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報，2014（01）：1-16.

[2]張璐.高強鋼回彈預測中材料模型的適用性研究及回彈補償的自動實現[D].上海交通大學，2012.

[3]朱東波，等.板料成形回彈問題研究新進展[J].塑性工程學報，2000（01）：11-17.