B柱加強板成形的有限元模擬

王圣波，葛紅劍，劉鋼，周森

(1.海南職業技術學院 工業與信息學院，海南 海口 570216; 2.一汽海馬汽車有限公司，海南 海口 570216)

0 引言

汽車覆蓋件成形的力學過程及成形影響因素非常復雜，是涉及幾何非線性、材料非線性、接觸非線性于一體的強非線性問題，傳統的解析方法難以求解判定[1]。傳統的金屬板料沖壓成形工藝及模具設計主要依賴于設計者的經驗，需要多次修改模具和反復調試才能獲得可行方案，造成大量人力、物力和時間的浪費。隨著制件設計的復雜化和加工精度要求的日趨提高，傳統基于人工的操作無法保證產品的質量，而成本上又沒有優勢，故難以適應現代工業的發展要求，勢必被新的技術取代[2-3]。經過100多年的發展，塑性成形理論已相當成熟。隨著有限元分析方法的深入發展以及計算機應用技術的普及，應用有限元方法進行板料塑性成形過程數值模擬，已成為一項有效解決該問題的高新技術，并且推動了沖壓成形工藝和模具設計技術的革新[1,4-5]。

為了加快板料沖壓模具設計，需要有機地集成CAD設計和CAE分析，讓其優勢互補。板料成形非線性有限元仿真軟件Dynaform包含模具設計、仿真分析等模塊，融合CAD和CAE于一體，方便沖壓零件的模具創建，較好地解決零件沖壓成形過程的仿真、結果預測及工藝優化，在沖壓成形及模具設計方面應用越來越廣泛。現代轎車覆蓋件制造以板料沖壓成形為主，覆蓋件零件通常外形尺寸大、形狀復雜且不規則，對表面的質量要求較高，其成形難度較大，模具結構及變形情況復雜，變形規律難以掌握[4-5]，因此出現的問題也較多，尤其是在實際沖壓過程中零件變形大區域出現破裂、翻邊處往往產生嚴重的起皺缺陷、局部塑性變形不足、成形零件剛度不足等問題。本文以某車身覆蓋件B柱加強板為例，將通用CAD軟件中設計出的產品幾何模型，在Dynaform軟件中進行拉深模具設計及成形過程的有限元模擬，針對存在的問題提出優化設計方案，獲得合理的工藝參數，并指導實際生產。

1 零件特點及工藝分析

B柱加強板是現代汽車上重要的承力結構件，起到加強和支撐B柱及車身的作用，影響汽車側面碰撞結果和乘員的生存空間，為大型骨架類沖壓制件，屬于典型的汽車結構件。為了提高車身的承載能力和碰撞安全星級的得分，B柱加強板要求具備較高的強度和剛度，應用高強度鋼來成形已成為一種趨勢。該零件在實際沖壓成形過程中，通常需要經過落料、拉深、沖孔、翻邊和修邊等多道復合工序才能完成加工，其中拉深成形工序是該件制造的關鍵，它直接影響到零件的加工質量、制造成本及材料利用率。因此本文對該件的拉深過程進行有限元分析，保證B柱加強板的一次沖壓成形。

圖1所示為B柱加強板的設計幾何外形。該件的長、寬、高分別為1 145 mm、330 mm和164 mm，厚度為1.8 mm。該零件的結構特點為：截面形狀變化復雜，底部高度存在較大起伏，有凹槽、凸臺、加強筋、開孔、過渡圓角小等多種特征，成形過程中容易出現開裂和起皺等缺陷，且高強鋼的應用又加劇了這些缺陷的產生，給模具設計及成形工藝確定增加了困難。若毛坯的初始形狀設計合理，工藝參數控制得當，B柱加強板可以一次成形[6]。因此，本文對該件的一次拉深成形過程進行模具設計和有限元仿真分析。

圖1 B柱加強板的幾何模型

2 模具設計

將通用CAD三維造型軟件如Catia、Pro/E、SolidWorks等設計出的零件幾何模型以IGES的格式保存，導入Dynaform軟件中，在Dynaform的前處理模塊進行模具設計，應用于拉深成形仿真的有限元模型，通過以下步驟進行搭建。

2.1 幾何模型的檢查和修補

利用通用CAD軟件設計的產品幾何模型，往往存在一些缺陷，例如型面有縫隙、重疊或者包含過于細長的曲面片等，難以滿足模具設計工程師的有限元分析要求。此外，為了減少不必要的計算工作量，應該刪去原始設計中包含的一些細小特征，以免在這些區域產生過多細小的單元，造成計算不收斂。因此，有必要進行型面檢查和修補，消除這些缺陷。

2.2 沖壓方向的確定

對于B柱加強板這種復雜形狀零件的成形，一個重要的問題就是確定拉深方向。沖壓方向的選擇不僅要保證成形質量，還要考慮送料和導料的方便性。拉深方向確定的合理性應能滿足以下要求[1]：

1)拉深凸模能夠順利進入凹模；

2)拉深深度適當，并且盡量拉深均勻；

3)凸模相對于坯料兩側的拉入角盡量相等；

4)凹模與坯料接觸平穩，接觸面積較大，多處接觸時最好保證同時接觸。

本文利用Dynaform中DEF模塊，以Preparation命令中的Tipping進行沖壓方向調整，并采用自動調整(auto tipping)與手動調整(manual tipping)相結合的方法。圖2所示為最終確定的沖壓方向，該沖壓方向使拉深深度最小，利于坯料拉深成形。

圖2 沖壓方向的確定

2.3 壓料面的設計

壓料面是指位于凹模上表面和凸模之間將坯料壓緊以防止其起皺的部分表面，用于保證坯料在拉深成形過程中不被破壞和順利成形，起著重要的作用。針對B柱加強板外形呈弧度且縱向形狀尺寸變化較大的特點，為了使坯料成形過程中各部分的受力狀況均衡，本文設計模具的壓面料為曲面，如圖3所示。

2.4 工藝補充面的設計

工藝補充面的設計是復雜曲面形狀零件成形工藝設計的重要內容，工藝補充面設計是否合理，直接影響到坯料拉深成形的變形條件及成形結果，尤其影響成形零件表面質量、起皺、破裂等質量問題的控制。工藝補充設計應遵守內孔封閉原則、簡化拉深件結構形狀原則以及對后續工序有利的原則。在保證成形質量的前提下，工藝補充部分應盡量減少以提高材料的利用率。B柱加強板的各部分變形分布不均勻，變形情況相差較大。工藝補充面的設計應有利于平衡零件各部分的變形量，有助于提高零件的成形質量。基于以上原則，本文設計的工藝補充面如圖3所示。

圖3 工藝補充面和壓面料的設計

2.5 坯料展開尺寸的確定

坯料形狀尺寸的確定是板料成形工藝設計中的重要一環，合理的坯料形狀不僅可以減少板料消耗，而且能改善成形過程中材料的應變分布，減少缺陷的產生，提高加工零件的質量。

本文通過有限元逆算法來獲得坯料的幾何性狀和尺寸，即采用Dynaform提供的BSE功能對設計工藝補充面后的B柱加強板進行逆算，得到坯料的初始形狀，然后再對其進行修正，最終得到坯料的形狀及尺寸如圖4所示。

圖4 展開的坯料形狀及尺寸

2.6 拉深筋的設置

汽車大型沖壓件在實際生產中，通常由于零件幾何型面的不對稱，使得坯料在成形過程中經過凹模口部的各處材料流動速度不均衡，導致拉深后的零件有些部位出現起皺、波紋、變形不足或者回彈，而局部拉深量過大導致減薄嚴重產生頸縮甚至破裂等缺陷。為了解決這些問題，通常是在凹模口部的周邊位置設置拉深筋對坯料成形流動進行調整，即在流動速度大的區域設置大阻力的拉深筋，而在流動速度小的區域設置小阻力的拉深筋或者不設拉深筋，從而平衡材料沿凹模口部的流動速度差異，防止起皺，提高零件成形剛性。

本文根據凹模口部的形狀，利用Dynaform中的Preprocess模塊內的Boundary Line功能進行凹模口部邊界輪廓線的創建，生成一條輪廓線，然后把生成的曲線朝外偏置30 mm，得到一條偏置線，沿著偏置線創建拉深筋，初始生成高度為8 mm、寬度為10 mm的半圓筋。為了便于根據不同的部位及不同的進料情況來調整阻力參數，將拉深筋分6段來設置，如圖5所示。

圖5 拉深筋的設置

經過對沖壓方向的確定、工藝補充面的設計、壓料面的設計以及拉深筋的設置，創建了B柱加強板的拉深凹模。凹模設計完畢后，通過曲面偏移分別生成凸模及壓邊圈，獲得B柱加強板的拉深模具模型，如圖6所示。

圖6 拉深模具模型

3 有限元建模

采用有限元模擬分析可預測零件拉深成形模具設計的合理性，然后經過調整壓邊力及拉深筋布置等工藝參數，可保證沖壓成形的可靠性，有效提高模具設計效率。

3.1 仿真參數選取

表1 TRIP600鋼板的材料參數

板料拉深成形的主要工藝參數有：拉深筋阻力、摩擦系數、沖壓速度、壓邊力和模具間隙等。表2所示為仿真分析中對各參數的取值。需要特別說明的是：模具實際生產時沖壓速度較低，在仿真模擬中為了提高計算效率，將模擬中的沖壓速度設為實際速度的若干倍，對結果影響不大。

表2 模擬中使用的工藝參數

采用逆算法展開得到的坯料(圖4)，設備類型選用雙動反拉深沖壓的方式，定義“合模—壓邊—拉深”的模擬工序過程，采用固定壓邊，初始壓邊力根據經驗公式計算得到，合模間隙為1.1倍坯料厚度，即壓邊時壓邊圈與凹模的距離為1.98 mm，設定摩擦系數為0.125，使用自適應網格重劃分，即在變形劇烈的部位和過渡圓角半徑較小的區域，網格密度較大。

3.2 初次模擬

根據選取的材料參數和工藝參數，在Dynaform的AutoSetup模塊進行初次模擬計算提交，模擬后獲得的結果如圖7所示。由此結果可以看出，按初步設置的拉深工藝方案，成形結果存在缺陷。圖7中結合成形極限曲線圖和應變分布圖，可以看到零件發生了較大的塑性變形，變形量比較充分；零件大部分區域都分布在應變安全區范圍內，除了法蘭邊緣外沒有產生起皺現象，但是出現了破裂危險現象，主要分布在缺陷A、缺陷B和缺陷C 三處區域，這種缺陷在板料沖壓中不容許存在，為質量問題件和不合格產品。另外，缺陷D為變形不足區域，變形不足可能導致零件剛度不足及成形后回彈等問題，回彈過大將導致零件尺寸難以保證及裝配不良。

圖7 初次模擬結果

汽車上復雜零件的沖壓成形發生破裂問題，一般是由于變形過大、板料強度不足、過渡圓角小或者拉深筋布置不合理等引起的，可通過降低拉深深度、優化工藝補充面、加大過渡圓角、改善拉深筋形狀和高度、修改坯料形狀等方式，提高成形過程中坯料的流動性，避免破裂缺陷[6]。

3.3 工藝參數優化及分析結果

初次模擬，拉深成形過程中零件拐角區(圖7中缺陷A和缺陷C)的破裂是由于凹模進料口過渡圓角過小而產生，為此修改了初始毛坯性狀和工藝補充面，增大缺陷區域拐角區的圓角半徑，提高材料成形中的均勻流動性，消除破裂產生的條件。零件直邊區(圖7缺陷B)的破裂是由于拉深筋阻力過高而造成的，為此將拉深筋3的高度降低為5 mm。由于成形結果出現過多的破裂現象，表明壓邊力過大，為此將壓邊力下調為2.0×106N。另外，為了有效控制起皺和變形不足，確保成形后的零件具有足夠的剛性和減小回彈，調整零件兩端頭拉深筋1和拉深筋2的高度，設置為12 mm。

圖8所示為部分工藝參數優化后的模擬結果。從圖8中可知，初次模擬(圖7)的破裂缺陷得到了很好的改善，破裂危險區域已完全改善，變形比較充分，變形不足區域基本消除，零件的成形質量得到了很好的保證。表明優化方案提出的工藝參數調整可靠。

圖8 調整工藝參數后的模擬結果

4 實驗驗證

生產實踐中，根據最終模擬分析得到的模具造型和工藝參數，用于指導B柱加強板的拉深模具設計和制造。圖9所示為凸模結構實物圖。采用上述調整優化后的工藝進行沖壓試生產。結果表明，B柱加強板成形效果良好，無破裂、起皺等現象，變形充分，回彈小，產品質量符合設計要求，試生產結果與模擬結果基本吻合。覆蓋件拉深模具的設計合理與否，除了零件沖壓方向、工藝補充面、壓面料的合理設計，還要根據具體材料的力學性能，對拉深筋和壓面料進行必要的優化，才可拉深出合格的零件，有效提高模具設計的效率，減少了開發成本。

圖9 凸模結構

5 結語

本文以某汽車車身B柱加強板為例，基于有限元模擬進行模具設計，根據零件的形狀特點和工藝分析，通過幾何模型的檢查和修補、沖壓方向的確定、壓面料的設計、工藝補充面的設計、坯料尺寸展開、拉深筋的設置等模具設計過程，生成零件拉深的有限元模型。經過初次仿真分析，定性預測了零件成形過程中出現的破裂質量缺陷，進行問題分析和工藝參數優化，最后根據調整后的模擬結果進行實際生產，最終試生產出的零件合格，降低了模具設計成本，提高了工藝設計質量，縮短了開發周期，提升了生產效率。