某車型加強梁成形仿真分析*

劉邦雄

（景德鎮(zhèn)學院機械電子工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

汽車加強梁的作用是加強車輛的防碰撞能力，提高整車安全性能[1-3]。目前加強梁的制造采用沖壓、焊接的方式，具體工藝步驟是先把加強梁的上下兩個半殼采用沖壓的方式?jīng)_壓成形，然后再通過焊接的方式，把上下兩個半殼焊接在一起。采用先沖壓后焊接的方式制造的加強梁生產周期長、工序多、模具費用高，且焊接時在交替應力作用下容易脫落，影響整車安全性能[4-6]。楊靖丞等[7]以汽車橋殼為研究對象，根據(jù)其結構特點，運用神經(jīng)網(wǎng)絡理論建立網(wǎng)絡模型，將軸向位移加載量、進給時間和壓力加載時間等參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡過程當中的重要內容，結合正交實驗的方法優(yōu)化出最優(yōu)參數(shù)，最后采用實驗驗證了準確性。黃麗容等[8]針對薄壁復合管件類零件，以消音器為研究對象，借助Abaqus軟件對成形過程進行了數(shù)值模擬，通過實驗驗證消音管件能夠采用內高壓成形工藝加工成形。黃曉峰等[9]分析汽車扭力梁橫截面，采用預成形結合內高壓成形理論方法，優(yōu)化其初始壓力值，并通過實驗驗證。基于以上研究，課題組通過AutoForm有限元軟件對加強梁進行內高壓成形仿真分析，并進行不同工況下內高壓成形質量的探討[10]。

1 仿真分析

1.1 有限元模型的建立

通過SolidWorks建立模型后另保存為IGES格式并導入AutoForm軟件中，加強梁數(shù)據(jù)模型如圖1所示。從圖中可以看出，數(shù)模最大截面和最小截面相差較大，最小截面寬為58 mm，因此，選用直徑為58 mm的管材，材料選擇牌號為SPH440鋼材，部分力學性能如表1所示。

圖1 加強梁數(shù)據(jù)模型

表1 SPH440部分力學性能

加強梁是三維異形截面空心結構件，軸線為曲線，需要對管件多次彎管，因此需要預彎曲成形。彎管預成形如圖2所示，從圖中可以看出，內側壁厚增加，外側壁厚減薄，壁厚差可超過25%，并隨著彎曲角度變化而變化。

圖2 彎管預成形

1.2 分模面的確定

脹形模具如圖3所示，主要由上模具、下模具和補料推頭組成。上模和下模僅需要定義內表面，將其設置為剛體材料。成形過程中將預成形彎管件置于上、下模具中間，摩擦系數(shù)定義為0.03，液壓油介質通過左右兩端軸向進給。

圖3 脹形模具與管坯

1.3 加載路徑

內壓力加載方式有很多種，如線性、折線及曲線加載，課題組選取線性加載，如圖4所示。按加載曲線1進行加載，右端口附近截面周長較長，右沖頭進給量為60 mm，左沖頭進給量為20 mm。

1.4 成形結果

成形結果如圖5所示，從圖中可以看出，將成形后的管件進行截面劃分，管件最右端為第一個截面，每隔150 mm劃分一個截面，共取六個截面。對六個截面分別測量周向五個點的壁厚，管件最大壁厚為3.57 mm，增厚率高達19%，最小壁厚為2.54 cm，減薄率高達15.3%。管件壁厚分布不均勻，管件部分區(qū)域減薄現(xiàn)象明顯，管件兩端增厚率高，材料利用不合理。

2 關鍵參數(shù)對成形質量的影響

2.1 摩擦力對成形質量的影響

在成形過程中管材與模具間存在接觸，接觸部分的摩擦力大小會嚴重影響軸向補料。為了探討摩擦系數(shù)對管件內高壓成形質量的影響，分別取摩擦系數(shù)μ為0.03、0.06、0.09、0.12、0.15，其他參數(shù)不變，以加載曲線1進行加載，得到的成形后的管件與加載曲線1相同截面處五個點的壁厚，取其平均值繪制成折線圖，如圖6所示。隨著摩擦系數(shù)的增加分別測量，管件壁厚分布差異逐漸增大，管件最大壁厚處增厚現(xiàn)象明顯，當μ=0.15時，管壁最大厚度為3.26 mm，管材壁厚增厚率達9%，增厚較為嚴重。由于內壓力升高，接觸面積逐漸增大，摩擦力逐漸增加，導致材料流動阻力增加，使得流向脹形區(qū)域的材料減少。成形區(qū)由于得不到材料的補充僅靠自身壁厚而減薄，當減薄率過高時產生破裂現(xiàn)象。隨著摩擦力的增加，壁厚減薄率呈升高的趨勢。非變形區(qū)域與模具接觸的面積相對較大，摩擦系數(shù)不同時管壁最小厚度值的差異也明顯。減小摩擦力有利于獲得成形質量更高的管件，降低管件成形難度，減少對模具的磨損。當摩擦力過大時，易影響軸向補料，使管材處于高度破裂的危險中，所以摩擦力的大小影響著壁厚的分布，是決定管件能否順利成形的重要因素之一。

圖6 不同摩擦系數(shù)壁厚變化

2.2 內壓力對成形質量的影響

僅改變成形內壓力，其他參數(shù)如摩擦系數(shù)、初始管材壁厚、軸向補料量等保持不變，如圖7所示，按加載曲線2、3對管件進行加載，獲得成形后管件壁厚分布圖如圖8所示。從圖中可以看出，不同內壓力對管件的脹形量的影響不相同，內壓力越高管件脹形量越大，說明內壓力是影響管件脹形的重要因素。隨著內壓力的增加，管件的脹形量越來越大，壁厚減薄率明顯增高。當內壓力較小時，管件貼模率不高，管件與模具間存在較大間隙，管件壁厚減薄不明顯。當內壓力過高時，管件貼模率高，管件壁厚減薄現(xiàn)象顯著，管件發(fā)生破裂現(xiàn)象可能性大。

圖7 內壓力加載曲線

圖8 不同加載曲線壁厚分布

2.3 軸向補料量對成形質量的影響

僅改變軸向補料量，其他參數(shù)如摩擦系數(shù)、初始管件壁厚等保持不變。如圖9所示，按加載曲線4、5對管件進行加載，獲得成形后的管件壁厚分布圖如圖10所示。在內壓力一定時，隨著軸向進給的進行，管件壁厚有所不同，表明增加軸向補料量可以提高管件成形極限，軸向補料是提高管件成形極限的重要因素。從管件模擬內高壓成形過程來看，當軸向補料量較少時，管件壁厚減薄率較高，僅通過自身壁厚減薄達到脹形目的，當管件脹形量過大時，易造成管件破裂。當軸向補料量過大時，管件壁厚增厚率明顯，由于壁厚的增加，管件破裂壓力將增大，即管件可以在更高壓力下通過自身壁厚的減薄脹形，提高管件膨脹率。

圖9 進料加載曲線

圖10 進料不同加載曲線壁厚分布

3 結論

本研究以汽車加強梁為研究對象，借助有限元AutoForm軟件對零件成形過程進行分析。成形結果顯示，管件部分區(qū)域減薄現(xiàn)象明顯，管件兩端增厚率高。導致此種現(xiàn)象的原因可能是由于進料不夠，為了向成形區(qū)多進料，分析了不同摩擦系數(shù)下壁厚的變化規(guī)律，結果表明：減小摩擦系數(shù)有助于成形質量的提升，同時內壓力的大小和軸向進料的多少均會對成形壁厚產生重要的影響。