汽車骨架矩形管大角度彎曲時質量損傷的仿真研究

文／王翠竹·四川信息職業技術學院現代制造學院基金資助：2023 四川信息職業技術學院-不同材料的異型管彎曲成形質量的研究（編號(2023C16)

矩形管件的繞彎成形及質量缺陷

將金屬薄壁矩形管坯放入彎管機中，其頭部由夾塊和鑲塊同時夾緊。管坯外部由壓塊、防皺塊支撐，內部由芯棒和芯頭支撐，管坯則以彎曲模角速度ω 同步轉動，繞彎到所規定的彎曲角α。

為了討論此彎管質量缺陷清楚起見，定義管件彎曲段任一橫截面上的寬度擴展率λ=w1/w0-1；徑向截面上中面高度縮減率η=1-h1/h0；局部壁厚減薄率Δ=1-t1/t0；式中，w0、h0、t0分別為管件的寬度、高度和壁厚，w1、h1、t1分別為管件彎曲段在該徑向截面上的最大寬度、中面高度與最小壁厚，如圖1 所示。

圖1 管件彎曲段截面畸變的一般形式

參數設置與仿真模型

管坯的材料及其尺寸參數

JAC590Y 為汽車車身結構中常用的一種高強鋼材料，其屈服強度為395MPa，抗拉強度為615MPa，密度為7850kg·m-3，泊松比為0.28。由于Dynaform 軟件中自帶JAC590Y 材料數據，在繞彎成形中，可將其應力應變關系擬合為σ=1033ε0.204。

有限元模型

在Dynaform 軟件平臺上構建如圖2 所示的三維有限元模型。

不同彎厚比對截面畸變的影響

選定管坯尺寸截面寬度w0為40mm，截面高度h0為30mm，管件彎曲半徑R 為120mm，對4 種壁厚分別為1mm、1.5mm、2mm、2.5mm(即彎厚比R/t0為120、80、60、48)的矩形管進行彎曲180°成形數值模擬，研究其對寬度擴展率λ、中面高度縮減率η、壁厚減薄率Δ1和底板皺波(用曲率值大小表示起皺程度)等的影響規律。

R/t0 對彎曲段λ 的影響

圖3 為4 種不同彎厚比下對矩形管進行180°彎曲成形后其側板沿寬度方向的位移云圖，可以直觀看出，當R/t0=120 時，管坯彎曲段在截面角φ=100°～150°區間里出現嚴重畸變，這時兩側板寬度方向位移最大可達3.8mm，并根據寬度擴展率λ=w1/w0-1 公式算出，λmax已接近20%，其他三種工況同樣能得出λmax數值，基本保持在5%左右。觀察當R/t0=120 時，λmax值遠遠大于其他三種工況，根據矩形管材料屬性，此時所得彎曲成形管件不合格。

R/t0 對彎曲段Δ1 的影響

圖4 為4 種彎厚比下對矩形管進行180°彎曲成形后的壁厚減薄率云圖。由圖可以看出，管坯壁厚減薄的最大位置均在兩側板與頂板的交角處，當R/t0＝120 時，管件表面呈現凹凸不平現象，這時的壁厚減薄率已達到32%，已是不合格的管件。因此，在圖5 中只考慮彎厚比為80、60、48 這三種工況，得出規律曲線。從圖中可以看出，這3 種壁厚彎管件的壁厚減薄率均在截面角φ約為20°時最大；而當φ>20°后，壁厚減薄率隨著截面角增大都有減小趨勢且規律基本一致，彎厚比越小其壁厚減薄率數值也越小。彎厚比R/t0在由80 到60 的過程中，最大壁厚減薄率幾乎沒有變化，但從60 減小到48 時，矩形管中最大壁厚減薄率急速下降。此時，矩形管的壁厚大小因素對其壁厚減薄有很大影響。

圖4 4 種彎厚比下矩形管的壁厚減薄率云圖

圖5 壁厚減薄率Δ1 與截面角φ 的關系曲線

R/t0 對彎曲段η 的影響

由圖3、圖4 可知，彎厚比R/t0為120 時，彎制出的管件為不合格產品，對此以下討論中面高度縮減率η 時不考慮此值，由此繪出圖6 所示規律曲線圖，觀察得出：3 種彎厚比情況下，中面高度縮減率η均在彎曲段截面角φ處于30°～150°區間保持穩定，當彎厚比R/t0為60 時，ηmax下降到10%左右，隨著彎厚比R/t0小于60 之后，彎厚比R/t0減小，而ηmax變化不大。

圖6 高度縮減率η 與截面角φ 的關系曲線

R/h0 對彎曲段底板起皺的影響

圖7 為管坯3 種彎厚比下彎曲180°時，其底板在縱向對稱截面上的理論曲率曲線與實際曲率曲線，此時理論曲率半徑Rb=105mm，而理論曲率值約為0.0095mm-1。由圖所示，在三種工況下，均在截面角φ在40°～120°區間上下波動范圍不大，而在截面角φ在0°～30°和130°～170°兩頭波動較大，并且當彎厚比R/t0為80時，曲率值波動幅度較大，此時彎制合格管件壁厚最小，彎曲段前段和后段起皺程度較大。由此看來，管坯壁厚大小對其本身起皺程度有較大影響。

圖7 3 種管件底板的縱向曲率

結論

⑴高強鋼矩形管彎曲成形中，壁厚大小的取值對管坯的截面畸變影響很大。其中當彎厚比R/t0＜60時，ηmax與Δmax的數值變化較大，此工藝參數是管坯繞彎成形的臨界值。

⑵彎厚比R/t0為120 時，彎制出不合格成品件。在合格成品件里，彎厚比R/t0為80 與彎厚比R/t0為60 和48 時，其截面畸變程度和底板起皺相差較大。而彎厚比R/t0為60 和48 時，畸變程度相差不大。在實際加工中，應盡量選擇管坯厚度為2mm。

⑶無論彎厚比的大小，截面畸變規律(中面高度縮減率η、壁厚減薄率Δ1)和底板的曲率值基本一致，只是相差于畸變程度。截面角φ在50°～140°區間，中面高度縮減率η 都處于穩定趨勢，壁厚減薄率Δ1呈逐漸減小趨勢，并且其最大值均在截面角φ為20°時。