門(mén)外板小尺寸圓角特征線成形失效CAE評(píng)估方法

【摘要】為解決小尺寸圓角特征線成形失效計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）評(píng)估困難的問(wèn)題，針對(duì)存在該特征的某車(chē)型門(mén)外板，利用AutoForm，通過(guò)調(diào)節(jié)拉延筋控制材料流入量獲得特征線區(qū)域存在不同成形狀態(tài)的4種門(mén)外板模型，分別分析了考慮厚向應(yīng)力和不考慮厚向應(yīng)力的成形情況和實(shí)際沖壓情況，結(jié)果表明，厚向應(yīng)力使小尺寸圓角特征線的成形極限降低，進(jìn)一步成形會(huì)發(fā)生不均勻的塑性變形，導(dǎo)致傳統(tǒng)的成形性CAE評(píng)估方法不適用于小尺寸圓角特征線。最后，提出了結(jié)合滑移量的小尺寸圓角特征線成形性CAE評(píng)估方法，即當(dāng)滑移量不超過(guò)5 mm且減薄率和最大非線性失效值均滿(mǎn)足要求時(shí)，認(rèn)為小尺寸圓角特征線不存在成形性風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：車(chē)門(mén) 小尺寸圓角特征線 沖壓成形 CAE 失效

中圖分類(lèi)號(hào)：TG386.3；U466" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240064

CAE Evaluation Method for Failure of Small Size Fillet Feature Lines

of Door Panels

Deng Guochao， Lin Kai， You Binbo， Li Mengyao， Li Zihao

（GAC Automotive Research amp; Development Center， Guangzhou 511434）

【Abstract】In order to solve the problem of difficulty in Computer Aided Engineering （CAE） evaluation of forming failure of small fillet feature line， for a door outer panel with such feature， AutoForm was used to control the material inflow by adjusting the drawbead， and four kinds of door outer panel models with different forming states are obtained. Meanwhile， the forming condition and practical stamping condition with and without thickness stress are analyzed respectively. The results show that the forming limit of small size fillet feature line is reduced due to the influence of thickness stress， and uneven plastic deformation will occur in further forming， so the traditional formability CAE evaluation method is not suitable for small size fillet feature lines. Finally， a CAE method for evaluating the formability of small fillet feature lines combined with slippage is proposed， that is， when the slippage is less than 5mm and the thickness reduction rate and maximum nonlinear failure value meet the requirements， it can be considered that there is no formability risk of small fillet feature lines.

Key words： Door， Small radius feature lines， Stamping， CAE， Failure

【引用格式】 鄧國(guó)朝， 林楷， 尤彬波， 等. 門(mén)外板小尺寸圓角特征線成形失效CAE評(píng)估方法[J]. 汽車(chē)工程師， 2024（11）： 37-42.

DENG G C， LIN K， YOU B B， et al. CAE Evaluation Method for Failure of Small Size Fillet Feature Lines of Door Panels[J]. Automotive Engineer， 2024（11）： 37-42.

1 前言

外觀特征線是汽車(chē)造型的重要特征，其風(fēng)格復(fù)雜多變，其中，小尺寸圓角特征線提升了沖壓成形計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真和工藝制造的難度。何星明等[1]以車(chē)門(mén)為例，對(duì)覆蓋件小特征線的滑移線缺陷產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為滑移位移量和接觸壓力是現(xiàn)有CAE判定滑移線嚴(yán)重程度的2種方法，建議在同步工程階段進(jìn)行滑移線評(píng)估并制定預(yù)防措施。關(guān)來(lái)德等[2]利用AutoForm對(duì)某側(cè)圍外板進(jìn)行模擬分析，對(duì)存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的圓角區(qū)域采取調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、壓邊力等措施降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。綜上，小特征線的成形問(wèn)題主要是滑移線缺陷導(dǎo)致的面品問(wèn)題[3-6]和超過(guò)材料成形極限所帶來(lái)的成形失效，即開(kāi)裂[7-8]。

本文針對(duì)某具備小尺寸圓角特征線的門(mén)外板成形問(wèn)題，利用有限元分析方法，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)小尺寸圓角特征線的成形問(wèn)題進(jìn)行分析，并修正CAE分析設(shè)置及成形失效評(píng)估方法。

2 門(mén)外板結(jié)構(gòu)特征

某車(chē)型的前門(mén)外板造型如圖1所示，該門(mén)外板上部區(qū)域存在圓角半徑尺寸極小的主特征線。通過(guò)在特征線上作距離相等的系列法向平面，測(cè)量法向平面與產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交線位置的夾角α和圓角半徑R，具體位置共9處，見(jiàn)圖1。測(cè)量結(jié)果如表1所示，α在134°～139°范圍內(nèi)變化，R在1.6～1.9 mm范圍內(nèi)變化，特征線非常銳利，根據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，該小尺寸圓角特征線存在沖壓成形開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，需通過(guò)CAE進(jìn)一步分析評(píng)估。

3 有限元分析及實(shí)際沖壓結(jié)果

3.1 材料力學(xué)性能

該前門(mén)外板所用材料為GX220BD-ZF鍍鋅鋼板，料厚為0.7 mm，力學(xué)性能如表2所示。此類(lèi)普通軟鋼在進(jìn)行有限元仿真分析時(shí)，其硬化模型采用Hill準(zhǔn)則：

σ=σ₀+Kεⁿ" （1）

式中：σ為真應(yīng)力，σ₀為屈服應(yīng)力，K為強(qiáng)度因子，ε為真應(yīng)變，n為硬化因子。

仿真分析時(shí)，屈服模型采用Hill48模型。

3.2 有限元模型建立

根據(jù)前門(mén)外板的造型特點(diǎn)，建立拉延工藝有限元分析模型，如圖2所示。由于壓料面落差較大，壓邊圈在-Y方向采用定位銷(xiāo)，如圖2a所示，以避免重力狀態(tài)下材料發(fā)生無(wú)規(guī)則竄動(dòng)。壓邊圈行程設(shè)置為95 mm，壓邊力設(shè)置為2 200 kN。拉延筋的布置形式如圖2b所示，拉延筋采用自適應(yīng)三維模型，考慮過(guò)筋減薄效應(yīng)。同時(shí)，X方向采用鎖死筋，避免材料流入；Y方向采用雙筋，用于調(diào)整Y向材料流入，針對(duì)該門(mén)外板特點(diǎn)，-Y方向通過(guò)雙筋鎖死，避免材料流入，+Y方向按滿(mǎn)足成形性和提升材料利用率的原則，允許部分材料流入。

由于特征線圓角半徑尺寸較小，為提升仿真準(zhǔn)確性，需要減小網(wǎng)格單元尺寸，但會(huì)增加接觸處理和矩陣求解的時(shí)間[9]，因此，對(duì)有限元軟件的網(wǎng)格單元分析參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，如表3所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

模型的分析結(jié)果如圖3所示，該門(mén)外板在常規(guī)的拉延方案下，根據(jù)過(guò)往的成形性及剛性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，最大非線性失效值lt;0.8、減薄率lt;25%、主應(yīng)變gt;0.03均滿(mǎn)足要求。

3.4 實(shí)際沖壓結(jié)果

在模具加工調(diào)試階段，一般通過(guò)提高模具研合率并按CAE分析工藝參數(shù)調(diào)試，使實(shí)際生產(chǎn)與CAE分析狀態(tài)一致，避免因?qū)嶋H誤差使實(shí)際成形與理論成形結(jié)果不匹配。調(diào)試階段的匹配率越高，零件的成形性與理論情況越接近，越能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

該前門(mén)外板的模具需要保證下模特征線的硬度高于45 HRC，上模特征線處采用避空加工方案[10]。在沖壓調(diào)試時(shí)，需控制實(shí)際材料流入量與前期CAE分析結(jié)果的偏差。圖4所示為相同工藝條件下沖壓過(guò)程材料實(shí)際流入量與CAE分析結(jié)果，兩者相差不超過(guò)5 mm，滿(mǎn)足要求。

4 開(kāi)裂原因分析與失效評(píng)估方法

金屬薄板成形在求解時(shí)通常僅考慮平面應(yīng)力的作用，如彎曲應(yīng)力與拉伸應(yīng)力，而厚度方向上應(yīng)力的影響可忽略不計(jì)[11]。但小尺寸圓角特征線在板料成形過(guò)程中可能會(huì)由于小面積的接觸形成不可忽視的正應(yīng)力（即厚向應(yīng)力）[12]，孫利等[13]研究認(rèn)為模具圓角半徑減小會(huì)明顯增加板料-模具界面接觸壓力。閻昱等[14]對(duì)TRIP780鋼和304鋼進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，考慮厚向應(yīng)力的材料成形極限曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度更高，且當(dāng)厚度方向?yàn)槔瓚?yīng)力時(shí)，成形極限值更低，即材料的成形性變差。所以，上述方案與實(shí)際沖壓結(jié)果不一致，可能為未考慮厚向應(yīng)力所致。

為進(jìn)一步研究小尺寸圓角特征線實(shí)際成形狀態(tài)與CAE分析結(jié)果不一致的原因并獲得更為準(zhǔn)確的失效評(píng)估方法，本文在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別分析考慮厚向應(yīng)力及未考慮厚向應(yīng)力的情況。

同時(shí)，通過(guò)調(diào)整圖2b中±Y方向的拉延筋阻力系數(shù)，控制±Y方向的材料流入量，獲得了不同成形結(jié)果的方案，其流入量測(cè)量位置為圖1中測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)9，測(cè)量結(jié)果如表4所示。其中：方案1為基準(zhǔn)方案，即上述常規(guī)方案；方案2在方案1的基礎(chǔ)上，減小-Y方向第二段拉延筋阻力；方案3在方案1的基礎(chǔ)上，減小±Y方向拉延筋阻力，整體降低減薄量；方案4在方案1的基礎(chǔ)上，加大+Y方向拉延筋阻力。

圖6所示為不考慮厚向應(yīng)力的前門(mén)外板測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)9處的減薄率和最大非線性失效的CAE分析結(jié)果。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，減薄率低于25%、最大非線性失效值不高于0.8則產(chǎn)品無(wú)失效風(fēng)險(xiǎn)，4種方案特征線區(qū)域的成形性有較高的裕度，不存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖7所示為考慮厚向應(yīng)力的減薄率和最大非線性失效的CAE分析結(jié)果。與圖6相比，特征線區(qū)域的減薄率和最大非線性失效值均明顯提高。其中，方案1和方案4按標(biāo)準(zhǔn)判斷均存在失效風(fēng)險(xiǎn)，方案2和方案3則處于安全區(qū)域。

針對(duì)上述CAE方案同步進(jìn)行實(shí)際沖壓調(diào)試，模具的研合率、材料流入量以及工藝參數(shù)嚴(yán)格按上述要求進(jìn)行，結(jié)果如表5所示。相比于CAE分析結(jié)果（圖7），實(shí)際沖壓結(jié)果僅方案2特征線處無(wú)失效。說(shuō)明當(dāng)CAE分析考慮厚向應(yīng)力時(shí)，CAE分析結(jié)果仍存在與實(shí)際不相符的情況。

如前所述，考慮厚向應(yīng)力條件下的小尺寸圓角特征線成形時(shí)，板料在圓角部位受到厚向應(yīng)力σn和圓角根部的拉伸應(yīng)力στ的作用，如圖8所示。在圓角部位厚向應(yīng)力的作用下，材料發(fā)生顯著的加工硬化，成形極限降低，而圓角外區(qū)域仍接近原板料狀態(tài)，2個(gè)區(qū)域的力學(xué)性能產(chǎn)生差異[15-16]。當(dāng)圓角區(qū)域的板料滑出圓角根部時(shí)，在拉伸應(yīng)力的作用下，圓角附近區(qū)域的板料由于力學(xué)性能的差異發(fā)生顯著的不均勻塑性變形，當(dāng)板料流動(dòng)量達(dá)到一定程度時(shí)，板料提前發(fā)生失效。力學(xué)性能的差異導(dǎo)致CAE分析與實(shí)際沖壓不同，因此，過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)并不適用于小圓角成形失效評(píng)估，板料滑出圓角的距離也是需要衡量的指標(biāo)。

進(jìn)一步測(cè)量4種方案特征線處的材料流動(dòng)量（滑移量），結(jié)果如圖9所示。除方案3外，各方案特征線處的滑移量均小于5 mm。由圖7可知，在考慮厚向應(yīng)力的情況下，方案3的減薄率和最大非線性失效值均最低，但其滑移量最大，大于5 mm，因此，可認(rèn)為當(dāng)滑移量大于5 mm時(shí)，該區(qū)域的變形量超過(guò)了材料成形極限，造成開(kāi)裂。

綜上所述，存在小尺寸圓角的門(mén)外板在進(jìn)行CAE成形分析時(shí)，需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，并考慮厚向應(yīng)力，在進(jìn)行CAE分析結(jié)果評(píng)估時(shí)，需要結(jié)合滑移量大小綜合判斷。以門(mén)外板材料為例，在減薄、最大非線性失效均滿(mǎn)足成形性的前提下：當(dāng)滑移量不超過(guò)5 mm時(shí)，可認(rèn)為特征線的成形性滿(mǎn)足要求，滑移量越小，安全裕度越高；若滑移大于5 mm，則特征線存在成形失效風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

存在小尺寸圓角的門(mén)外板產(chǎn)品在沖壓成形時(shí)，特征線處的厚向應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致板料產(chǎn)生加工硬化，降低板料成形極限，當(dāng)板料滑動(dòng)出圓角時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不均勻的塑性變形，出現(xiàn)失效。

對(duì)于存在小尺寸圓角門(mén)外板產(chǎn)品的成形性判斷，在CAE分析時(shí)應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化且考慮厚向應(yīng)力的影響，在對(duì)結(jié)果進(jìn)行成形性評(píng)估時(shí)，應(yīng)綜合分析減薄率、最大非線性失效值以及滑移量。在減薄、失效均滿(mǎn)足成形性的前提下，滑移量不超過(guò)5 mm時(shí)特征線的成形性滿(mǎn)足要求，滑移量大于5 mm時(shí)特征線存在成形失效風(fēng)險(xiǎn)。

上述評(píng)估方法針對(duì)常用的門(mén)外板材料分析研究獲得，由于其他材料的材料力學(xué)性能，特別是加工硬化效應(yīng)存在差異，滑移量的影響會(huì)存在一定差異，需要進(jìn)一步分析研究。

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（責(zé)任編輯 弦 歌）

修改稿收到日期為2024年3月5日。