基于eta-Dynaform的轻量化用高强度板的拉深成形

基于eta/Dynaform的轻量化用高强度板的拉深成形基于动力显示有限元软件eta/Dynaform,本文对汽车轻量化用高强度板的拉深过程进行了数值模拟,并对其拉深成形性及成形缺陷进行了分析,通过调节冲压成形参数,特别是拉深筋力的调节,成功实现了汽车轻量化用高强度板的拉深成形.基于动力显示有限元软件eta/Dynaform，本文对汽车轻量化用高强度板的拉深过程进行了数值模拟，并对其拉深成形性及成形缺陷进行了分析，通过调节冲压成形参数，特别是拉深筋力的调节，成功实现了汽车轻量化用高强度板的拉深成形。由于环保、能源、安全、舒适及成本的压力，汽车轻量化已经成为汽车制造业面临的一个巨大挑战。据统计，汽车每减重10％，油耗可降低6％～8％，因此减轻汽车重量是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一。汽车轻量化正成为21世纪汽车技术的前沿和热点。汽车轻量化主要依赖于轻量化材料的应用技术，比如铝合金、高强度钢板等强度更高、重量更轻的新材料应用技术。高强度钢板在汽车轻量化中的应用普及，使得汽车用高强度钢板的成形性成为各大汽车厂商的研究热点。本文以江淮汽车公司某车型的右前门固定板（见图1）为研究对象，利用eta/Dynaform软件对其拉深过程进行模拟实验研究，通过对成形过程中的高强度板的成形缺陷进行分析，并通过调节冲压成形工艺参数，成功实现汽车轻量化用高强度板的拉深成形。图1右前门固定板零件轻量化用高强度板的成形性国外对高强度钢板的成形性开发和研究比较早。美国从1980～1985年广泛采用高强度钢板，车身覆盖件板厚由1.0～1.2mm降低至0.7～0.8mm，材料和能耗节约20%，应用效果良好。随着车型的不断更新换代和燃油政策的出台，国内汽车用高强度钢板的需求将会越来越强烈，600MPa级别高强度钢、800MPa以上级别的超高强度钢（如DP钢、TRIP钢）以及高强度低合金钢（HSLA）正逐步得到广泛应用。目前，宝钢已基本实现了800MPa高强度钢板的大批量生产，并开始逐步开发1000MPa及其以上钢种。DP钢的主要成分是C和Mn，随着马氏体含量的增加，强度线性增加。双相钢具有低屈强比、高加工硬化指数、高烘烤硬化性能、无屈服延伸和室温时效等特点。实验准备1.工件和模具的有限元模型由于汽车外覆盖件大多具有复杂的空间曲面，而现有的有限元模拟软件一般不具备构造复杂几何形面的能力，因此，本文利用NX系统构建翼子板的几何模型，然后借助IGES文件格式，将其导入Dynaform系统，并利用Dynaform的模面工程（DFE）模块生成凸模、凹模等模具零件。划分网格后的右前门上铰链固定板拉深成形分析用有限元模型如图2所示。2.材料参数本文右前门上铰链固定板采用厚1.2mm的高强度钢板B250P1成形，其主要力学参数如表所示，其应力应变曲线如图3所示。3.数值模拟算法求解板料成形非线性问题主要采用弹塑性有限元法，其计算格式以静力隐式和动力显式居多。其中，动力显式格式避免了直接求解切线刚度矩阵，不需要平衡迭代计算，从而允许用较少的计算机资源求解较大规模的有限元问题；同时，显式格式简单明了，单次求解速度快。所以，动力显式格式算法是求解大位移、大转动和大变形问题的最有效方法之一。4.单元算法的选择BELYTSCHKO-LIN-TSAY壳单元（以下简称“BT单元”）是LS-DYNA里计算效率较高的壳单元，BT单元是接触碰撞等复杂问题分析中最常用的单元。BT壳单元采用自适应的积分模式，计算效率高。BT壳单元非常适合于覆盖件拉深成形的工艺方案比较，所以本文选择BT单元求解右前门固定板拉深成形的有限元模型。5.材料模型有限元模拟的准确性很大程度上取决于采用的材料模型能否真实反映变形材料的屈服特征，三参数Barlat（1989）模型是专门针对金属薄板成形分析而建立的材料屈服准则模型。该模型是目前用于覆盖件冲压成形分析最理想的材料模型。本文采用三参数Barlat材料模型作为数值模拟模型。实验研究及讨论1.优化前的模拟实验优化前的模拟实验的拉深速度为5m/s，摩擦系数为0.125，根据拉深筋布置原则，圆角部位的拉深筋锁模力小于平直部位的拉深筋力。为了得到合格的模拟冲压拉深件，拉深筋布局如图4所示。从图5所示的优化前模拟的成形件中，可以观察到制件尾部凸台圆角处有破裂缺陷，同时制件低凹处有起皱缺陷，平直低凹处有大面积的未充分拉深缺陷。圆角部位在拉深过程中曲率变化较大，接触摩擦也较严重，从而影响材料的流动，使圆角部位无法获得周围材料的补充，并且此处局部拉应力过大超出材料的承载能力而破裂。此处的起皱主要是压缩失稳造成的。合格的产品表面不但不允许有起皱、破裂等缺陷，而且产品表面必须有一定的塑性变形，这样才可以保证产品表面的刚度要求。2.优化后的模拟实验要解决图5所示的拉深成形缺陷，在其他冲压成形参数不变的情况下，通过改变拉深筋力的方法来解决破裂、起皱等缺陷。对于破裂缺陷，可将拉深筋的锁模力由35%调节到20%；而对于起皱和未充分拉深缺陷，拉深筋锁模力由35%调节到40%，优化的拉深筋布局如图6所示。对优化后的拉深筋进行模拟得到如图7所示的拉深件，可以看出制件表面均处于FLD图的安全区域，破裂、起皱和未充分拉深缺陷均已解决，而且制件表面的塑性变形充分，满足刚度要求。为了验证模拟实验结果，按模拟拉深成形参数进行试验验证，物理试验得到的实际冲压拉深件质量优良。结语有限元数值模拟研究表明，对汽车轻量化用高强度板的成形性及成形缺陷进行分析，通过调节冲压成形参数，特别是拉深筋力的调节，对拉深成形缺陷（如破裂、起皱和未充分拉深）的影响较大，成功实现了汽车轻量化用高强度板右前门上铰链固定板的拉深成形，对实际生产有一定的指导意义。