汽车用高强度钢板冲压回弹模拟

文/王祖勇，陶长城，代郧峰，戴勇·东风汽车有限公司东风商用车技术中心侯启军·东风汽车有限公司东风商用车车身厂

汽车用高强度钢板冲压回弹模拟

文/王祖勇，陶长城，代郧峰，戴勇·东风汽车有限公司东风商用车技术中心侯启军·东风汽车有限公司东风商用车车身厂

使用PAMSTAMP冲压软件的无模法和有模法，分别模拟两个高强钢零件的切边回弹，希望能够提高CAE模拟回弹精度和应用水平。通过模拟结果和实测对比，发现两种回弹模拟结果趋势基本一致，但有模法的计算结果相对更符合实际。

随着汽车用钢板迅速朝着高强度化和轻量化的方向发展，高强度钢板的应用日益广泛。随之而来的问题就是，钢板强度级别越高，成形越困难，回弹也越大，严重影响零件的精度和装配质量。为了解决高强度钢板成形性差的问题，避免开裂与起皱，更重要的是要保证零件尺寸和形状精度，迫切需要一种手段来优化工艺方案，从而获得合格的零件。随着有限元和塑性理论的不断完善以及计算机技术的迅猛发展，通过CAE方法优化工艺并预测回弹已成为可能。

目前，CAE在模拟冲压件起皱和破裂等缺陷方面的应用已达到了很高的精度，但在回弹计算方面还需进一步提高。基于此，回弹问题成为世界性的难题。本文借助PAMSTAMP软件对梁类零件分别进行无模法和有模法模拟，计算高强度钢板冲压回弹，并与实测对比来验证CAE模拟结果，以提高CAE模拟精度。

CAE模拟和回弹实测

冲压件分别为左前纵梁和右前纵梁加强梁，通过三维激光扫描测零件的回弹值。

左前纵梁

⑴左前纵梁加工工序。该件由5道工序组成，包括落料→拉延→修边、冲孔→整形→斜楔修边冲孔，材料是B250P1，见图1。

⑵全工序模拟。B250P1材料性能参数是，弹性模量为210kN/mm2，密度为7.85×10-6kg/mm3，泊松比为0.3，r0为1.5，r45为1.4，r90为1.9，屈服强度Rs为0.305kN/mm2，强化系数k为0.802kN/mm2，硬化指数n为0.22。应用PAMSTAMP进行全工序模拟，结果（包括回弹）见图2。分别采用有模法（新算法）和无模法（旧算法）计算回弹，其中无模法的锁点方式与零件在检测支架上的约束方式一致，见图3。回弹大小将以截面线的方式来表述，相对产品数模。

图1 左前纵梁

图2左前纵梁全工序模拟结果

图3 左前纵梁无模法锁点方式

⑶回弹实测。为了精确验证CAE模拟精度，必须提高回弹实测精度。此外，还要考虑到实用性，也就是检测方法应与生产实际相一致。因此，加工了检测支架来实测零件回弹值，其作用就是保证实际零件与产品数模位于同一个坐标系，以使二者具有定量可比性。将零件放入检测支架并用定位销定位，然后用Geomagic Qualify软件通过三维激光扫描得到零件点云数据，由点云生成的三角面见图4。为了更直观地和CAE模拟结果进行对比，将零件三角面、产品数模和模拟结果一起导入CATIA软件中以截面切线的方式来分析比较。

图4左前纵梁点云生成的三角面

右前纵梁加强梁

⑴右前纵梁加强梁。该件由3道工序组成，包括落料、冲孔→拉延→冲孔、斜楔冲孔，材料是590DP，见图5，料厚1.2mm。

⑵全工序模拟。590DP材料性能参数是，弹性模量为210kN/mm2，密度为7.85×10-6kg/mm3，泊松比为0.3，r0为0.9，r45为0.9，r90为1.1，屈服强度Rs为0.37kN/mm2，强化系数k为1.035 kN/mm2，硬化指数n为0.18。应用PAMSTAMP软件进行全工序模拟，结果（包括回弹）见图6。分别采用有模法（新算法）和无模法（旧算法）计算回弹，其中无模法的锁点方式与零件在检测支架上的约束方式一致，见图7。

图5 右前纵梁加强梁

图6 右前纵梁加强梁全工序模拟结果

图7 右前纵梁加强梁无模法锁点方式

图8 右前纵梁加强梁零件三角面

⑶回弹实测。将零件放入检测支架并用定位销定位，然后用Geomagic Qualify软件通过三维激光扫描得到零件点云数据，由点云生成的三角面见图8。为了更直观地和CAE模拟结果进行对比，将零件三角面、产品数模和模拟结果一起导入CATIA软件中以截面线的方式来分析比较。

CAE计算结果和实测值对比分析

左前纵梁

由于模拟结果为板料的中间层，因此对图2中模拟得到的零件回弹后中间层向外偏移50%料厚，得到板料的外表面，然后与实测零件外表面的三角面和产品数模面一起导入CATIA软件进行对比。具体方法是，在Y坐标50mm的平面截取4个面，得到的4条切线见图9，其中黄色线为产品数模，红色线为实测结果，绿色线为有模法计算结果，蓝色线为无模法计算结果。

图9 Y坐标为50mm截面线

右前纵梁加强梁

由于模拟结果为板料的中间层，因此，对图6中模拟得到的零件回弹后中间层向外偏移50%料厚，得到板料的外表面，然后与实测零件外表面的三角面和产品数模面一起导入CATIA软件进行对比。具体方法是，以Y坐标为400mm的平面截取4个面，得到的四条切线见图10，其中黄色线为产品数模，红色线为实测结果，蓝色线为无模法模拟结果，绿色为有模法模拟结果。

图10 Y坐标为400mm截面线

对比分析

计算回弹时，无模法（旧算法）为了限制板料刚体位移，必须约束其六个方向的自由度，施加位置通常是回弹最小处。但由于冲压件形状和受力复杂，导致不同的施加方式对计算结果影响非常大，因此也限制了软件的实用性。而有模法（新算法）是通过板料与模具接触来计算回弹，同时也考虑了重力对回弹的影响，减少了人为因素的影响，更符合实际情况。

通过以上两个零件的回弹模拟和实测对比也可看出，两种回弹算法的CAE模拟和实测结果总体趋势大致是一样的，有模法的计算结果与实测值更接近，但局部区域与实测值还是存在一定的差异。另外，零件形状简单，回弹模拟精度相对提高，而零件形状复杂，回弹模拟精度相对降低。

结束语

⑴PAMSTAMP新旧两种回弹算法的CAE模拟和实测结果总体趋势大致是一样的，有模法(新算法)的计算结果与实测值更接近。

⑵回弹计算精度仍有待提高，以推进其实用性。