基于AUTOFORM的汽车前围横梁连接板的数值分析与实验研究

徐迎强，韩永志，崔礼春

(安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230601)

车身覆盖件尺寸较大、结构复杂，为空间曲面形状，用简单的数学解析很难表达，其加工过程涉及几何、材料非线性和复杂的摩擦状态等问题。由于影响因素较多，因此无法精确控制材料的流动，较难找到变形规律，出现的质量问题较多[1—6]。传统意义上的试模法造成大量资源浪费，已无法应对如今产品更新换代的短周期的要求，板料成形CAE使工艺设计人员可以在投产准备阶段，预估零件成形中可能出现的缺陷，如回弹、起皱及破裂等，并优化工艺参数，验证并指导后期的模具设计工作[7—13]。

前围横梁连接板的成形工艺，由拉延(DR)、修边(TR)、翻边(FL)及整形(RST)等4道工序完成，其中DR是关键，它决定了TR，FL和RST等工序的内容及成形状态。文中针对汽车前围横梁连接板，用板料成形CAE软件AUTOFORM对其成形过程进行数值仿真，根据CAE分析结果对DR型面及工艺参数进行优化，消除零件制造过程中的暗伤及开裂的风险，减小模具开发周期，保证零件成形状态。

1 零件工艺性分析

汽车前围横梁连接板二维图如图1所示，零件材料为B340LA，材料厚度为1.0 mm，最大外观尺寸为268 mm×74 mm，型面较复杂，局部位置成形深度大，型面结构变化较大，变形规律难以掌握，易产生成形缺陷。

图1 汽车前围横梁连接板二维图Fig.1 Sketch of front beam connecting part

根据冲压件的成形工艺，针对零件冲压方向的设计、拉延压料面设计及后工序成形状态等内容，对汽车前围横梁连接板进行工艺方法设计[14—15]。

图1在添加工艺补充面时，A处直面由后续FL工序完成，因此现沿翻边线圆角处展平;B处型面翘曲，增加其拉延深度，减小型面翘曲角度，后续通过RST工序完成，这样会保证零件在该处的型面精度;随零件外轮廓增加压料面，并保证和数模实体之间有圆滑过渡，以及合适的圆角和型面光顺，保证DR成形顺利，完成后的工艺数模如图2所示。

图2 工艺数模Fig.2 Diagram of process digital

2 参数设定与有限元建模

2.1 参数设定

汽车前围横梁连接板的材料为B340LA，坯料尺寸为420 mm×190 mm×1.0 mm，其材料的物理性能参数如表1所示。采用Hill屈服模型，表示为:

表1 材料的物理性能参数Table1 Mechanical properties of material

2.2 有限元建模

有限元模型如图3所示，拉延成形采用倒装结构，凸凹模及压边圈选为刚性结构，网格自适应重划分次数为3，时间步长为20，板材单元厚度方向积分为5。采用等向强化板材模型，材料本构关系为[19—20]:

式中:k为与材料属性有关的常数(k＞0);n为硬化系数。

图3 模拟成形的有限元模型Fig.3 Model for FEM analysis

3 模拟结果分析与优化

3.1 结果分析

CAE分析结果如图4所示。从图4中可以看出，在A处存在开裂风险，原因为该处材料的成形属于胀形成形，受到双向拉应力作用，且型面圆角小，变形较为集中，致周围材料流动不畅而开裂。将A处型面进行球化处理，使成形效果得到了改善，后续整形工序再将放大的球化型面整形回制件的要求。从图4中还可以看出，在B处翻边时，受翻边工具运动作用，受到双向拉应力，材料流向两侧，翻边开裂严重，为此DR工序工艺方法需优化。

图4 成形极限Fig.4 Forming limit diagram

3.2 优化方案

由于采用原工艺方法进行DR成形，会产生多处开裂缺陷，因此对DR工艺方法进行调整。针对B处翻边开裂缺陷，将零件两侧翻边线提高，使翻边线成直线，消除两侧拉应力，使材料更易流动，消除该处的成形缺陷危险度。对A处型面进行球化处理，后续整形工序再将放大的球化型面整形回制件的要求，优化前后的模面如图5所示。根据以上结果，在各工艺参数相同的情况下，利用新的DR型面对成形过程进行了CAE计算，结果如图6所示。从图6可以看出，A处型面球化后，角部无暗伤及拉裂，材料最大减薄率为14.6%，在B340LA(t=1.0 mm)材质减薄率安全范围内(16.9%);B处无翻边开裂风险，材料流动均匀，成形结果得到很大改善。

图5 优化前后的工艺补充面Fig.5 Addendum before and after optimization

图6 优化工艺面后的模拟结果Fig.6 Simulation result with optimized addendum

4 物理验证

按照上述模拟结果，根据修改及优化的拉深件型面，重新设计加工制造模具，调试得到的实验结果如图7和8所示。零件成形良好，无暗伤与开裂缺陷。

图7 最终拉延零件Fig.7 Finished drawing part

图8 最终产品Fig.8 Final product

5 结论

针对汽车前围横梁连接板，通过CAE分析，优化成形各工艺参数，并将优化结果应用于实际生产制造中，通过生产结果验证了CAE仿真的准确性及有效性。

1)CAE仿真能够预测零件成形过程中存在的缺陷，CAE分析与物理验证的结合可更好地指导模具设计工作，减小模具开发周期，保证零件成形状态。

2)优化后的DR工艺方法是合理的，它改善了零件成形状态，使材料均匀一致，消除了坯料在制造过程中出现的多处开裂缺陷的风险，同时也支撑了后续的修边、翻边等工艺内容。

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