车身铝合金型材柔性成形数值模拟分析

马占军

[摘 要]近年来汽车行业发展势头迅猛，汽车轻量化能很好的响应节能减排的时代主题。本文以封闭截面铝型材为研究对象，比较了两种不同的基本体排列方式下多点成形与整体模具的成形效果。结果表明，多点模具可以替代整体模具用于型材的三维拉弯成形。

[关键词]弹性模量 屈服应力 回弹

中图分类号：TG389 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）06-0105-02

0 前言*

随着世界经济的高速发展，汽车轻量化成为时代发展的一种必然的趋势，铝合金密度低，同时具有强度高、抗冲击性能好、易回收等优点从而广泛的应用在汽车安全部件和框架式车身上[1]，如何实现铝型材的高精度弯曲成形以满足车身需求，降低生产成本、提高生产效率已经成为当前研究的热点[2]。

多点柔性成形技术的基本原理是将成型面离散成若干基本体，通过控制各个基本体的绝对位移大小构造出三维空间曲面，从而实现快速、柔性成形[3]。本文采用ABAQUS模拟软件对型材三维多点拉弯成形过程进行建模，模拟型材三维拉弯多点成形过程，计算多点模具替代整体模具的可行性。

1 铝型材三维多点拉弯成形

三维多点拉弯成形是将空间内的成型面分解成水平和垂直两个方向，将两个方向上的成型面离散成若干小段的基本体，通过控制基本体的位移和旋转角度，实现三维空间内的构型[4]。

铝型材拉弯成形常用的回弹量表示方法有三种：曲率半径的变化量、回弹角和回弹法向位移的变化，如图1所示[5]。本文分别用两个方向上的回弹角表征回弹大小。

2 铝型材三维多点拉弯成形模型

2.1 三维多点拉弯有限元模型

运用ABAQUS中Explicit模块和Standard模块对截面尺寸为30mm×40mm的AA6082铝合金型材的拉弯成形和卸载后回弹两个过程进行模拟。由单向拉伸试验获得其真实应力-真实应变关系：

（1）

式中，σy为屈服应力；Qi、Ci为材料参数。模拟中采用VonMises屈服准则：

（2）

式中，σ1、σ2、σ3别为直角坐标系中三个方向的主应力。材料相关性能参数如表1。考虑到模型的对称性，取1/2模型进行模拟。由于型材拉弯成形会存在截面畸变现象，故内冲3MPa压强。

2.2 加载轨迹的计算

利用位移-时间曲线，将夹钳与铝合金型材绑定，通过控制夹钳参考点每一时刻的坐标，计算参考点位移，从而带动型材贴模弯曲。因此，参考点位移的计算对最终的成形效果有直接影响。如图2所示，参考点与铝型材截面的相对位移关系。

对于型材水平平面内弯曲（X-Y面）过程，其计算简图如5所示。参考点的位移可通过如下公式计算：

（3）

（4）

式中L为型材长度；R为型材水平平面内弯曲半径；α为型材水平贴膜过程过的瞬时包覆角；δpr为型材的预拉量；d为夹钳参考点到型材底面间的距离。

参考点Z向位移的计算简图如图4，计算过程如下：

（5）

， （6）

（7）

式中r为型材垂直平面内弯曲半径；β为型材垂直贴膜过程中的包覆角；Lz为型材水平平面内变形后在垂直平面内的投影长度；L1为型材水平平面内变形区域在垂直平面内的投影长度；t为参考点到型材侧边的距离。

在补拉阶段，补拉量δpo是个矢量，其方向是沿着两个成型面边界切线方向，通过将其分解成直接坐标系中三个方向的分量来实现对补拉量的表达，计算公式如下：

（8）

（9）

（10）

3 铝型材三维多点成形可行性分析

3.1 三维多点模具与整体模具对比

对封闭截面AA6082铝合金型材分别在奇、偶两种基本体排列方式（图5）下进行三维多点拉弯成形和卸载后回弹过程模拟，分析三维多点拉弯工艺代替整体模具成形工艺的可行性。型材预拉量和补拉量都为1%，水平弯曲角度和垂直弯曲角度均为30°进行模拟，其结果如下：

图6为封闭截面铝型材分别在整体模具、基本体奇排列和基本体偶排列三种形式下三维拉弯成形及卸载回弹后Mises应力分布情况。型材最大应力分布在背板和右侧板相交处，并沿截面向两侧扩展，直至腹板与左侧板相交处应力达到最小，同时最小应力分布区域由对称面沿型材长度方向逐渐减小；整体模具应力分布更加均匀整齐，而多点模具，使得型材表面应力分布呈现一定波动。

从图7中清晰的可以看出，无论是水平面方向还是垂直面方向，距对称面越远，相应的回弹量则越大；同时就回弹量而言，整体模具的回弹量最小、基本体奇排列次之，基本体偶排列的回弹量则最大。将分别在整体模具与多点模具拉弯成形后卸载回弹量进行对比，如表2所示。从对比结果中可以看出，整体模具得到的回弹角与多点模具中基本体两种不同排列方式下得到的结果近似，这说明多点模具可以替代整体模具用于三维拉弯成形。

3.2 试验结果对比

运用洲海科技有限公司提供的三维多点拉弯机完成对AA6082铝型材在基本体奇数排列方式下进行拉弯成形试验。表3为试验结果与模拟结果的对比。从对比结果中可以看出，通过模拟得到的回弹角与试验结果近似，这说明模拟结果较为准确。

4 结论

（1）在建模过程中，运用轨迹的计算方法理论描述铝型材三维拉弯成形，通过将模拟结果与试验结果对比，证明了模拟的准确性。

（2）针对铝型材三维多点拉弯成形过程中基本体的两种不同排列方式进行数值模拟，将结果与整体模具模拟结果对比，说明了多点模具完全可以替代整体模具进行三维拉弯成形。

参考文献

[1] 刁可山，周贤宾，金朝海.铝合金型材拉弯成形研究进展[J].塑性工程学报，2003，10（6）：38-41.

[2] 刁可山，周贤宾，金朝海等.复杂截面型材力控制拉弯成形数值模拟分析[J].材料科学与工艺，2004，12（4）：413-416.

[3] 李明哲，崔湘吉，邓玉山.多点成形技术的现状与发展趋势[J].锻压装备与制造技术，2007.5：15-18.

[4] 梁继才，腾飞，高嵩等.柔性三维拉彎成形模具型面修正关键技术的研究[J].机械工程学报，2013，49（17）：187-192.

[5] 李学贞.薄壁型材多点拉弯过程的数值模拟[D].长春：吉林大学材料科学与工程学院，20.