汽车侧围拉延成形数值模拟研究

程 航，沈 琪，袁菁芸，沈 静，李步照，倪 瑾

（扬州职业大学电汽学院，江苏 扬州 225127）

汽车侧围是车身的重要组成部分，其特点是成形难度高且形状相对复杂。模具的材料性能和其形状、坯料的形状和尺寸以及板料和模具之间的摩擦都会影响侧围的成形结果。在以往的生产中，每次模具调试的时间周期长且成本高。随着数值模拟技术的发展，不断对汽车侧围等覆盖件的模具结构和工艺参数进行优化，有效提高了生产的可靠性和生产效率，缩短了开发时间，降低了生产成本。通过对微型汽车侧围的数值模拟实验研究，对拉延筋和压边力对成形结果的影响进行比较，获取优化后的工艺参数，为现实生产中提供可靠依据。

1 拉延筋模型

拉延筋一般分为两个部分：板料面上的槽和压边圈周围的筋[1]。毛坯在成形的过程中一般会产生两个阻力：板料和拉延筋之间的摩擦力，板料流过拉延筋时出现的弯曲应力。拉延筋阻力示意图如图1所示。基于此，Weidemann[2]建立的拉延筋阻力DBRF公式为：

式中：t——料初始厚度；

ω——拉延筋中筋的长度；

μ——摩擦系数；

σs——材料的屈服强度；

φ——板料弯曲角；

Rg——槽的肩部半径；

Rb——筋的半径；

P——单位长度上的等效压边力。

2 侧围的拉延成形数值模拟

2.1 侧围数模型的建立

将事先建好的数模（IGES格式）导进DYNAFORM中，对有限元网格进行划分和修补，并调整冲压方向，建立零件的凸凹模和压边圈，并进行定位，创建完成的侧围拉延成形的仿真模型如图2所示。

图2 侧围拉延成形的仿真模型图

2.2 数值模拟工艺参数设置

本研究选用冷冲压钢板DC06为仿真材料，其冲压性能较好，板料厚度选用0.8 mm[3]。基本的材料特性如表1所示。主要成形参数设置为：板料的厚为0.8 mm，模具间隙为0.88 mm，摩擦系数为0.125，闭合模具的速度为1 500 mm/s，冲压速度为4 000 mm/s。

表1 DC06的主要性能参数

3 拉延筋设置的不同对成形质量的影响

在数值模拟成形过程中，拉延筋应用广泛，它的主要作用是调节板料面之间的作用力[4]。拉延筋设置是否合理直接影响零件在成形过程中的质量。为了探究不同拉延筋设置对成形质量的影响，选取3种方案的等效拉延筋进行研究[4]。方案1不设置任何拉延筋，方案2设置恒定阻力的拉延筋，方案3设置变阻力的拉延筋。

3.1 不设置任何拉延筋

此方案数值模拟中不进行任何拉延筋的设置，对各项参数进行设定后提交到LS-dyna中进行计算[5]。数值模拟结果如图3所示。从图3中可以看出模拟结果有大范围的拉延不充分存在，这个结果在现实生产中是不容许的。

图3 方案1模拟结果图

3.2 恒定阻力系数等效拉延筋

根据以往生产经验以及DYNAFORM中拉延筋的设置规律，分别对等效拉延筋的恒定阻力系数进行设定，外圈设为40%，内圈为30%，设置好的结果如图4所示，该方案的仿真结果如图5所示。

图4 恒定阻力系数拉延筋仿真分布图

图5 恒定阻力拉延筋作用下的仿真结果图

由于侧围的结构形状复杂，板料在不同位置呈不规律，在侧围的上部出现了拉延不足，零件在此处会回弹量大，直接会影响零件的成形质量，因此要适当增加该部位拉延筋的阻力[6]。此外，内部最小厚度为0.259，减薄了67%，超过最大的30%的合理范围之内。为了得到更好的成形质量，应在超出的部位适当减少拉延筋的阻力。因此设计了方案3，用变阻力的拉延筋进行仿真分析。

3.3 变阻力拉延筋

为了解决恒定阻力拉延筋在分析中出现的问题，对等效拉延筋的设置进一步优化。对侧围上端拉延不充分的地方增大拉延阻力系数值，由于开裂大部分集中在零件的拐角处，所以对拐角处进行减小阻力。对其他部拉延筋阻力也进行优化，变阻力拉延筋设置仿真分布如图6所示。

图6 变阻力拉延筋仿真分布图

通过仿真结果发现除了周边位置有拉延不充分外，局部还有小部分地方也有拉延不充分，其他位置成形结果基本满足要求，周边拉延不充分处会在切边的时候切掉，不会对成形结果造成影响。变阻力拉延筋作用下的侧围零件的仿真结果如图7所示。

图7 变阻力拉延筋作用下的仿真结果图

4 压边力大小对成形质量的影响

在上一步的仿真分析中，采用间隙控制的方式。在DYNAFORM后处理中得到变阻力系数压边圈的变化曲线，根据曲线得压边力的变化范围为1 000 kN～1 500 kN[7]。根据DYNAFORM中后处理的计算，选用压边力方案为：1 000 kN、1 250 kN、1 500 kN，分别进行仿真分析。

第1次的压边力选1 000 kN，得到仿真结果如图8所示。

图8 1 000 kN时的仿真结果

从仿真结果看出零件的主要表面出现了多处起皱，可得，压边力太小，会导致大范围起皱，因此在合适的部位需增大压边力。

第2次的压边力选1 500 kN，由于压边力太大导致多处圆角部位出现了开裂。仿真结果如图9所示。因此，需要适当地减小压边力来解决开裂的问题。

图9 1 500 kN时的仿真结果

第3次的压边力选用1 250 kN，仿真结果如图10所示。

图10 1 250 kN时的仿真结果

通过仿真结果可以看出，零件表面有一小部分拉延不充分的现象，可以判断此时零件材料在成形过程中流动合理，从极限图看出仿真结果的塑性变形和刚度较好，满足设计的要求。

5 结语

1）拉延筋合理布置可以有效调节成形过程中的进料阻力，零件的成形质量也能得到保证。对于复杂的零件，变阻力拉延筋比恒定阻力拉延筋成形效果要好。拉延筋阻力系数设置过小会增大零件在冲压过程中的流动性，导致零件拉延不充分和起皱。但拉延筋阻力系数也不能太大，否则在成形过程中会产生局部破裂。

2）压边力的设置也会对零件的成形产生影响。通过比较3种不同的压边力分析得到，当压边力太大时，零件就会出现局部破裂的现象；当压边力太小，会出现主要表面拉延不充分和周边起皱的问题。由此得出，选择合适压边力才能生产合格的零件。