文/惠錦陽(yáng)·江鈴汽車股份有限公司

汽車前門外板、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、后背門外板是具有一定承載能力的結(jié)構(gòu)件，汽車零件很大比例都是采用沖壓工藝制造完成的。但是在實(shí)際覆蓋件制造中，板料沖壓易使材料產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致材料硬度變高，延伸率降低；同時(shí)成形板料厚度變化不均勻，引發(fā)成形件強(qiáng)剛度不一致，影響了覆蓋件整體的剛度和動(dòng)態(tài)性能，也導(dǎo)致了覆蓋件各處臨界失穩(wěn)條件不一致，碰撞吸能性能發(fā)生改變。為此，對(duì)沖壓工藝制造的零部件進(jìn)行強(qiáng)剛度、動(dòng)態(tài)及碰撞吸能性能評(píng)估，進(jìn)而為覆蓋件和汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

抗凹性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

覆蓋件抗凹性能評(píng)價(jià)主要有抗凹剛度、抗凹穩(wěn)定性和局部凹痕抗力三個(gè)方面?？拱紕偠戎傅氖歉采w件抵抗凹陷撓曲的彈性變形能力，采用載荷-位移曲線表示。覆蓋件的抗凹剛度會(huì)隨著力的增加而發(fā)生改變?？拱挤€(wěn)定性是試件在外載荷達(dá)到某種程度時(shí)，抵抗彈性變形的能力突然消失，從而發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象，也就是當(dāng)力加載到某種程度時(shí)，位移發(fā)生變大的現(xiàn)象。局部凹痕抗力是指試件在外載荷作用下發(fā)生凹陷，載荷去除后，試件表面會(huì)有局部永久性凹陷保留，是覆蓋件抵抗局部凹陷的塑性變形能力。其中，抗凹剛度和抗凹穩(wěn)定性體現(xiàn)覆蓋件的彈性性能，局部凹痕抗力體現(xiàn)覆蓋件的塑性性能。

沖壓工藝對(duì)材料性能的影響

在沖壓過程中，若覆蓋件的材料性能發(fā)生改變，就會(huì)影響材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和材料自身的厚度。本文以某品牌汽車為例，對(duì)前門外板、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和后背門外板原始材料和沖壓后的材料進(jìn)行力學(xué)性能研究及厚度測(cè)量，截取樣品平整區(qū)的板材，其中前門外板使用的材料是DC04，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋使用的材料是DC03，后背門外板使用的材料是DC06。

把截取的板材加工為靜態(tài)拉伸試樣，在每個(gè)外板取三個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，利用砂紙將試樣表面的漆和疙瘩除去，并且記錄測(cè)量試樣的厚度如表1所示，使用電液伺服疲勞測(cè)試系統(tǒng)MTS Landmark進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。經(jīng)過靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，三種材料沖壓后屈服強(qiáng)度都增加了一倍左右，抗拉強(qiáng)度基本上沒有改變。

表1 材料厚度變化

表2 兩種材料特性曲線下抗凹性能計(jì)算結(jié)果

在沖壓過程中，原始鋼板的材料發(fā)生塑性流動(dòng)，產(chǎn)生冷作硬化狀況，甚至有的區(qū)域會(huì)比以前變薄。因此沖壓后鋼板的屈服強(qiáng)度有所提高，但塑性變形和伸長(zhǎng)率有所降低。

建立有限元模型

利用Hypernesh軟件建立前門、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和后背門的有限元模型，此外，還需要建立壓頭有限元模型。⑴前門有限元模型：根據(jù)前門的數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要包括外板、內(nèi)板加強(qiáng)板及防撞梁等部分，因車門主要是由鈑金件制作構(gòu)成，所以采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后對(duì)其賦予屬性及材料，按樣板車情況對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行焊接、膠粘，并對(duì)各零件進(jìn)行螺栓連接。根據(jù)前門閉合工況對(duì)其進(jìn)行邊界約束，其中約束上下鉸接123456DOF，約束鎖扣123456DOF。⑵發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋有限元模型：依據(jù)前門的建模方法建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋有限元模型，邊界條件約束鉸接123456DOF，約束鎖扣123456DOF，緩沖塊約束3DOF。⑶后背門有限元模型：根據(jù)前門的建模方式建立后背門有限元模型邊界條件約束鉸接123456DOF，約束鎖扣123456DOF，緩沖塊約束1DOF。⑷壓頭有限元模型：根據(jù)試驗(yàn)壓頭建立其有限元模型，單元類型為六面體網(wǎng)格，為方便和覆蓋件建立接觸面，在體單元表面建立殼單元。

抗凹性能的數(shù)值分析

模型建立完成后，使用Hypernesh軟件中的Abaqus板塊進(jìn)行處理，先建立覆蓋件和壓頭的接觸面，然后進(jìn)行工況設(shè)置：Step1為加載150N的壓力，Step2為加載400N的壓力，Step3為卸載。利用Abaqus求解器分別對(duì)沖壓前后兩種情況特性曲線下的前門外板、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和后背門外板進(jìn)行抗凹計(jì)算求解，結(jié)果如表2所示。

通過對(duì)比三種材料沖壓前后的抗凹性能計(jì)算結(jié)果，可以得出：通過沖壓工藝后，覆蓋件的抗凹剛度、加載位移基本是沒有改變的，但是殘余位移明顯降低。

結(jié)論

通過對(duì)沖壓前后覆蓋件的材料進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，得到其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，基于數(shù)值模擬法，對(duì)某車型前門外板、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和后背門外板進(jìn)行計(jì)算分析，得到加載力-位移曲線，從沖壓前后對(duì)比結(jié)果中可以得出，沖壓工藝對(duì)材料的抗凹剛度和抗凹穩(wěn)定性基本上沒有影響，對(duì)局部凹痕抗力影響還是很大的，這為抗凹?xì)堄辔灰颇繕?biāo)值的設(shè)定提供了參考。