汽车厚板料零件冲压成形分析及回弹计算

工 步 －７ ４
工步
９ ５
时 间 ．１２ ０ ＋ ０ｅ
０ ｅ ０ ００ －０ ２ ２ ｅ ０ ００ 一０ ２ ４ ｅ ０ ００ －０ ２ ６ ０ ００ ０ ｅ－ ２ ８ ０ ００ ０ ｅ－ ２ ０ ０ ００ ０ ｅ一 ２
８ ７ ３ ２ ６ ５ ４ ４ ２ １ ８
（ 厚板料零件的材料一般采用热轧碳素钢板 １） 或热轧低合金高强度钢板。与冷轧薄板料相比，热轧 厚板料的表面质量差、厚度公差大、材料力学性能不 稳定 ，并且由于材料的伸长率较低 ，获得有效硬化 曲 线数据 的应变范围较窄（ 工程应力达到抗拉强度之前
的部 分 有 效 ） ，硬化 曲线 一般 不采 用 真 实应 力应 变 曲 线 ，而 是采 用幂 指 函数来 替代 。 （ 厚板 料 零 件一 般 以梁类 结 构件 为 主 ，其成 ２） 形 方 式主 要 为弯 曲 ，并 伴有 局部 的伸 长 类或压 缩 类翻 边 ，少数情 况 下还 包括 胀形 。成 形 时一般 不采 用压 边 圈 ，但 都 有背压 垫 ，冲压工 艺设 计相 对简 单 。单从 判
图４ 采用 同等 单 元密 度 、不 同单元 类型 时厚 板料 零件 的 回弹计算 结果
２２ 单 元划 分 ．
向残 余 应 力 分布 状态 的。 图５ 回弹 后零 件 断面 上 的 为 残 余应 力 分布 。
＼
计算模型建立时 ，首先遇到的问题是坯料单元划
分 。厚 板料 零件 成 形用坯 料 单 元 的划 分 通 常应保 证 以
转 变形 的趋 势 和 量 值 。另 外 ，实 体 厚 壳 单 元 在 使 用 Ｈ ｌ１ ４ ｇ Ｂ ａ ９ 屈服准 则时 可能 会存在 一些 问 ｉ ８ １ ａｌ １ １ ｌ９ ］ ｒｔ ９
图２ 一 汽某 商用 车车 架纵 梁 回弹 计算 结 果
题。 图３ Ｅ 分别 为采用 同等 平面 单元 密度 、不 同单 ｇｌ 图４
与薄板料零件不同，对于板厚大于５ｍｍ的厚板 料零件 ，例如商用车车架横梁 、纵梁和加 强板 类零
件 ，其在 冲压 成 形 、失效 判定 和 回弹 计 算 方面还 没 有
一
个明确 的计算方法和分析思路 ，应用也远不如薄板
料零件冲压成形Ｃ Ｅ Ａ 技术广泛和成熟 ，这是与厚板料 零件冲压成形的特点及其Ｃ Ｅ Ａ 技术有关的。 目前 国 内针对 这 方面 的研 究 相对 少 ，但 这部
工步 ．１ 时间 １ ０ ｅ ０ ０ ０ ＋ ０ ０
２ 计算模型建立时需要注意 的问题
２ １ 单元 选择 ．
ＭＳ 软 件 有两种 单 元供 厚板 料零 件 冲压 成 Ｃ Ｍａｃ ｒ 形Ｃ Ｅ Ａ 分析 时选 用 。一 种是 普通 实体 单 元 ，另 一种 是 实体 厚壳 单 元。 实体厚 壳 单元 是基于 选 择性缩减 积 分和假 定应 变 技术 的 ，由于是 八节 点拓 扑结 构 ，可 以实现 板料 内外
成 形 失效开 裂 判定准 则还 不 十分 完善 ，而对 于 薄板 料
零件成形的Ｆ Ｄ图则很难直接用于厚板料零件的成形 Ｌ 性分析，尤其是冲裁后坯料边缘存在硬化和撕裂情况
图１ 一 汽某 商用 车车 架纵梁 端 部结构
下 的成 形极 限判定。
虽然厚板Baidu Nhomakorabea料 零件 冲压 成形 Ｃ 评 估 的需 求相 ＡＥ
０ ０ ００ ０ ｅ＋ ０
４ ００ ｅ ０ ０ －０ ２ ３２ ０ ０ ２ ０ ｅ一 ０ ２． ０ ０ ２ ４０ ｅ一 ０ １６０ ｅ－ ０ ． ０ ０２ ８． ０ ０ ３ ００ ｅ一 ０ ０． ０ ０ ０ ００ ｅ＋ ０
（ ） 通 实体 单元 ａ 普
（ ）实体 厚 壳单元 ｂ
图５ 回弹 后 的应 力状态
（ ５）单 元长 边 与短 边 的比值 尽 可 能小 ，一 般 要
控制在３ 以内 。这是为了避免数值计算误差、确保
计算 精度 的。
视 ，即弯 曲部位 的应力 状态 为三 向应 力状 态 。 因回弹 计 算 时弯 曲部位 的应力 状态 对 回弹 变形 影响 极大 ，不
针对上述情况 ，对于零件 以弯 曲变形 为主 、伸
长 类 或 压 缩 类 翻 边 变 形 程度 比较 弱 的情 况 ，推 荐 采 用 实 体 厚 壳 单 元 。 对 于 伸 长 类 或压 缩 类翻 边 变形 程 度 比较 大 的厚 板 料 零 件 ，分 析 时还 是 建议 采 用普 通 实 体 单 元。
边缘较 大面 积 的坯 料 处于 自由状 态 ，为 了有 效控 制动
６ 汽 车 工 艺 － 材 料 ２Ｉ ５ Ａ＆ ＴＭ
通常情况下 ，实体厚壳单元偏 “ ”，普通实体 软 单元偏 “ 硬”，实际回弹变形可能介于两个计算结果
之 间。
２ １ 第 １ 期 ０１ 年 １
数 字 化 园 地
２１年 ０１ 第１期 １
汽车工艺与材料 Ａ＆ ６ ＴＭｌ １
．
数 字 伦 园 毽
成 形 Ｃ 评 估 。 图 １ 一汽 某 商用 车 车架 纵 梁 的端 部 ＡＥ 为
结构 。
力 响应 问题 ，凸模 虚 拟 速度 一般 要 小于 ２ ｍ／ ，这将 ｓ
进一步增加计算时间，增大计算成本。 ２ ， Ｏ ７ ８ ９ ０ ， ２ ３ ９ ９ ６ ３ Ｏ ７ ４ ２ ９ ６
数 字
园 地
汽车厚板料零件 冲压成 形分析及 回弹计算
摘 要 ：汽 车上板 厚大于 ５ｍｍ的厚板 料零件 的冲压成 形Ｃ Ｅ 术在材 料、工艺 、计 算和评估 等 Ａ技 方面都 与薄板料零 件有所 不同 ，基 于ＭＳ ． 软件 并结合 实际工作经验 ，对计 算模型建 立时需注 ＣＭａｃ ｒ
下几 点 。
（ 弯 曲 圆角部 位 的单 元位 向应 与 弯 曲轴 线垂 １） 直 。这 是 因为三 维 实体单 元 为避 免 刚硬 问题 而采 用 了
假定应变技术 ，而假定应变技术对单元的形状 比较敏
感 …，为 了保 证成 形 计 算 时 的应 力结 果 的准 确 性 ，尽 可 能使 单 元位 向与 主应 力 方向一 致 。 （ 弯 曲圆 角 部 位 应至 少 保证 ４ 单 元 ，这 对 ２） 个
宜采用壳单元进行厚板料零件成形及回弹计算。
另 外 ，采用 实体 单 元将 会给动 力显 式算 法 带来麻 烦 。 因 为动 力显 式算法 中的临 界时 间步 长与 单 元上 两 节点 间 的最 小距 离 成 正 比 ，采 用 实体 单 元 后 （ 一般 料
厚 方向上 的单元要分３ 以上） 层 临界时间步长将大大减 小，从而使计算费用大幅提升。并且由于弯曲成形时
５ １１ ｅ－ ０１ ０ ０
４２ ０ Ｏ ７ ｅ～ Ｏ１
３４ ０ ０ ． ３ ｅ－ ０１ ２５ Ｏ ． ９１ ｅ～ Ｏ１ １ ７ ｅ－ ０１ ５１ ０ ９ １１ ｅ ０２ ５ －０ ７． ８ ｅ ０ １ ４ －０ ３
（ ）普通 实体 单元 ａ
（ ｂ）实体厚 壳单 元
两 侧的双 面接 触 。 实 体 厚 壳 单 元 采 用 平面 内 一 点积 分 ，而 厚 向 的
积 分点 数可 由用 户来 指定 。 实体厚 壳单 元 能够较 好地
分析弯 曲圆角部位的塑性变形，但对于零件仲长类或
压 缩 类翻边 部位 如 果单 元密度 不够 ，则 无 法准确 追 踪 塑性应 变 的梯度 ，这将 直接 影响 到零件 回弹计 算 中扭
意的 问题如单 元选择 、单元划 分、屈服准则 、硬化 曲线、工况设定 和 回弹计 算等进行 了详细说 明 ， 并对厚板 料零件上 的伸长类翻 边结构 的成 形极 限问题 进行 了探讨 。 关键 词 ：冲压成 形 厚板 料 Ｃ ＡＥ 成 形极 限
中图分类号 ：Ｔ ３ ６ Ｇ ８
文献标识码 ：Ａ
与 薄板 料零 件相 比 ，厚 板 料零件 在 冲压成 形及 其 Ｃ Ｅ Ａ 技术 方面 有如 下特 点。
计 算方法建立起 了对应 的材料 、工艺 、计算和评估 方面的标 准和规范。这些标准和规范经过 实践 的检
验 和 修 正 ， 目前 在 产 品 设 计 和 生 产 制 造 环 节 中得 到 了广 泛 应 用 。
４ ５ ６ Ｏ Ｏ ０ ２ ３
黼 １ １ 糕 薯——■●■■一 １ 嘲 ７ ６ ３ ２ １ ９ ５ ４
ｅ （ 成 形失 效开ｅ裂 ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ压零 件 能 否通 ４） 判定 准 则是 冲 ｅ
过成形性评估的主要依据 ，从 目前情况看厚板料零件
■
中国第 一汽车 股份 有 限公 司技术 中心
富 壮
随着 我 国 汽 车 板 料 零 件 设 计 、制 造 水 平 的 不 断
提 高 ，薄板料零件冲压成形Ｃ 技术 的应用 已 日趋 ＡＥ
成 熟 ，相 关 产 品 的设 计 和 制 造 部 门针 对 不 同软 件 及
１ 厚 板料零 件 冲压成形及 其ＣＡ 技术 Ｅ 的特点
分 工 作 也 有 进 一 步 研 究 和 完 善 的 必 要 ， 为 此 作 者
将 近 年 关于厚 板料 零件 冲压 成 形Ｃ 技术 方面 的 ＡＥ 工作 进行 了总结 ，并 对其 中一 些具体 问题进 行 了
深入探讨 。
定零件冲压结构工艺性角度而言 ，通过经验数据和简 单的一步法计算即可实现，因此一般不需要经过冲压
图３ 采 用 同等单 元密 度 、不 同单元 类型 时横 梁伸 长类 翻边 部位 的应 变分 布
工步 ．１ 时 间 ：１０ ０ ＋ ０ｅ
工步 １
时间 ．１０ ０ ＋ ０ ｅ
８４ ８ ０ ６ ｅ－ ０１
７６ ８ ０ ２ ｅ－ ０１ ６７ ９ ０ ． ８ ｅ－ ０１ ５９ ９ ０ ４ ｅ－ ０１
时间
１２ ０ ＋ ０ｅ
２ ４ ８ ５ ３ ８ 一 ， ０ 一 Ｏ 一 ６ ０ ０ Ｏ Ｏ 一 ０ ０ 一 ０ ０ Ｏ Ｏ 一 ０ Ｏ一 Ｏ Ｏ ０ Ｏ ０ Ｏ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ 一 一Ｏ ６ ２ ８ ８ ５ ９ ４ ６ ３ ９ ， ２ 一 ８ ２ ３ ３ ５ ７ ２ ５ ６ ５ 一
元类 型 时横 梁 伸长 类翻 边部 位 的应 变分布 和 回弹计 算 结果 （ ：为 了便 于说 明应 变梯 度 、回 弹变形 ，在 显 注 示设 定上做 了相 应放 大 处理 ）。
（ 对 于厚 板 料零 件 ，其 弯 曲半径 与 板厚 之 比 ３）
一
般 都 很 小 ，板 厚 方 向 的应 力及 其 应 力 变 化 不 容 忽
对 于 薄板 料 零 件 要 少得 多 ，但 随 着 厚 板 料 零 件 材 料 强度 级 别 的 不 断提 高 ，回弹 所 造 成 零 件 尺 寸 精 度 的 问题 越 来 越 严 重 ，模 具 设 计 和 后 期 的工 艺 调 试 都 要 求对 零件 回 弹 的性 质 及 大 小有 所 了解 ， 以便 采 取 相 应 的 对 策和 补 救 方 案 。 因 此 ，厚 板 料 零 件 冲 压 成 形 Ｃ 技 术 的 工作 重 点在 于 对零 件 回 弹趋 势 的准 确 判 ＡＥ 断 和 对 其 量 值 的合 理 估 算 。 图 ２ 为一 汽 某 商 用 车 车 架纵 梁 的回 弹计 算 结 果 。
８０ ０ ０ ｅ一０ ２ ０ ７ ２ ０ ００ ０ ｅ～ ２
６ ４ ０ ００ ０ ｅ－ ２ ５ ６０ ｅ ０ ０ －０ ２ ４． ０ ０ ２ ８０ ｅ一 ０
２ ０ ００ ０ ｅ一 ２ ４ ０ ００ ０ ｅ一 ２ ６ ０ｅ ００ ０ 一 ２ ０ ０ｅ ００ ０ － ３