双曲扁壳覆盖件静态抗凹性数值模拟研究

第10卷第6期塑性工程学报Vol 110　No 16　2003年12月J OU RNAL OF PLASTICIT Y EN GIN EERIN G Dec 1　2003双曲扁壳覆盖件静态抗凹性数值模拟研究(北京航空航天大学,北京　100083)　张　毅　李东升　周贤宾摘　要:基于PAM 2STAMP 及其Dent Resistance 模块对双曲扁壳模拟覆盖件的成形及静态凹痕变形过程进行分步模拟计算,通过与试验结果的对比,数值模拟分析方法的有效性得到验证;从模拟得到的载荷凹痕深度曲线中提取评定覆盖件静态抗凹性能的参数,对影响覆盖件静态抗凹性的各种因素进行了系统的分析研究。

关键词:双曲扁壳;抗凹性;数值模拟;有限元中图分类号:TG 113126+2 文献标识码:A 文章编号:100722012(2003)0620034204李东升　E 2mail :Li dongs @ 收稿日期:20032012151　引　言在汽车制造领域,把覆盖件承受外部载荷作用、抵抗凹陷弯曲及局部凹痕变形、保持形状的能力称为抗凹性。

它包括抗凹刚度、抗凹稳定性和局部凹痕抗力3个方面[1],是评价和反映覆盖件表面质量和使用性能的一项重要指标和特性,与汽车板材品质、覆盖件的结构型式设计和冲压成形工艺密切相关。

就车身覆盖件几何特点而言,以具有一定曲率的扁壳类零件为主,特别是双曲度扁壳类覆盖件,在现代轿车外形中占有很大的比重,它反映了汽车覆盖件的几何特点及冲压变形特点,试件尺寸较大,带曲率、有一定的预变形,能够真实的反映出真实覆盖件某一部分的抗凹性能,在抗凹性研究中作为模拟覆盖件被广泛应用。

近年来,有限元数值模拟技术在覆盖件成形过程分析中得到良好应用的同时,国内外也开始重视这一技术在覆盖件抗凹性预测评定中的应用,特别是覆盖件成形过程和抗凹性能预测评定的一体化,已成为覆盖件成形仿真技术应用的进一步拓展和升华。

通过有限元数值模拟技术,研究汽车板材及覆盖件在静、动态凹陷情况下的抗凹性能,不仅对直接预测和评定板材及覆盖件的抗凹性能具有直接指导意义,而且对建立汽车覆盖件抗凹性试验检验方法、评估标准以及提高汽车覆盖件抗凹性对策研究都有实用价值。

本文主要基于PAMSTAMP 对双曲扁壳模拟覆盖件的成形及静态凹痕变形过程进行分步模拟计算,在此基础上对影响覆盖件静态抗凹性能的各种因素进行深入系统的分析,为从数值模拟角度探索覆盖件成形过程和抗凹性预测评定相结合的方法途径提供可用的经验。

2　双曲扁壳静态抗凹性的数值模拟研究方法 按照多步成形的思想,对双曲扁壳静态抗凹性这个复杂过程的模拟,在PAMSTAMP 中将其分成3个阶段来实现,即扁壳成形、成形后的回弹及静态凹痕变形过程。

3个阶段独立计算,其中,成形后回弹和静态凹痕变形过程的模拟,分别建立在前一步的模拟结果基础上,通过读入前一步输出的包含零件变形历史和内部残余应力的01文件来实现模拟的连续性。

图1为成形后的试件与压子模型。

PAM 2STAMP 中专门设置了一个模块Dent Re 2sistance 用于静态凹痕变形过程模拟的实现,其原理为,压子被设为刚体,并在初始的参数设置中按照要下压的深度设定其初始位置,此时,压子必然是穿透试件的,穿透的深度等于要下压的深度。

压子是固定的,试件四周的自由结点6个自由度也被束缚。

在求解中,通过一系列隐式的迭代分析步,穿透的深度逐渐减小为0,由于压子和试件都被固定,这只能通过试件与压子接触区域的变形来实现,这样,就用这种反算法的思想实现了压子静态按压下零件静态凹痕变形过程的模拟。

最后,所有的接触被去除,变形后的试件开始反弹,完成静态凹痕变形回弹的模拟。

测得压子分别在最低点和最终回弹完后试件中心结点的Z 向坐标,分别与最初状态时该点坐标进行差值,便可以得到实际的挠曲位移和凹痕深度,即所需的模拟结果。

采用位移控制的控制加载方式对双曲扁壳静态图1　成形后的双曲扁壳和压子Fig 11　The mode of the double 2curved auto 2bodypancel and the punch抗凹性进行数值模拟研究,针对成形后的扁壳试件,分别设定压子的下压深度为1、2、4、6、8mm 进行模拟,记录模拟中的最大接触载荷(即压子下压到最低位置时的载荷)及最终的凹痕深度,通过拟合得到用以进一步分析试件静态抗凹性的载荷凹痕深度曲线。

3　模拟结果的试验验证北航704教研室与宝钢技术中心共同研制的TMS 型板材抗凹性试验机系统,是一套专门用于汽车钢板抗凹性能评估的试验机,能完成板材抗凹性评估的基本试验和模拟试验,包括局部凹痕抗力试验和抗凹刚度试验。

在此基础上进行双曲度扁壳的静态抗凹性试验,得到载荷-凹痕深度曲线形式的试验结果。

试验参数与模拟参数一致:扁壳在300kN 压边力下成形,压子直径<1217mm 。

图2　载荷凹痕深度曲线模拟结果和试验结果的对比Fig 12　Comparing of the curve of force vs 1dent depth between experiment and numerical simulation图2为两种厚度ST14材料的零件数值模拟曲线和试验曲线的比较,模拟中压子下压深度按1mm 、115mm 、2mm 、215mm 的序列控制。

从图中可以看出,模拟数据和试验数据基本在一个数量级,变化趋势也基本相同,一定深度凹痕下的载荷差相差在25%以内,因此,利用PAM 2STAMP 提供的这种凹痕变形模拟方法对覆盖件抗凹性进行分析基本上是可靠的,利用它对覆盖件抗凹性进行预测评估在工程范围内也是可行的。

4　板材性能对覆盖件静态抗凹性影响趋势分析411　屈服强度对静态抗凹性的影响 覆盖件的局部凹痕行为是一种塑性变形,板材的屈服强度是影响其抗凹性的一个重要因素。

对BH340、BP340、ST14、B IF3404种屈服强度各不相同的板材进行抗凹性模拟,厚度018mm ,压子半径统一采用1217mm ,试件在200kN 压边力下成形,表1为各材料屈服强度比较。

表1　材料屈服强度Tab 11　Y ield strength of materials材料ST14BH340BP340BIF340屈服强度(MPa )162231210186图3为得到的载荷凹痕深度曲线比较图。

从图中可以看出,ST14和B IF340钢板的载荷凹痕曲图3　不同材料的载荷凹痕深度曲线Fig 13　The curve of force vs 1dent depth线明显低于BH340和BP340材料的曲线,产生一定深度凹痕所需的载荷也越小,说明前两种成形零件抵抗静态凹痕变形的能力要明显低于后两种材料的成形零件,因此,可以用载荷凹痕曲线来比较评判覆盖件的静态抗凹性。

另外,由载荷凹痕深度曲线可以插值得到产生011mm 深度凹痕所需的载荷P 011,它代表了覆盖件产生可见静态局部凹痕的临53　第6期张毅等:双曲扁壳覆盖件静态抗凹性数值模拟研究界载荷,在静态局部凹痕研究中常以该值作为衡量指标来比较评判覆盖件抵抗局部凹痕变形的能力。

图4为P 011比较。

图4　不同材料的P 011比较Fig 14　P 011of different materials从图中可以看出,屈服强度越大,以P 011衡量的局部凹痕抗力越大,从而抵抗静态凹痕变形的能力越强。

板材屈服强度每增加20MPa 左右,相应的覆盖件局部凹痕抗力提高15%左右。

由此可知,板材屈服强度是决定覆盖件局部凹痕抗力的主要因素之一,提高板材屈服强度是提高覆盖件静态抗凹性的重要途径。

412　板材厚度对静态抗凹性的影响厚度是影响覆盖件抗凹性的另一个重要因素,它不仅对覆盖件的抗凹刚度性能有最敏感的影响,而且对其局部凹痕抗力性能也有较大的影响。

图5是两种不同厚度的ST14试件在相同的条件下模拟得到的P 011比较,可以看出,在厚度从018mm 变化到110mm 时,试件的局部凹痕抗力增大了将近1倍左右,厚度对覆盖件静态抗凹性能的影响可见一斑。

图5　不同厚度试件的P 011比较Fig 15　P 011of speciment wih different thickness针对双曲扁壳上述板材性能参数的模拟结果表明,厚度和屈服强度是决定覆盖件静态局部凹痕抗力的两个重要因素,综合文献[3,4],可以用屈服强度和厚度平方乘积σs t 2来综合反映二者对覆盖件静态抗凹痕能力的影响。

5　成形条件对覆盖件静态抗凹性影响趋势分析 018mm 厚的ST14板材,分别在150、200、300、400、500、650kN 的压边力下成形,然后在参数相同的条件下(压子半径统一为1217mm )进行静态抗凹性模拟,得到如图6所示的P 011比较。

在这组参数范围内,双曲覆盖件的静态局部凹痕抗力随成形压边力的增大而增大,说明适当增加压边力可以对覆盖件抗凹性能起到一定的增强作用。

这个结论为我们改善和提高覆盖件抗凹性能提供了一个新的思路。

即在覆盖件设计外形一定的情况下,从工艺上挖掘潜力(如增加压边力),增大板材成形后的屈服应力(即加工硬化),是提高覆盖件抗凹性能的有效途径之一。

但相关研究表明,通过增加压边力提高覆盖件静态抗凹性时,要注意保证零件面内变形量不能太大,否则,如果厚度变薄太大(特别是对超薄钢板),增大成形压边力并不能起到提高局部凹痕抗力的作用,厚度的过度减薄反而会降低覆盖件的抗凹性能[1]。

图6　成形压边力对覆盖件静态抗凹性的影响Fig 16　E ffect of holding force of forming for staticdent resistance6　结　论本文应用有限元数值模拟方法对覆盖件成形过程和抗凹性预测评定相结合的方法、途径进行了探索性研究,并得到了不同参数对覆盖件静态抗凹性能的影响趋势,取得结论如下:1)数值模拟研究结果和试验结果的对比表明,利用PAM STAMP 提供的这种凹痕变形模拟方法对双曲扁壳覆盖件抗凹性进行的模拟分析是可靠的,可以将其用于覆盖件抗凹性能的预测评定。

63塑性工程学报第10卷2)厚度和屈服应力是影响覆盖件抗凹性的两个最主要因素,板材屈服强度增大20MPa 左右,相应的覆盖件局部凹痕抗力提高近15%;厚度从018mm 变化到110mm 时,局部凹痕抗力便增大了将近1倍左右。

3)用增大压边力从而增加面内变形量的方法,可以提高覆盖件抵抗静态局部凹痕变形的能力,但必须将变形量控制在一定范围内。

参考文献[1]　李东升1汽车板材及覆盖件局部凹痕抗力的研究1北京航空航天大学博士后研究报告,1998[2]　李雪峰1汽车板材抗凹性实验方法及数值模拟研究1北京航空航天大学硕士论文,2001[3]　Ming F Shi ,David J Meuleman ,Christine L Alaniz ,Stephen J Zurdosky 1Prestrain E ffects on Static Dent Re 2sistance of Automotive Steels 1SAE ,1982[4]　M A Mccormick ,J R Fekete 1J Meuleman ,M FShi 1E ffect of Steel Strengthening Mechanisms on Dent Resistance of Automotive Body Pancels 1SAE ,1998[5]　J A Dicellello ,R A G eorge 1Design Criteria for the DentResistance of Auto Body Panels 1SAE ,1974[6]　李东升,周贤宾1关于覆盖件抗凹性指标的理论分析1塑性工程学报,1995,2(1):43～49[7]　PAM 2STAMP/OPTRIS Users Training anual ,ESIGroup ,2001The numerical simulation of double 2curved autobody panel ′sstatic dent resistanceZHAN G Y i L I Dong 2sheng ZHOU Xian 2bing(Beijing University of Aeronautics &Astronautics ,Beijing 100083)Abstract :The forming and denting process of the double 2curved panel is simulated by FEM program PAM 2STAMP.This method of numerical simulation is validated by compareing with experiment results.The simulated results is used on research of panel ’s static dent resistance ,and the influence of various factors on the static dent resistance is anal yzed and abtained.K ey w ords :double 2curved autobody panel ;static dent resistance ;numerical simulation ;FEM(上接第18页)forming process using dynamic explicit algorithm is developed.In integration ,the dynamic explicit algorithm has been used with the lumped mass matrix so that it facilitates the calculation of the dis placement and avoids the convergence problem caused by high order nonlinearity of material ,geometry and boundary conditions.The hemis pherical punch deep drawing of a square sheet is analyzed.The results of simulation are com pared with that of experiment to verify the calculated results of the program.K ey w ords :sheet metal forming ;dynamic explicit ;finite element method ;dee p drawing ;wrinkling73　第6期张毅等:双曲扁壳覆盖件静态抗凹性数值模拟研究。