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[汽车钢板] 汽车厚板零件成形及回弹冲压CAE计算规范

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发表于 2020-3-9 08:27:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 feici 于 2020-3-9 08:28 编辑

汽车厚板零件成形及回弹冲压CAE计算规范

富壮1 陈军绪2 刘学真2 王晓丽3
(1.中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春 130011;2.一汽解放青岛汽车有限公司,青岛 266200;3.一汽解放汽车有限公司,长春 130011)
【中国汽车材料网】摘要:针对商用车产品开发过程中如何提高厚板件冲压CAE计算效率的问题,以厚板件中尺寸最大的纵梁压弯为研究对象,结合解放公司纵梁压弯质量整改工作,对汽车厚板件成形及回弹冲压CAE的建模方法、计算参数和工况设定进行总结、优化;在与标准算题计算精度相差10%的前提下,实现了缩短计算时间、提高计算效率的目标。
关键词:厚板件 冲压 成形 回弹 CAE计算
1 前言

商用车驾驶室冲压件均以薄板零件为主,但车架总成和驾驶室悬置中有很多料厚>3mm的中板零件和厚板零件,例如后悬置下支架、纵梁、横梁和滤清器支架等。评审厚板件冲压工艺性时,对于简单的压弯类件,一般圆角尺寸按经验数值进行评判,平面内的伸长开裂和压缩起皱采用快速计算评判;对于复杂件的圆角尺寸、平面内的伸长开裂和压缩起皱,由于薄板冲压CAE的计算方法不太适合、计算精准度较差,因此只能采用隐式非线性有限元软件(MSC.Marc)计算。

MSC.Marc软件计算精度高,但时间过长,无法满足目前工艺评审周期的要求,且模型建立和参数设定非常复杂,难以控制。在满足评审精度要求的前提下,如何最大程度地提升计算效率是目前面临的主要问题。因此,亟需针对厚板件成形及回弹冲压的CAE计算方法和相关设定建立规范。


2 基于MSC.Marc软件的厚板冲压CAE计算规范

2.1 技术路线

薄板冲压CAE计算方法之所以不适用于厚板复杂件,主要是该方法采用的壳单元通常为缩减积分单元,平面内只有1个积分点,且壳单元平面尺寸一般要大于料厚的1/2,因此平面内的应变和应力梯度较差,伸长开裂和压缩起皱往往被弱化了;另外,冲压件弯曲半径与板厚之比小到一定值时,板厚方向的应力已不容忽视,即弯曲部位的变形方式已为三向应力状态,弯曲部位的应力状态对回弹变形影响极大,故不宜使用薄板冲压CAE进行厚板件成形及回弹计算。

在以往冲压工艺性评审中,将薄板冲压CAE计算方法用于厚板件成形及回弹计算时,只能采用增大安全裕度的方法,但还是经常出现弱化开裂和起皱的问题,且规律性不明显。根本原因就是壳单元显式求解有限元基础理论就不适合厚板件成形的冲压CAE。图1为壳单元和实体单元的差别。因此,如何精准、高效地实现厚板件冲压CAE计算是目前产品设计阶段厚板件工艺评审面临的主要问题。

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图1 壳单元与实体单元

厚板冲压CAE目前存在的主要问题就是计算时间过长,不满足工艺评审的节点要求。为实现汽车厚板冲压CAE计算的高效化和实用化,需要开展如下几个方面的研究工作。

a.以厚板件中尺寸最大的纵梁压弯为研究对象,结合解放公司纵梁压弯质量整改工作,对汽车厚板件成形及回弹冲压CAE的建模方法、计算参数和工况设定进行总结、优化,达到缩短计算时间、提高计算效率的目的。提高计算效率原则上只能针对过程工步加载、接触设定、单元数量等几个方面进行优化,严重影响计算精度的相关设定则不允许变动。图2为解放公司生产条件输入。

b.建立汽车厚板件成形及回弹冲压CAE计算用规范,指导厚板件冲压工艺性评审;建立通用化命令流文件,以简化冲压CAE回弹计算模型的建立。

c.对纵梁压弯成形过程的计算模型进行有效性评估,分析数值模拟中忽略的、但在实际压弯过程中可能存在的影响因素,供解放公司工艺人员参考。

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图2 解放公司生产条件输入

2.2 标准算题

纵梁尺寸最大,CAE计算时间最长,纵向回弹量对应力计算结果非常敏感,很适合进行数值试验。以往纵梁压弯及回弹计算参数和工况设定都是按有限元基础理论要求选择的,一次计算时间通常在7天以上。图3为军车纵梁回弹前、后对比图。

MSC.Marc属于通用非线性有限元软件,其默认参数和工况设定大多是针对弹性力学、塑性体积成形(如锻造、挤压类的问题);对厚板件冲压成形的高度几何非线性、材料非线性和接触非线性问题,有些默认参数和工况设定则显得过于严格,虽然计算精度较高,但计算成本很大。

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图3 军车纵梁回弹前、后对比

纵梁标准算题建立如下。

a.纵梁48A、A21U-D、A40V;

b.按以往精确计算方法建立分析模型;

c.平面内的单元尺寸为5mm,厚向分4层;

d.采用定步长加载方式;

e.按默认接触参数进行软件设定。

图4为A40V纵梁标准算题的回弹计算结果,纵向回弹值为(+2.315,-6.448)。

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图4 回弹计算结果(A40V)

2.3 工步加载优化

MSC.Marc软件对于失稳和类失稳的几何非线性问题推荐采用Arc-Length加载,纵梁压弯初期属于类失稳问题,如图5所示。工步采用Arc-Length加载时,初始阶段工步细分较多,后期稳定成形阶段工步细分少。Arc-Length加载存在的一个问题是,为了得到最佳步长,每个工步都要进行反复迭代和试算,虽然计算精度高、工步数量少,但如果单位增量步内的预期循环次数设定不合理,进行大模型求解会导致计算成本不降反升。经测试,当单位增量步内的预期循环次数设定为1/2的最大迭代次数时,纵梁压弯模型的计算效率较高且精度损失小。

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图5 类失稳问题描述

2.4 接触设定优化

板料冲压成形过程的接触非线性问题最为严重,板料节点会频繁地接触、分离。板料表面压应力小,MSC.Marc软件默认的基于力残差或最大接触压应力10%的分离判定准则会导致计算错误,使节点被强制吸附在凸模底面上,图6为接触相关设定优化结果。默认分离准则也是同样效果。

接触分离力和工步接触最大迭代次数既影响计算精度又影响计算效率,设定时需要谨慎对待;对于接触距离容差值,经测试,按MSC.Marc默认的单元厚向尺寸的1/20比较合理,偏斜系数为0.95;摩擦力计算采用弧切矢量法还是双线性模式,对计算精度和计算效率的影响不明显。

2.5 单元数量优化

单元数量优化具体情形如下。

a.毛坯单元在板料厚度方向分4层,料厚7mm的纵梁,厚向最小单元尺寸约1.75mm;

b.毛坯单元在弯曲圆角部位分5份,内圆角R8的纵梁,平面最小单元尺寸约3.58mm;

c.凹模口以内、纵梁圆角以外细分单元;

d.毛坯两端50mm内细分单元;

e.伸长类和压缩类的翻边部位要细分单元(A21U-D)。

图7为纵梁单元数量优化方案的说明,计算结果和时间对比见表1。

回弹前后圆角截面应力变化说明,厚度方向积分点数量推荐>7,即厚向至少分4层单元。

2.6 计算模型误差评估

将冲压CAE技术应用于产品研发和生产实践,通常需要解决几个问题。

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图6 接触相关设定优化

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图7 纵梁单元数量优化方案

表1 优化前后计算结果对比
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a.力学模型的合理简化。以目前的计算软、硬件发展水平看,还无法实现基于纵梁压弯真实物理特性的,涵盖设备、模具、坯料的,全方位和全过程的模拟和计算,只能进行力学模型的简化。从一定意义上讲,目前冲压CAE的计算能力和计算效率决定了力学模型简化的程度和规模。

b.结合具体计算模型的特点,基于有限元基础理论和数值计算方法,对关键参数的设定进行选择和优化,保证在一定分析精度和求解稳定性的前提下,使数值计算成本最低。这也是本文着重研究的方向。

c.结合实测值,对计算结果进行合理修正,分析误差源,进行知识积累。

纵梁压弯成形及回弹计算模型的误差源分析结果说明如下。

a.毛坯初始存在拱形,残余应力的影响有时非常大;

b.压左、右纵梁采用同一拱形毛坯,会出现正、负纵向回弹问题;

c.背压垫偏斜、背压力不稳,活动横梁偏斜、校形力也不稳,目前计算没有考虑偏载;

d.设备及模具的弹性变形会影响纵梁回弹大小;

e.简化冲压CAE计算的力学模型和材料模型,会引入一定的数值计算误差。

其它误差源还包括以下几方面。

a.材料力学性能和板料厚度存在波动;

b.模具的理论型面与实际型面存在形状、尺寸不一致,模具有磨损、变形和间隙变化等情况;

c.冲压CAE计算时设定的材料和模具摩擦系数与真实情况不一致;

d.压弯3个阶段的力、位移的理想化加载情况与实际有偏差。

3 试验结论

通过对厚板件冲压CAE的工步加载、接触设定、单元划分等环节进行优化和试算,得出结论如下。

优化加载工步可以大大节省计算成本且精度损失小;接触分离力和工步接触最大迭代次数可有效降低接触计算时间,且针对不同计算模型,分离力和工步最大迭代次数存在最佳值;优化单元数量在一定程度上可以减少计算成本,因为接触分离是影响计算精度和效率的关键因素。但应变梯度大的部位一定要保证最小单元尺寸。

纵梁压弯及回弹计算的关键设定见表2。

表2 纵梁冲压CAE计算规范
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4 结束语

现阶段,汽车厚板件冲压CAE计算精度能够满足开裂、起皱等工艺性评判,但对回弹变形的预测还存在一些问题。有些是力学模型和材料模型的简化造成的,有些则是有限元技术发展水平的原因。汽车厚板件的开裂评判准则目前还存在不少问题。厚板件的特点是料厚相对于零件尺寸大,材料成形极限中的厚度效应相对明显,薄板件的开裂评判准则不能直接用于厚板件;另外,厚板件大多出现边缘伸长类翻边开裂,如何将毛刺、剪切硬化、撕裂带及厚度效应等因素考虑进去?迄今还没有相关研究和标准;同样,汽车厚板件的起皱评判准则对于工艺评审也很重要,但至今也还没有相关标准。因此,未来的有关研究工作将围绕上述几方面展开。


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