《汽车高强度钢U形件弯曲回弹有限元分析》
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摘 要：文章对汽车高强度钢进行U形弯曲过程中的回弹进行了分析,研究了弯曲回弹产生的原因以及利用有限元分析软件对U形件进行冲压回弹分析,阐述了在进行仿真分析过程中应该注意的问题,对高强度钢弯曲模具设计者有一定的指导意义.
关键词：回弹;高强度;有限元;弯曲
中图分类号：TG386文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）17-0116-02
Abstract： In this paper, the springback of automobile high strength steel in the process of U-shaped bending is analyzed, the causes of bending springback are studied, and the stamping springback analysis of U-shaped parts is carried out by using finite element analysis software. This paper expounds the problems that should be paid attention to in the process of simulation analysis, which has a certain guiding significance for the designers of high strength steel bending die.
Keywords： springback; high strength; finite element; bending
隨着汽车工业的快速发展,汽车数量的增加影响着大气污染的环境问题.为减少污染物排放、降低汽车能耗,实现汽车的可持续发展.同时,人们生活质量的提高对汽车在碰撞后能保护乘客等安全性能上的要求越来越高,为了实现保证安全性能的同时减轻汽车的重量,采用新型的高强度钢板代替普通钢材已成为发展趋势[1].冲压作为汽车制造过程中四大工艺的最前工序,其成形结果对后续加工和装配起着非常大的影响作用.在板料成型过程中,尤其是高强度钢板,容易出现如破裂、起皱、回弹等缺陷[2].而回弹是高强度钢板板料成形过程中最为复杂的问题[3].回弹问题的不解决好,对后续制件的装配和实用性能会影响很大.
1 高强度钢回弹
我国汽车工程学会产业研究院根据力学特性,把屈服强度在210～550MPa和抗拉强度在270～700MPa的钢为高强钢,而屈服强度大于550MPa和抗拉强度大于700MPa的钢为超高强钢.板料在冲压过程中受到外力作用就会发生弯曲,有弯曲就一定有回弹现象发生,板料在发生弯曲过程中,其弯曲的内表面受压应力,外表面受拉应力,应力状态不一致导致板料所受屈服应力不一样,当外力移除后,弹性变形区因回复而引起回弹.因此,掌握高强度钢板冲压成形技术是我国当前汽车零部件制造行业急需解决的问题.
2 有限元分析方法
高强度和超高强度钢板在汽车工业中的应用越来越普遍,回弹产生的问题也越来越制约着高强度钢在汽车行业中的应用,精确的回弹分析预测和有效的补偿控制在当前也越来越重要.随着借助软件进行计算机辅助分析（CAE）的日趋成熟,板料成形理论的逐步完善,结合CAD技术,CAE技术得到了广泛的应用,同时,对于提高产品的精度、缩短模具开发的周期、降低模具制造的成本等都达到了很多企业的认可.利用CAE软件对冲压全过程进行有限元模拟,设置合理的参数,结合实际模具冲压产品进行物理实验对比,就能够很好的利用好这个工具,为冲压模具制造作前期服务.
2.1 DYNAFORM回弹计算方法
本论文借助板料成形软件DYNAFORM对零件的成型过程进行冲压模拟,DYNAFORM软件是美国ETA公司推出的针对板料成形数值模拟的专业化软件,目前已被世界各大汽车、钢铁等单位广泛应用.DYNAFORM软件是利用LS-DYNA求解器对板料实现精确成形与回弹预测、回弹补偿等仿真分析,该软件包含隐式求解和显式求解两种求解方式,其中隐式求解存在迭代计算收敛性的问题,计算时可用较大的时间步长;显式求解没有收敛性问题,但与划分网格最小尺寸关系很大,因为时间步长由最小单元尺寸所决定.在解决回弹分析问题时,DYNAFORM软件采用的是动静联合算法求解,即利用动力显式求解器模拟冲压成形过程,计算迅速、稳定,而且不存在收敛性问题,能实现显、隐式无缝集成的功能,将完成冲压分析后的结果,自动转换为隐式求解器再进行回弹分析.最后,从结果文件中创建云图、变形、应力分布和动画等,方便查看计算结果.
2.2 DYNAFORM回弹计算过程
DYNAFORM软件提供回弹的计算分析方法有两种方法,一是快速设置法：如图1所示,该方法只需要定义工具part就可以按照缺省参数设置的方式进行回弹仿真分析,此方法虽然简单,但在实际中对参数的设置不符合实际工况,这种方式只适用于低强度钢简单冲压件的回弹分析.第二种是采用成形参数设计,按照实际冲压工况设置后进行成形分析,如图2所示,在实际分析过程中,常采用第二种分析方法,其具体分析过程如下：
（1）将设计好的冲压零件或者模具转化为DYNAFORM所能识别的文件,导入到分析软件中,导入后的模型如图3所示.（2）提取所需要的面进行零件层的创建,命名好后为分析工序做准备.（3）对板料、凸模、凹模、压边圈等进行设置,按照实际板料的屈服强度、摩擦系数等进行设置,并进行网格划分.按照实际模具工作情况进行工序、冲压方向等设置.（4）将分析任务提交给管理器进行计算,分析前要对工序中凸、凹模等模具零件进行动画演示模拟分析,确保相互位移运动的正确性,避免既无法进行仿真计算,又无法得到合理的结果.（5）查看计算结果,包括云图分析、等值曲线、动画结果等,如果回弹量不在可容许的范围内,则进行回弹补偿分析.（6）将最终得到的模面导入到模具设计中进行真实模具的设计.
2.3 重要参数设置
（1）网格划分,对各零件进行网格划分时,按照适中的原则,尽可能采用尺寸均匀的正方形单元,如果三角形单元不可避免,尽量放在板料的,检测板料内部没有自由边界,同时不能有重迭的單元.板料网格大小按零件最小圆角的3倍值划分,R的3倍为最大值,理论上1/4圆弧上要有4个节点（3个单元）,零件比较小的时候,可以适当减小网格大小值.对于回弹分析处理圆角位置时的时候,为了让分析结果更接近实际,一般要求回弹分析前,理论上1/4圆弧上要有5个节点（4个单元）,如图4所示：圆弧半径为3mm,有4个单元,两相邻节点距离1.17mm,即网格细分后最小单元网格大小为1mm左右.另外在控制参数设置中,最大自适应等级取4.
（2）冲压材料导入经过实测的真实屈服强度的屈服曲线,才能使得计算结果更加精确.
（3）冲压零件工具设计参数：摩擦系数设置、模具间隙、压边力等在没有经验值的情况下要做正交实验模拟分析.
（4）回弹补偿可以进行多次反复的进行,直到得到回弹值在可接受的范围内,这样得到所需要的模面,也就是模具设计的面.
3 回弹措施
目前控制高强度钢回弹的一般方法主要有两种：一是从模具上进行改进,采用模面补偿,根据回弹量的大小,修改模面,从而达到控制回弹的目的,这就需要对模具进行不停的改进,甚至在改进的过程中将整个凸、凹模毁掉;二是从冲压工艺上进行控制,调整摩擦系数、压边力、拉延等来减少回弹.这样的控制回弹方式使得模具制造的周期长,制造成本高.
到目前为止,高强度钢的回弹理论、数值计算等都没有一个标准的规范,现有的回弹经验是针对以往的低强度钢总结出来的.通过软件进行CAE结合实践模具进行分析,正交分析出一个通用的模具型面设计准则,并以此为基础建立比较完善的设计准则,如同目前的低强度钢回弹公式一样.相信通过这样的分析方式,我国的汽车轻量化和高强度制造技术会有很大的帮助.
4 结束语
通过有限元分析软件可以较好地分析高强度钢弯曲回弹,能够直接的对成形和回弹过程进行分析,并较精确的预测回弹量,最后通过回弹后的结果单元,导出成形模面指导模具设计,从而有效的降低模具制造成本,缩短模具制造周期,对模具设计者和冲压工艺者有一点的指导意义.
参考文献：
[1]范子杰,等.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报,2014（01）：1-16.
[2]张璐.高强钢回弹预测中材料模型的适用性研究及回弹补偿的自动实现[D].上海交通大学,2012.
[3]朱东波,等.板料成形回弹问题研究新进展[J].塑性工程学报,2000（01）：11-17.
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有限元分析和高强度钢引用文献:
[1] 有限元分析和高强度钢硕士学位论文范文 有限元分析和高强度钢方面硕士毕业论文范文2万字
[2] 体质和高强度间歇训练论文范文检索 关于体质和高强度间歇训练类论文范文数据库2万字
[3] 抗剪强度和高海专科毕业论文范文 关于抗剪强度和高海论文范文数据库3000字
