有限元模拟仿真：汽车B柱加强板工艺分析及模拟分析
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">
<h2 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">目录：</h2>
<h3 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><a href="#sub_title_1" style="color: red;">1.工艺过程仿真分析技术有哪些</a></h3>
<h3 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><a href="#sub_title_2" style="color: red;">2.工艺过程仿真分析技术包括</a></h3>
<h3 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><a href="#sub_title_3" style="color: red;">3.工艺过程仿真分析技术是什么</a></h3>
<h3 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><a href="#sub_title_4" style="color: red;">4.工艺流程仿真</a></h3>
<h3 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><a href="#sub_title_5" style="color: red;">5.工艺仿真基本流程</a></h3>
<h3 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><a href="#sub_title_6" style="color: red;">6.工艺仿真设计</a></h3>
<h3 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><a href="#sub_title_7" style="color: red;">7.工艺仿真定义</a></h3>
<h3 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><a href="#sub_title_8" style="color: red;">8.工艺仿真的作用</a></h3>
<h3 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><a href="#sub_title_9" style="color: red;">9.工艺仿真软件有哪些</a></h3>
<h3 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><a href="#sub_title_10" style="color: red;">10.工艺仿真是什么</a></h3>
</div>
<h3 id="sub_title_1" style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">1.工艺过程仿真分析技术有哪些</h3>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">方钉工社</p>
<h3 id="sub_title_2" style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">2.工艺过程仿真分析技术包括</h3>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">现代汽车零部件结构变得复杂多样化,质量要求也相应提高,机械冲压成形问题也随之更加复杂 高强度钢拥有抗碰撞性能好,耐腐蚀能力强的特点,但由于其力学性能与普通低碳钢有较大差异,因此零件在成形时,易产生起皱、破 裂、回弹等相关缺陷。</p>
<h3 id="sub_title_3" style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">3.工艺过程仿真分析技术是什么</h3>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">传统生产方法中,试制模具然后对冲压条件进行反复修正,不仅模具制造周期长、成本高,而且产品质量亦无法完全保证随着 CAE 技术的不断进步,更多企业在产品工艺设计方案的可行性验证中利用了 CAE 模拟软件有限元模拟仿真不仅能分析成形缺陷、优化工艺参数,还能指导实际生产,因此在成形加工中发挥着十分重要的作用 。</p>
<h3 id="sub_title_4" style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">4.工艺流程仿真</h3>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"> 在产品设计时,毛坯计算、成形性分析和工艺方案优化都可以用 CAE 分析来完成, CAE 已成为了提高模具设计水平的关键技术汽车立柱加强板在加工成形过程中,需经过落料、拉延、修边、冲孔等多道工序,其中拉延为小应变大变形,涉及材料非线性、几何非线性及边界接触非线性问题,是该零件成形的难点。</p>
<h3 id="sub_title_5" style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">5.工艺仿真基本流程</h3>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">1 工艺分析及模拟1. 1 零件工艺分析汽车 B 柱在车身中不仅要保证在承受一定撞击时,不能过多地侵入乘员舱空间,并保证前车门在碰撞后仍能正常开启,同时也需要有足够的刚度和 强度,以满足作为前车门锁扣、后车门铰链和前排安 全带卷收器的安装部位的使用要求。</p>
<h3 id="sub_title_6" style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">6.工艺仿真设计</h3>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">典型的汽车 B 柱一般由 B 柱外板、B 柱加强板(也称 B 柱内板)焊接组合而成其中,B 柱加强板承担着更多的抗撞击变形和安装点耐久要求,在材料设计上通常使用 高强钢,并在结构设计上要和 B 柱外板组成一定截面的空腔体,才能满足日益苛刻的碰撞和耐久要求。</p>
<h3 id="sub_title_7" style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">7.工艺仿真定义</h3>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">文中所建模型是目前各主机厂主流设计的汽车 B 柱内板结构形式,有很强的典型性,但又不局限于某 各具体车型,其研究具备一定的代表性和较强的参 考价值如图 1 所示汽车 B 柱加强板的三维模型,其所用钢板材料厚 度为 1. 8 mm,材质为上海宝钢生产的高强度钢 DP590。</p>
<h3 id="sub_title_8" style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">8.工艺仿真的作用</h3>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">由图 1 可知,B 柱形状较为复杂,主要采用拉延 工艺在拉延成形中,金属坯料上的成形情况由于 复杂的曲面结构而变得难以预测,容易导致起皱或 者产生破裂,所以在成形过程中,如何使材料流动均 匀以提高工件质量是难点。</p>
<h3 id="sub_title_9" style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">9.工艺仿真软件有哪些</h3>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">由工件形状可知,两端头的台阶深度较深,中间凸台较高,形状变化剧烈, 成形时容易开裂,并且其一端有大平面存在,成形时 容易起皱在工艺设计中,最为关键的是压料面的位置及形状,压料面的位置决定了各部位拉延深度, 而压料面的倾角、曲面构成及平滑度决定了材料的 属性流动情况。</p>
<h3 id="sub_title_10" style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">10.工艺仿真是什么</h3>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">根据该 B 柱两侧切边位置在法兰 上的工艺要求,选择压料面位置和法兰一致由于零件台阶处拉延深度较深,台阶分布在产品内侧,造 成了进料困难,所以需添加工艺补充面另外为了 避免拉深开裂,需采用大圆弧过渡坯料如图 2 所 示。</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">冲压方向绕 X 轴转 10毅,直接以法兰边作压料 面,分模线如图 3 所示</p><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-axegupay5k/2d6cba4c035d4705b8d9230de0692e4d~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1730377938&x-signature=kiuzA7j7uwKs1Ehz98wGO25xyHU%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">1. 2 有限元建模该 B 柱 材 料 采 用 上 海 宝 钢 生 产 的 HC340 / 590DP 高强度钢, 坯料厚度为 1. 8 mmHC340 / 590DP 钢的化学成分(熔炼分析)中:C臆0. 15%,Mn臆 2. 50%,P臆0. 040% ,Si臆0. 60% ,S臆0. 015% ,Al逸 0. 010% (质量分数)。</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">其材料性能参数为:屈服强 度为 410 MPa, 抗 拉 强 度 为 590 MPa, 屈 强 比 为 0. 695,伸长率 啄 = 22. 4% ,塑性应变比 r = 1. 02,应变硬化指数 n = 0. 154。</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">材料的塑性变形为平面内各 向同性,厚度方向上各向异性在选择好材料模型后,设置设备类型为单动冲压方式零件网格划分好之后,对网格进行检查修补相关模拟参数设置为: Blank Holding Force : 100 (Ton), Blank Holding Stroke : 80 (mm), Friction Coefficient : 0. 15。</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">1. 3 有限元模拟根据有限元分析,合理的模面设计可以保证产品设计的合理性,另外通过优化坯料尺寸及拉延筋 数量和位置布置,可以保证零件的成形性。模拟过程如图 4 所示。</p><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/bc9b573cd1f043dda242e43ac29b69c6~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1730377938&x-signature=itkfNR%2FCDmdJbVTpf5pIdfAZpR0%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">2 结果分析 总体模拟结果如图 5 所示成形效果与主要预 测的成形问题如图 6 所示该模拟存在局部变薄, 存在严重开裂危险的问题,见图 7,其中图 7a,c 为 局部结构示意图,图 7b,d 为对应的危险区域放大云图。</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">由成形性分析结果来看,存在局部开裂和起皱 的问题,局部开裂区域为凹模的凸缘部分和直壁处, 凸缘圆角区域的材料流动困难,而直壁部分由于有 较大的拉应力,所以容易在该区域导致拉裂起皱区域处于凹模顶部与平面部分的连接处,板料变形 过程中,径向拉伸,切向压缩,而且切向变形大于径 向变形,故产生起皱。</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">对危险区域的壁厚分布进行 测量,发现最大减薄量的点 的减薄率均超过了30% </p><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/3d7d9c892583444496c72e3386497e35~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1730377938&x-signature=v%2FSSjqS%2FOjbKQ0vF0vHsodWWrdE%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/cbcfbc7fc86042f0b862e3771016ad48~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1730377938&x-signature=ZDhKifuh1%2B2UVrkR1DwiSq9jDPI%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/b444a9ad5f0849ba84106cec33250c96~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1730377938&x-signature=0loDMxEAombb10%2FL98FrmzdMx%2FQ%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">根据实际经验,当壁厚减薄量小于 30% ,壁 厚增厚小于 5% ,都是安全可行的,所以要通过局部 的工艺改进来消除和调整主要失稳区域如图 8 所 示图 8 所示的两侧壁拔模角度太小,成形时容易开裂且很难做回弹。</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">为了解决此问题,将拔模角度修改至 7度以上, 同时加大凹模口圆角,经重新模拟分析后满足成形要求这说明凸凹模间隙对加强板局部最小厚度有 较大的影响,凸凹模间隙越小,则拉深后的加强板局 部厚度越小,并且越容易引起工件破裂。</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">按产品修 改方案经重新修模及试制,产品可成功制出,表明修 改方案合理,目前已成功进行生产</p><img src="https://p26-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/4307dc55126d4cfe908c0f5ece39e786~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1730377938&x-signature=W5JFk5OTbAdDFrl2iC1O%2FjDGWZQ%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">3 结论通过 AutoForm 软件的板料仿真技术,对采用 590DP 高强钢的典型汽车 B 柱加强板的冲压工艺 进行了数值模拟分析,预测了板料成形过程中可能 存在的起皱、开裂等问题分析得出,为了保证拉延深度及材料充分变形,需根据零件特点来确定合适 的压料面,对于容易出现起皱和破裂的区域,要加大拔模角度。</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">另外凸凹模间隙对加强板局部最小厚度 有较大的影响,凸凹模间隙越小,则拉深后的加强板局部厚度越小,并且越容易引起工件破裂从而可以在模具制造前及时地修改冲压工艺方案,实现了 模具的设计及优化,能有效地解决模拟后模具的形状参数化调整的问题。</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">作者：姚毅， 孟正华，雷雨</p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">方钉工社</p>
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