摘要：载重汽车车架纵梁是汽车最重要的承载部件之一，纵梁在压弯过程中，由于所用钢板强度较高，制件很长，冲压成形卸载后发生的U型截面侧壁的外扩和内缩（横向回弹）、U型截面的扭转以及纵向端头翘曲（纵向回弹）等问题，造成车架铆接后，整体形位尺寸超差，车架的对角线尺寸超差。这些超差严重影响了生产效率和汽车的整车可靠性。为消除以上问题，保证汽车装配的顺利进行，提高产品品质、提高产品的可靠性，针对上述问题利用DYNAFORM数值模拟软件进行了研究分析，找出了纵梁的回弹规律，并根据计算结果提出了模具改进方案。 关键词：纵梁；回弹；翘曲；有限元分析；数值模拟 前言 随着我国汽车工业和模具制造业的飞速发展，数字化、自动化、高效化已成为21世纪工业制造业的发展趋势。汽车模具CAD/CAE/CAM技术是当今国际上用于解决汽车车身模具关键问题的高新技术。 目前，发达国家十分重视结合本国实际独立自主地开发自己的3C技术，而我国汽车覆盖件和模具工业与国外的最大差距就在于此。中国汽车工业要想在未来瞬息万变、竞争激烈的国际市场中处于有利的地位，就必须具备车型的系统化开发能力与现代化设计和制造手段，其中关键部分之一就是模具设计及其工艺设计与分析。在模具设计与工艺设计与分析过程中，回弹问题是到目前为止还未得到解决的世界难题。它对于拉延模、翻边模以及切边模的型面设计与模具制造以及产品件能否保证尺寸精度和成形品质，直至对整车的品质都有重要影响。由于大型冲压件形状复杂，难于事先确定其回弹量和坯料形状，往往需要花费大量时间进行反复实验，致使模具调试时间长，加工品质低，制模成本高，且要耗费大量的人力、物力。而对板材成形回弹和坯料形状等进行数值模拟研究，不仅具有理论价值，而且具有重要的实际意义。 1、纵梁回弹缺陷及产生机理 汽车纵梁是重要的承载部件，它是由两个简单U型截面的内外板组装而成。通常将其内板称为加强板，将其外板称为纵梁。纵梁弯曲成形后由于发生回弹变形引起的主要缺陷：图1(a)U型截面侧壁的内缩或外张；图1(b)U型截面的扭曲；图1(c)沿纵梁轴向翘曲。 这种缺陷将给纵梁的装配造成很大困难，因此，对纵梁产品品质的最大要求是制件尺寸精度问题。汽车纵梁板厚一般为7mm左右，材料为16MnL钢。通常采用落料冲孔和压弯成形两道工序。由于材料强度很高，成形后翼面具有强烈的向外翘曲现象。虽然制件每个横截面都是U型弯曲，但由于沿制件纵向轮廓有很大的改变，造成制件各个部位变形不均匀，致使冲压成形后产生纵向翘曲和翼面翘曲问题的出现。 2、数字模拟分析的基本理论 板料成形是在模具各部件（主要是凸模、凹模和压料板）的共同作用下完成的，板料发生大变形的变形能来自强迫模具部件运动的外力，而能量的传递及消耗完全靠模具与板料的接触和摩擦。因此，对于成形过程的模拟，接触算法的理论和精度决定了软件程序的可靠性，而且由于板料的位移和变形很大，用来模拟板料的单元类型应考虑这一特点。在板料成形分析中，一般地将材料作为连续介质处理。 a)连续介质的运动与变形：连续介质力学研究物体的宏观力学行为。连续介质力学中的规律分成两部分：1）运动基本规律：它适用于一切物体，无论是由什么材料构成；2)本构规律：它描述材料内力与运动的关系。根据连续力学理论，可以把材料成形问题抽象为一个微分方程（组）的边值问题。采用有限元法或有限差分法对这个边值问题进行数值计算，可以求成形过程中制件和模具的位移场、应力场、应变场等，预测成形过程中可能出现的缺陷。考虑在一固定笛卡尔坐标系内的物体，在某种外力的作用下连续地改变其构形，如图2所示。用0Xi（i＝1,2,3）表示物体处于0时刻构形内任一点P的坐标，用0Xi+d0xi表示和尸点相邻的Q点在0时刻构形内的坐标，由于外力的作用，在t时刻物体运动并变形到新的构形，用tXi和tXi+dtxi．其分别表示P点和Q点在t时刻构形内的坐标，可将物体构形变化看作从0Xi到tXi的一种数学上的变换： 根据变形的连续性可知，这种变换必须是一一对应的，即单值连续，有唯一的逆变换： 于是，可认为该函数是单值、连续和可微的，且Jacobi行列式不等于0。 b)本构方程建立：板料成形过程在非线性领域属于一个大位移、大转动、大应变的问题，是非线性领域内最复杂的一种情况。一般来讲，几何非线性有限元方程的建立多从虚功原理出发，直接使用应力与其共扼应变得到，采用增量法求解。对变形体的描述由于选择的参考坐标不同，得到的应力应变张量、本构关系、平衡方程及能量泛函也都有所差异。适合解决的问题各不相同，主要有下列三种描述方法：Euler描述、Lagrange描述和ALE有限元法。考虑到板材成形过程中的变形较大，应变也较大，故采用修正拉格朗日法求解。采用以过去己知构形为参照构形的应力与应变共扼对Kirchhoff应力和Creen应变表示各个方程，泛函积分在已知域中进行，无需迭代求解，而且由于坐标附着在物质点上，即网格点和物质点始终重合，不存在相对运动，易于引入本构关系和处理自由表面外载问题，可简化描述控制方程、准确刻画自由界面、便于更新物理场量。 3、动力有限元平衡方程 采用显式算法，在每个时间增量t内，需求解下面的方程： 实践证明，显式积分方法所允许的时间步长恰好与精确描述材料本构关系所要求的时间步长是同阶的。在20世纪80年代中期以前显式算法主要用于高速碰撞的仿真计算，效果很好。自20世纪80年代后期被用于冲压成型过程的仿真，目前在这方面的应用效果已超过隐式算法。动力显式算法时间步长很小，使得三维问题的接触处理简单，同时无需求解刚度矩阵，发生起皱失稳现象时不会引起数值计算困难，计算时间随节点自由度的增加呈线性变化，特别适合求解大型复杂成形问题。故目前国际上绝大多数的商品化板料成形分析软件，如DYNA3D，PAM-STAMP和ABAQUS/Explicit等均采用基于动力显式算法的解法。 4、模型建立与成形过程模拟 纵梁成形过程的模拟，采用计算机辅助分析(CAE)技术实现，目前应用最多，已较为成熟的是有限元分析(FEA)技术，本采用计算机CAF模拟仿真软件DY-NAFORM来实现。具体应用步骤如下： 1)建立凸凹模、压边圈和毛坯的曲面模型；2）建立有限元网格模型：对各个曲面模型进行适当的单元划分；3）定义边界条件：包括材料各项参数，动模的运动曲线，模具和毛坯的接触参数等，确定分析参数后就可以启动运算器进行仿真计算；4）后置处理：读取运算分析结果，提出修正方案。首先，将CATIA三维几何模型转化成离散的有限元网格。网格划分的方法主要有两类。一类是映射法，另一类是自由法。由于该成形过程毛坯及模具（图3为模具的网格划分）形状简单，可用映射法分网。板料单元大小是影响计算时间的主要因素，网格越密，精度越高，但计算时间越长。因此，网格划分要在保证所需精度的前提下尽可能大一些。 冲压计算时，坯料左端聋方向（纵轴方向）位移被约束. 5、计算结果与分析 a)图4为冲压成形过程中冲压件几何构形图，由该图可以看出，在图中标记为A，C两处外凸部分制件侧壁已经发生皱曲，该处发生纵向压缩变形，其影响区域大约在100mm左右，致使邻近区域制件侧壁产生波浪形。 计算结果分析： 1)由图4看到，外凸部位A、C冲压过程中受压缩，在回弹时多余材料将向外延伸，致使其右侧底面下移。而其左侧由于约束作用反而使底面上翘（图5）。左侧的这种上翘结果将造成右半部制件总体刚性向下转动，致使最右端继续下降。但模拟计算结果并没有完全反映出这种刚性转动效应，这应归于有限元理论不完善的结果。根据以往分析经验，将计算回弹值乘以二倍，再考虑现在计算值为中性层位置需要加半个板厚才为底面位置。这样计算曲线最左端大约升高5mm，而最右端下降15mm。以此将计算曲线刚体转动后位置标记为曲线C。由此看到，转动曲线C与实测曲线基本吻合。 2)由图5看到，在内凹拉伸翻边处B与D，材料成形过程受拉伸，此处在冲压终了时最大应变为6%左右，如果换算成伸长率的话8—6%，其伸长率很小。根据实验测定该材料破断伸长率可达到24%左右。 6、结语 综上所述，通过对汽车纵梁成形过程的数值模拟，进行了应力、应变等分析，找出了纵梁回弹的规律，为下一步提出模具修正方案，进行模具修正打下了坚实的理论基础。因此，对板料成形回弹技术的数字模拟研究，不仅具有重要的理论价值，更具有实用价值。将研究结果用于指导实际生产，将产生重大的经济效益和社会效益，对提高我国板料数字化制造技术水平具有重要意义。 来源：《机械制造与自动化》