启飞汽车

摘要
 
    抗凹性是评价和反映汽车覆盖件表面质量和使用性能的一项重要指标。文章以某车型前门、发动机舱盖、后背门覆盖件的三种材料为研究对象, 基于数值模拟法, 从抗凹刚度、抗凹稳定性以及局部凹痕抗力三方面分析研究冲压工艺对汽车覆盖件抗凹性能的影响, 进而为抗凹目标值的设定提供参考。
    近年来, 车身外形的设计及制造能力是衡量汽车外形发展水平的一个重要标志。车身外形是由大尺寸的覆盖件组成, 常常会受到按压、倚靠及石子冲击等载荷作用, 使覆盖件发生凹陷挠曲甚至是永久性的凹痕。车身覆盖件承受外部载荷作用时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。抗凹性是评价和反映汽车覆盖件表面质量和使用性能的一项重要指标。
    汽车覆盖件主要是通过冲压工艺使其成型, 冲压会对覆盖件材料产生冲压硬化和延伸变薄等影响, 导致覆盖件材料发生变化, 影响其抗凹性能, 本文主要研究冲压工艺对覆盖件抗凹性能的影响。
 
一、抗凹性评价指标
 
    覆盖件抗凹性能评价主要包括抗凹刚度、抗凹稳定性及局部凹痕抗力三个方面。
    抗凹刚度是指覆盖件抵抗凹陷挠曲的弹性变形的能力, 利用载荷-位移曲线表示, 如图1 (a) 所示, 覆盖件的抗凹刚度随着力的增加发生变化。抗凹稳定性是试件在外载荷达到一定程度时, 抵抗弹性变形的能力突然丧失, 发生失稳的现象, 如图1 (b) 所示, 当加载的力到一定程度时, 位移发生变大的现象。局部凹痕抗力是指试件在外载荷作用下发生凹陷, 载荷除去后, 试件表面会有局部永久凹陷保留, 是覆盖件抵抗局部凹陷的塑性变形能力。其中, 抗凹刚度和抗凹稳定性是体现覆盖件的弹性性能, 局部凹痕抗力是体现覆盖件的塑性性能。
 

 
图1 力—位移曲线

 
二、冲压工艺对材料性能的影响
 
    通过冲压工艺使覆盖件成型, 但是在冲压过程中会使覆盖件的材料性能发生变化, 影响材料的屈服强度、抗拉强度以及材料本身厚度。本文以某车型前门为例, 对其前门、发动机舱盖和后背门外板原始材料及冲压后的材料进行力学性能研究及厚度测量, 截取样件平整区的板材, 如图2所示, 其中, 前门外板采用的材料为DC04, 发动机舱盖外板采用的材料为DC03, 后背门外板采用的材料为DC06。
 

 
图2 材料取样

    将截取的板材加工为静态拉伸试样, 每个外板取三个试样进行试验, 利用砂纸将试样表面的底漆除去, 如图3所示, 测量试样厚度并记录, 如表1所示。通过电液伺服疲劳试验系统-MTS Landmark进行静态拉伸试验, 如图4所示。
 

 
图3 发动机舱盖静态拉伸试样表1材料厚度变化
 
图4 电液伺服疲劳试验台

    通过静态拉伸试验, 得到材料冲压前后的屈服强度及抗拉强度, 如图5和图6所示。由试验数据可以看出, 三种材料冲压后屈服强度均增加了一倍左右;抗拉强度基本上没有变化。
 

 
图5 冲压前后屈服强度对比
 
图6 冲压前后抗拉强度对比

    原始钢板在冲压过程中, 材料发生塑性流动, 产生冷作硬化现象, 有的区域会变薄。因此, 冲压后的钢板, 其屈服强度有所提高, 但塑性变形和伸长率有所降低。
 
四、建立有限元模型
 
    利用Hypermesh软件建立前门、发盖和后背门的有限元模型, 此外, 还需建立压头有限元模型。

(1)前门有限元模型

    根据前门的数模进行网格划分, 主要包括外板、内板、加强板及防撞梁等几部分, 因车门主要是由钣金件构成, 所以采用壳单元划分网格。网格划分完成后对其赋予属性及材料, 并按样车实际情况对各零件进行焊接、胶粘、包边和螺栓连接。根据前门闭合工况对其进行边界约束, 其中, 约束上下铰链123456 DOF, 约束锁扣123456 DOF, 如图7所示。
 

 
图7 前门边界条件

(2)发动机舱盖有限元模型

    根据前门的建模方式建立发动机舱盖有限元模型, 边界条件为约束铰链123456 DOF, 约束锁扣123456 DOF, 缓冲块约束3 DOF, 如图8所示。
 

 
图8 发动机舱盖边界条件

(3)后背门有限元模型

    同样, 根据前门的建模方式建立后背门有限元模型, 边界条件为约束铰链123456 DOF, 约束锁扣123456DOF, 缓冲块约束1 DOF, 如图9所示。
 

 
图9 后背门边界条件

(4)压头有限元模型

    根据试验压头 (直径为80mm) 建立其有限元模型, 单元类型为六面体网格, 为方便与覆盖件建立接触面, 在体单元表面建立壳单元, 如图10中红色单元。
 

 
图10 压头有限元模型

(五)抗凹性能的数值分析

    模型建立完成后, 利用Hypermesh软件中的Abaqus版块进行处理, 首先建立覆盖件与压头之间的接触面, 如图11所示, 然后进行工况设置:Step1:加载150N的压力;Step2:加载400N的压力;Step3:卸载。
 

 
图11 前门与压头接触面

    利用Abaqus求解器分别对冲压前后两种材料特性曲线下的前门、发盖和后背门进行抗凹计算求解, 结果如表2所示。以前门为例得到的力—位移曲线, 如图12所示。
 

 
图12 前门力—位移曲线 

表2 两种材料特性曲线下抗凹计算结果

 
    通过对比三种材料冲压前后的抗凹计算结果, 可以看出经过冲压工艺后, 覆盖件的抗凹刚度、加载位移基本上无变化, 但残余位移明显减小。
 
五、结论
 
    通过对冲压前后覆盖件的材料进行静态拉伸试验, 得到其屈服强度及抗拉强度, 基于数值模拟法, 对某车型前门、发动机舱盖和后背门覆盖件进行计算分析, 得到加载力-位移曲线, 从冲压前后对比结果中可以看出, 冲压工艺对材料的抗凹刚度和抗凹稳定性基本上没有影响, 对局部凹痕抗力影响较大, 为抗凹残余位移目标值的设定提供参考。
 
作者：刘俊红 张雷 胡高宁  来源：汽车实用技术

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