启飞汽车

摘要
 
    简述汽车轻量化技术的途径和基于JSTAMP/NV的仿真流程, 针对目前汽车轻量化采用的激光拼焊、液压成型和热冲压成型等3种主要的先进加工制造技术, 以车门内板、副车架和汽车B柱典型零件为实例说明JSTAMP/NV数值模拟的应用.应用板料冲压成型数值模拟技术是快速实现汽车轻量化冲压技术有效应用的重要途径。
    安全、节能、环保是汽车技术发展的永恒主题.安全和舒适的功能装备会增加汽车的质量, 而节能和环保要求减少CO2气体的排放以及良好的回收再利用.国外研究表明, 在一般情况下, 车体减轻10%, 可节省燃油3%~7%.因此, 随着全球环境和能源危机的日益加剧, 汽车轻量化已成为当前汽车行业的发展潮流, 得到广泛关注.在汽车冲压件的设计和生产过程中, 采用传统方法并依靠工程师经验的成型工艺分析及设计已不能满足新产品开发的需求.采用板料冲压成型的数值模拟技术可以很好地解决该问题, 在欧美、日本等发达国家和地区, 该技术已成为缩短汽车冲压件模具研发周期、提高产品质量和降低生产成本等必不可少的工具。
 
一、汽车轻量化技术途径
 
    汽车轻量化指在保证汽车的强度和安全性能前提下, 尽可能减轻汽车的整车质量, 从而提高汽车的动力性、经济性, 并降低排气污染.目前, 全球中型乘用车平均质量为1 200~1 400 kg, 发达国家力争在2015年将中型乘用车整车质量减轻到1 000 kg以下.实现汽车轻量化主要有以下几种途径:
    (1)采用轻质材料, 如使用低密度的铝及铝合金、镁及镁合金、工程塑料或碳纤维复合材料等。
    (2)使用高强度钢代替普通钢材, 降低钢板厚度规格.高强度钢是轻量化的关键材料, 其大量使用不仅可实现整车的轻量化, 而且能保证汽车安全性和可靠性要求, 因此高强度钢使用面广且量大。
    (3)采用先进的加工制造技术, 即采用新材料生产汽车零部件所需的特殊加工技术, 主要有零部件表面处理技术、先进的材料连接技术等.目前, 应用较为广泛的有热成型、激光拼焊板和液压成型等。
    (4)优化结构设计, 即对汽车车身、底盘和发动机等零部件进行结构优化, 采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等。
 
二、JSTAMP/NV及其仿真流程介绍
 
    JSTAMP/NV是由日本株式会社JSOL开发的基于LS-DYNA通用求解器的钣金冲压成型仿真软件.JSTAMP/NV能够模拟钣金冲压的所有类型, 包括自重偏斜、板料夹紧、压边、拉深筋布置、冲压加载、拉深成型、切边、翻边、液压成型、弯管成型、热成型及卸载回弹等;能精确预测开裂、褶皱和回弹等.对于汽车轻量化常用的冲压技术, 如液压成型、激光拼焊成型和热冲压成型等都具备完整的解决方案, 在日本各大汽车厂商中成功应用.应用JSTAMP/NV执行数值模拟仿真的一般流程见图1。
 

 
图1 基于JSTAMP/NV的数值仿真流程

 
三、汽车轻量化冲压技术仿真案例
 
    针对目前汽车轻量化3种主要的先进加工制造技术:激光拼焊、液压成型技术和热冲压成型等, 以车门内板、副车架和汽车B柱典型零件为例, 应用JSTAMP/NV对这3种工艺方式分别进行数值模拟。
 
1.车门内板激光拼焊成型
 
    激光拼焊板技术是基于成熟的激光焊接技术发展起来的先进加工工艺技术, 通过高能量激光将几块不同材质、不同厚度或不同涂层的钢材焊接成一块整体板再进行冲压生产, 以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求.拼焊板工艺解决由传统单一厚度材料所不能满足的超宽板及零件不同部位具有不同工艺性能要求的工艺问题.激光拼焊板技术应用于汽车车身, 具有减轻车身质量、节能环保、降低生产成本和改善车身安全性能等优势。
    目前, 该技术已广泛应用于车身覆盖件、车身骨架件、车门内板和梁柱类零件等车身零部件加工制造.然而, 随着高强度钢板在激光拼焊板车身零部件成型过程中使用得越来越多, 在焊接过程中焊缝及热影响区的材料性能改变, 以及拼焊材料性质和强度差别或厚度差别的负面影响, 容易导致破裂起皱、焊缝偏移和回弹过大等缺陷。
    采用数值模拟技术探寻激光拼焊板车身零部件工艺规律.应用JSTAMP/NV对某汽车门内板执行激光拼焊成型, 仿真结果见图2.结果表明:焊缝移动对成型性影响很大, 控制焊缝移动可抑制较薄或较弱侧金属的局部塑性变形, 增加厚或强侧金属流入凹模中的比例, 提高拼焊板的冲压成型性能.完善该类零件拉延成型优化的方法体系, 可为解决高强度激光拼焊板车身零部件生产中的问题提供指导。
 

 
图2 车门内板激光拼焊成型仿真结果

 
2.汽车副车架管材液压成型
 
    利用流体介质代替刚性模具传递力以实现金属塑性加工成型, 称为液压成型.液压成型包括两种:
    (1)内高压成型, 即在金属管内充满高压液体并利用模具施压使其成型;
    (2)金属板料液压成型, 利用高压液体代替一般模具, 使板料成型, 获得工件。
    由于液压成型的应力状态良好, 可以比其他成型工艺获得更大的变形程度, 并可与弯曲、冲孔和压印等工序复合, 不仅简化模具结构、缩短产品的生产周期, 而且可以制造出其他常规工艺方法所不能制造的复杂工件.液压成型技术是一门新型的金属成型技术, 目前该技术大量应用在车身结构中的悬架系统、排气系统和结构件的零部件中。
    利用JSTAMP/NV对某汽车副车架的管材液压成型工艺进行数值模拟, 获取的制件最终成型工序的壁厚和成型极限分布见图3。
 

 
图3 汽车副车架管材液压成型仿真结果

    完整的管材液压成型工艺需要将零件设计、材料选择、内部压力的加载和轴向进给等工艺条件与参数进行合理组合.基于JSTAMP/NV, 对管材液压成型的工艺过程进行数值模拟分析, 可以在制造模具和开始试模前确定上述工艺参数, 并可预测、消除成型过程中在变形区出现的缺陷 (如屈曲、起皱和破裂等)。
 
3.汽车B柱热冲压成型
 
    热冲压成型技术指将钢板加热至奥氏体状态, 然后进行冲压并同时以20~300℃/s的冷却速度进行淬火处理, 保压一段时间, 以获得具有均匀马氏体组织的高强钢构件的成型方式.热成型技术可以很好地解决高强度钢冷冲压成型过程中极易发生拉裂及成型后回弹量较大等成型缺陷, 由于高温下材料塑性和变形抗力小, 且模内淬火后制件回弹较小, 因此热成型工艺是有效解决高强度钢板冲压成型的新型方法之一.超高强度钢制件在车身上的应用使得在车身力学性能提高的同时质量得以减轻.目前, 车身上越来越多的零部件开始采用热成型工艺, 见图4.利用有限元数值模拟方法研究热成型材料的变形机理和流动规律, 以及工件内部应力应变场的分布情况、温度场分布及其变化情况, 探索热成型工艺参数对材料流动变形、温度分布以及残余应力分布等的作用规律, 预测成型制件的硬度值及相变过程中的马氏体比率, 从而将热成型超高强度钢板技术在科学研究上系统化、理论化, 在生产应用上辅助零件设计, 优化模具型面结构, 缩短产品开发周期, 降低工艺开发成本。
 

 
图4 热成型工艺在车身构件中的应用

    应用JSTAMP/NV的加热成型仿真模块, 对汽车B柱的热成型工艺过程 (包括加热拉深、淬火和冷却等工序) 进行数值模拟.在仿真中, 使用实体模具网格进行冷却分析, 以评价模具的温度分布, 还能方便、快速地获取多个循环成型工序的温度历史曲线, 见图5(a)和5(b).为间接评价热成型制件的表面硬度和组织构成, 并模拟计算淬火冷却后制件在相变过程中的马氏体比率和维氏硬度的分布 (见图5(c)和5(d)) , 仿真时应用相变材料模(*MAT_UHS_STEEL)。
 

 
图5 汽车B柱热成型仿真结果

 
四、结束语
 
    汽车轻量化技术已被我国众多汽车厂家高度重视, 汽车轻量化有助于节能减排、提高发动机的效率、降低尾气排放.从轻量化技术的内涵看, 需要在满足产品功能要求和成本控制的条件下, 将从优化结构设计、新材料的使用及与多种先进制造技术应用等方面实现汽车的轻量化.
    利用JSTAMP/NV对汽车轻量化的先进制造技术, 如热成型、拼焊板成型和液压成型技术进行仿真分析、预测, 可以真实模拟出零件的实际冲压过程, 并在试模前能准确预测出汽车零部件可能出现的缺陷, 从而对实际生产中采取工艺措施, 减少和控制此类缺陷的出现有重要指导意义, 大幅减少模具返修次数和修模工作.
 
作者:李彦波 刘红武  来源：计算机辅助工程

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