冲压成型历史对吸能盒变形模式影响的研究

卜晓兵，金旭龙，张桂贤，冯亚玲，张连洪

（1.天津大学 机械工程学院，天津 300072；2.中国第一汽车股份有限公司 天津技术开发分公司，天津 300462）

冲压成型历史对吸能盒变形模式影响的研究

卜晓兵1,2，金旭龙2，张桂贤2，冯亚玲2，张连洪1

（1.天津大学 机械工程学院，天津 300072；2.中国第一汽车股份有限公司 天津技术开发分公司，天津 300462）

以企业某车型的吸能盒为研究对象，将冲压成型引起的钣金部件厚度减薄、残余应力和等效塑形应变信息映射到台车碰撞仿真模型中，引入冲压成型历史的台车仿真结果在变形模式和加速度峰值上比未考虑冲压成型历史的台车仿真结果更接近于试验测得的数值；引入冲压成型历史可以提高仿真的模拟精度，研究碰撞过程中的变形压溃模式，可更好的指导汽车车身设计，防止过设计现象的产生，为企业节省研发时间和成本。

冲压成型历史；台车；映射；变形模式

0 引言

台车碰撞试验是较为接近整车碰撞的一种碰撞试验方式，试验时需要保持台车重量与整车一致，可以用结构相对简单的台车来代替整车进行试验[1]。与整车试验相比，台车试验具有不破坏整车、操作简单、重复性好、试验费用低的优点。

冲压成型引起的厚度减薄、残余应力、塑形应变等可以改变材料的属性，汽车车身中某些采用冲压成型的覆盖件和结构件是汽车碰撞的关键吸能部件，对汽车的结构耐撞性有着重要的作用，尤其是当碰撞仿真材料参数不考虑冲压成型历史的理想状态下，得到的仿真结果必然会与实际情况存在很大的差异。

最先，美国通用汽车公司的Chi-Mou Ni等[1]提出了将冲压成型历史信息和结构设计分析并行的工程方法；近几年，Ford公司的Adilson Aparecido等[2]研究了碰撞过程中保险杠的成型工艺对它计算精度的影响；一汽技术中心的刘斌等[3]工程师采用一步成型法，将某款轿车发动机罩的冲压成型历史信息导入结构仿真模型，研究了厚度变化对仿真模拟结果的影响；上海交通大学的曾鹏等[4]研究了冲压成型导致的帽型冲压件厚度变化、残余应力和塑形应变，发现冲压成型历史信息对碰撞过程中的压缩变形量有很大的影响；同济大学的余海燕等[5,6]以轿车的前纵梁总成为研究对象，将冲压成型信息导入到前纵梁中，分析了这些因素在碰撞过程能量吸收和碰撞力的问题。湖南大学的张涛[5,6]基于冲压效应的网格变量映射方法对车身薄壁件提出了新的网格变量映射方法，并引入车身薄壁件进行碰撞仿真研究。

本文通过对吸能盒以及纵梁进行冲压成型模拟，并将冲压成型历史信息引入台车仿真模型中，通过与试验结果进行比对，研究吸能盒的变形模式和压溃效果，提高台车和整车的仿真结果精度。

1 模型建立

吸能盒和纵梁是汽车碰撞过程中关键的吸能部件，吸能盒和纵梁吸能的强弱直接影响到乘员舱的生存空间，是汽车结构耐撞性设计的研究重点。台车碰撞系统由保险杠横梁、吸能盒、纵梁前段、刚性台车和刚性墙五部分组成。纵梁从悬置点位置断开，焊接到碰撞台车上；原因在于碰撞过程中，悬置点刚性很高，此位置断开，可以更好的模拟整车低速碰撞中的碰撞状态。

图1是碰撞试验台车，配重按照整车整备质量进行配重，碰撞速度设为24km/h。如图2所示的吸能盒进行了喷黑处理，并针对吸能槽位置进行了白色划线，目的是为了在碰撞过程中更好的观察吸能盒在吸能槽处的压溃变形模式，纵梁通过螺接连接到试验台车上。

图1 试验台车

图2 试验部件

在仿真建模中，冲压的网格和碰撞的网格是两套网格，冲压网格要小于碰撞的网格，原因在于冲压成型仿真须留意凸台、圆角等细节特征，划分的网格尺寸非常小，一般在1mm，而细节部分的网格尺寸小于1mm，以保证成型质量。进行冲压成形的部件是吸能盒、纵梁等，冲压网格不能直接用于碰撞网格进行碰撞计算，如果采用冲压仿真网格尺寸进行碰撞仿真，计算时间过长，降低计算效率，因此需要根据碰撞仿真的要求重新划分网格。为了兼顾计算效率和计算精度，设计了如图3所示的技术路线。

图3 台车碰撞试验仿真技术路线

图4 台车碰撞仿真模型

图4是简化的台车仿真模型，重量和试验台车保持一致，碰撞件的离地高度也和试验台车保持一致，并将冲压成型历史信息导入到台车碰撞仿真台车中。

2 冲压成型仿真结果

冲压成型仿真分析采用基于Radioss求解器的HyperForm软件，摩擦系数设置为0.12，一步成型法进行冲压仿真模拟可以提高计算效率。对台车模型的吸能盒、纵梁内板、纵梁外板以及加强板进行了冲压成型分析。

假定冲压件在焊装和夹具的夹持下，保持冲压仿真模拟的最终形状，不考虑回弹造成的影响。冲压成型分析后，需要从仿真结果输出dynain文件，该文件包含板料成型后节点坐标、厚度变化、应力和塑形应变信息，将冲压成型历史网格信息映射到碰撞网格时，需要将*NOOD、*ELEMENT-SHELL-THICKNESS、INITIALSTRESS-SHELL和*INITIAL-STRAIN -SHELL包含的信息添加到碰撞模拟的输入文件中，并在碰撞模型中检查碰撞网格的厚度信息是否存在未识别的情况。

图5 冲压成型后厚度云图

如图5(a)所示的吸能盒最大减薄在波纹槽圆角处，最大的增厚处在翻边弯曲处。吸能盒和纵梁的部件在实车中满足了装配和质量的要求，部件的减薄率都在合理范围之内，吸能盒与纵梁的内外板相比，曲面复杂程度相对较高，拉伸深度大，成型性会相对难一些。

表1 各部件材料及厚度信息

图6 冲压成型后残余应力云图

图7 冲压成型后等效弹塑性应变云图

图6和图7是通过Radioss仿真的部件冲压成型后残余应力和等效弹塑性应变分布云图，其中图6中最大的残余应力值接近1000Mpa，最小0.0179Mpa，图7出现的最大等效弹塑性应变超过1.76，最小2.18×10-6，这说明在部件进行冲压成型后材料的残余应力和等效弹塑性应变数值很大，并且呈现分布不均性，需要在整车或者分总成的碰撞中考虑残余应力和等效弹塑性应变，提高碰撞仿真模拟的准确性。

另外，在部件进行冲压成型过程中，除了材料中产生残余应力和等效弹塑性应变外，还会引起部件厚度的变化。图8是映射前后的厚度、残余应力和塑性应变的分布，可以看出映射后的厚度、残余应力和塑性应变分布的规律与映射后基本相同，只是在数值的区间上会有细微的差别，引起差别的主要原因有两个，一个是因为进行数据映射时，需要建立映射与被映射模型的局部坐标系，尤其是在映射时需要选择3个特征点来确定映射的网格信息，而实际划分的网格中，由于冲压成型仿真的网格要比碰撞仿真的网络小的多，网格节点也相对密的多，即使映射三个特征节点的位置是一样的，而其他位置的节点坐标也会存在偏差，会导致坐标系的不同，使得本来应该在此节点映射的网格信息产生偏差，导致网格中厚度、等效弹塑性应变和残余应力信息在映射后产生误差；另外一个方面，映射时除了局部坐标系引起的误差，还有插值近似法引起的误差，映射获得节点数值时，网格节点不一致会采用插值法获得节点的信息，也会引起误差的产生。

图8 映射前后厚度、残余应力和塑性应变分布云图

3 碰撞仿真与试验结果

台车碰撞的仿真过程中，因为保险杠横梁是辊压，没有进行冲压历史信息的分析，剩下的主要碰撞关键件进行了冲压成形历史信息分析。图9是关键件冲压残余应力云图，可以看到冲压后残余应力的分布，说明在碰撞发生前，碰撞的冲压件中已经存在一定的预应力，尤其是吸能盒上的预应力分布会影响其在碰撞发生时的压溃模式。

图9 导入冲压成型历史信息的仿真模型

共进行了四次的台车碰撞试验，验证吸能盒的变形模式，试验最终吸能盒的变形模式如图8所示，可以明显的看出吸能盒向车身内侧弯折变形，吸能槽并没有很好的起到引导压溃的作用。

图10 吸能盒变形模式

考虑冲压成型历史的预应力和预应变的存在增加了材料抗变形的能力，冲压成型产生的拉应力增强了材料承受碰撞压应力的能力，增加部件轴向刚度和吸能能力，所以发生相同变形时，需要的碰撞力就会显著的增大。仿真中如果没有进行冲压信息的映射，因为没有预应力和残余弹塑性应变以及厚度分布信息，吸能盒的压溃模式呈现顺序压溃的形式，如图11所示。如果吸能盒和纵梁以及纵梁的加强板增加冲压历史信息后，呈现出试验中向内的弯折变形模式，如图12所示。从图11和图12的吸能盒变形模式可以看出，在压溃刚开始的阶段，冲压残余应力对吸能盒的压溃影响不明显，当吸能槽参与压溃引导变形时，从第二张图以后，可以明显的看出吸能盒的变形发生很大的不同，没有冲压历史信息的吸能盒的吸能槽起到了很好的压溃引导，吸能盒按照吸能槽进行顺序压溃，直到压溃到最后一个吸能槽；进行冲压成形历史信息的碰撞模型可以看到，从第二个吸能槽开始，吸能盒已经开始向车内侧弯折，一旦发生弯折变形，后续的第三个和第四个吸能槽完全没有引导压溃，导致吸能盒直接向内侧弯折变形加大，最终引发纵梁在吸能盒发生弯折变形后，直接将吸能盒压溃，吸能盒吸能减少。

图11 吸能盒仿真

图12 加入冲压成型历史的吸能盒仿真

图13 碰撞试验图像

图13是台车碰撞试验图像，图13(a)中由于第一个吸能槽已经压溃，拍摄角度的原因，看到的第一条做标记的白线是第二个吸能槽，此时的吸能盒已经开始向内弯折，图13(b)中向内弯折加剧，第三个吸能槽没有参与引导压溃，图13(c)中吸能盒已经完全弯折压溃。试验的结果和映射冲压成形历史信息的碰撞仿真结果基本一致，都是从第二个吸能槽开始向内弯折，最终出现吸能盒完全弯折变形。主要是两个方面的原因引起：一个方面是冲压成型存在的残余拉应力抵消了一部分碰撞产生的压应力，起到了强化的作用，不易发生变形；另一方面参照应力波的传递规律，预应力的存在干扰了碰撞力的传递，预应力会与碰撞产生的应力在波的传播方向上发生叠加和消减的现象，消减的位置变形小，叠加的位置变形就会增大。

4 结论

1）采用基于Radioss理论的一步成型法可以很好模拟冲压成型中厚度分布、残余应力和等效弹塑性应变信息；

2）考虑冲压成型历史可以增强仿真模拟中部件的轴向刚度，增强抗变形能力和吸能特性，使仿真结果的侵入速度和侵入量更接近于实车试验结果；

3）加入冲压成型历史后可以提高整车侧碰仿真的精度，研发初期可更好的指导汽车车身设计，防止过设计现象的产生，为企业节省研发时间和成本。

[1] 高伟,黎权波.基于LS-DYNA的汽车前纵梁碰撞性能仿真研究[J].湖北汽车工业学院学报,2010,6:21-26.

[2] Aguinaldo JoseCajuhi, Adilson Aparecido de oliveira, Geraldo Minoru Kato and Germano Francisco Simon Romera[J].Forming Analysis Results Influences on Safety Crash Finite-Element Analysis, SAE Technical Paper Series, 2003,1:362-381.

[3] 刘斌,张雨.基于HyperForm车身结构一体化仿真分析方法应用研究[A].2007Altair大中国区用户技术大会论文集[C],2007,1:1-9.

[4] 曾鹏,朱平.冲压成型历史对车身典型结构耐撞性的影响研究[J].材料工艺制备,2011,1:57-60.

[5] 余海燕,孙喆.考虑冲压成型历史的轿车前纵梁总成碰撞仿真[J].同济大学学报,2011,39(8):1198-1203.

[6] 余海燕,孙喆.从冲压成型到碰撞仿真的数据映射方法研究[J].汽车技术,2011,10:57-60.

[7] 张涛.基于冲压效应的碰撞仿真网格边梁映射方法及其应用研究[D].湖南大学,2013:52-96.

Research on the vehicle side impact with consideration of sheet forming history

BU Xiao-bing1,2, JIN Xu-long2, ZHANG Gui-xian2, FENG Ya-ling2, ZHANG Lian-hong1

TG386

A

1009-0134(2016)12-0050-05

2016-09-07

中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司2015年标准法规对策项目（YF-15-BZFG-001）

卜晓兵（1982 -），男，山东人，高级工程师，博士，主要从事整车结构耐撞性的研究。