某车型加强梁成形仿真分析*

刘邦雄

（景德镇学院机械电子工程学院，江西 景德镇 333000）

汽车加强梁的作用是加强车辆的防碰撞能力，提高整车安全性能[1-3]。目前加强梁的制造采用冲压、焊接的方式，具体工艺步骤是先把加强梁的上下两个半壳采用冲压的方式冲压成形，然后再通过焊接的方式，把上下两个半壳焊接在一起。采用先冲压后焊接的方式制造的加强梁生产周期长、工序多、模具费用高，且焊接时在交替应力作用下容易脱落，影响整车安全性能[4-6]。杨靖丞等[7]以汽车桥壳为研究对象，根据其结构特点，运用神经网络理论建立网络模型，将轴向位移加载量、进给时间和压力加载时间等参数作为神经网络过程当中的重要内容，结合正交实验的方法优化出最优参数，最后采用实验验证了准确性。黄丽容等[8]针对薄壁复合管件类零件，以消音器为研究对象，借助Abaqus软件对成形过程进行了数值模拟，通过实验验证消音管件能够采用内高压成形工艺加工成形。黄晓峰等[9]分析汽车扭力梁横截面，采用预成形结合内高压成形理论方法，优化其初始压力值，并通过实验验证。基于以上研究，课题组通过AutoForm有限元软件对加强梁进行内高压成形仿真分析，并进行不同工况下内高压成形质量的探讨[10]。

1 仿真分析

1.1 有限元模型的建立

通过SolidWorks建立模型后另保存为IGES格式并导入AutoForm软件中，加强梁数据模型如图1所示。从图中可以看出，数模最大截面和最小截面相差较大，最小截面宽为58 mm，因此，选用直径为58 mm的管材，材料选择牌号为SPH440钢材，部分力学性能如表1所示。

图1 加强梁数据模型

表1 SPH440部分力学性能

加强梁是三维异形截面空心结构件，轴线为曲线，需要对管件多次弯管，因此需要预弯曲成形。弯管预成形如图2所示，从图中可以看出，内侧壁厚增加，外侧壁厚减薄，壁厚差可超过25%，并随着弯曲角度变化而变化。

图2 弯管预成形

1.2 分模面的确定

胀形模具如图3所示，主要由上模具、下模具和补料推头组成。上模和下模仅需要定义内表面，将其设置为刚体材料。成形过程中将预成形弯管件置于上、下模具中间，摩擦系数定义为0.03，液压油介质通过左右两端轴向进给。

图3 胀形模具与管坯

1.3 加载路径

内压力加载方式有很多种，如线性、折线及曲线加载，课题组选取线性加载，如图4所示。按加载曲线1进行加载，右端口附近截面周长较长，右冲头进给量为60 mm，左冲头进给量为20 mm。

1.4 成形结果

成形结果如图5所示，从图中可以看出，将成形后的管件进行截面划分，管件最右端为第一个截面，每隔150 mm划分一个截面，共取六个截面。对六个截面分别测量周向五个点的壁厚，管件最大壁厚为3.57 mm，增厚率高达19%，最小壁厚为2.54 cm，减薄率高达15.3%。管件壁厚分布不均匀，管件部分区域减薄现象明显，管件两端增厚率高，材料利用不合理。

2 关键参数对成形质量的影响

2.1 摩擦力对成形质量的影响

在成形过程中管材与模具间存在接触，接触部分的摩擦力大小会严重影响轴向补料。为了探讨摩擦系数对管件内高压成形质量的影响，分别取摩擦系数μ为0.03、0.06、0.09、0.12、0.15，其他参数不变，以加载曲线1进行加载，得到的成形后的管件与加载曲线1相同截面处五个点的壁厚，取其平均值绘制成折线图，如图6所示。随着摩擦系数的增加分别测量，管件壁厚分布差异逐渐增大，管件最大壁厚处增厚现象明显，当μ=0.15时，管壁最大厚度为3.26 mm，管材壁厚增厚率达9%，增厚较为严重。由于内压力升高，接触面积逐渐增大，摩擦力逐渐增加，导致材料流动阻力增加，使得流向胀形区域的材料减少。成形区由于得不到材料的补充仅靠自身壁厚而减薄，当减薄率过高时产生破裂现象。随着摩擦力的增加，壁厚减薄率呈升高的趋势。非变形区域与模具接触的面积相对较大，摩擦系数不同时管壁最小厚度值的差异也明显。减小摩擦力有利于获得成形质量更高的管件，降低管件成形难度，减少对模具的磨损。当摩擦力过大时，易影响轴向补料，使管材处于高度破裂的危险中，所以摩擦力的大小影响着壁厚的分布，是决定管件能否顺利成形的重要因素之一。

图6 不同摩擦系数壁厚变化

2.2 内压力对成形质量的影响

仅改变成形内压力，其他参数如摩擦系数、初始管材壁厚、轴向补料量等保持不变，如图7所示，按加载曲线2、3对管件进行加载，获得成形后管件壁厚分布图如图8所示。从图中可以看出，不同内压力对管件的胀形量的影响不相同，内压力越高管件胀形量越大，说明内压力是影响管件胀形的重要因素。随着内压力的增加，管件的胀形量越来越大，壁厚减薄率明显增高。当内压力较小时，管件贴模率不高，管件与模具间存在较大间隙，管件壁厚减薄不明显。当内压力过高时，管件贴模率高，管件壁厚减薄现象显著，管件发生破裂现象可能性大。

图7 内压力加载曲线

图8 不同加载曲线壁厚分布

2.3 轴向补料量对成形质量的影响

仅改变轴向补料量，其他参数如摩擦系数、初始管件壁厚等保持不变。如图9所示，按加载曲线4、5对管件进行加载，获得成形后的管件壁厚分布图如图10所示。在内压力一定时，随着轴向进给的进行，管件壁厚有所不同，表明增加轴向补料量可以提高管件成形极限，轴向补料是提高管件成形极限的重要因素。从管件模拟内高压成形过程来看，当轴向补料量较少时，管件壁厚减薄率较高，仅通过自身壁厚减薄达到胀形目的，当管件胀形量过大时，易造成管件破裂。当轴向补料量过大时，管件壁厚增厚率明显，由于壁厚的增加，管件破裂压力将增大，即管件可以在更高压力下通过自身壁厚的减薄胀形，提高管件膨胀率。

图9 进料加载曲线

图10 进料不同加载曲线壁厚分布

3 结论

本研究以汽车加强梁为研究对象，借助有限元AutoForm软件对零件成形过程进行分析。成形结果显示，管件部分区域减薄现象明显，管件两端增厚率高。导致此种现象的原因可能是由于进料不够，为了向成形区多进料，分析了不同摩擦系数下壁厚的变化规律，结果表明：减小摩擦系数有助于成形质量的提升，同时内压力的大小和轴向进料的多少均会对成形壁厚产生重要的影响。