汽车门框上条件拉弯成形过程的数值模拟研究*

陈亚兵，夏琴香，沈亚静，吴 锋

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640；2.敏实集团广州敏惠汽车零部件有限公司，广东广州 511356）

汽车门框上条件拉弯成形过程的数值模拟研究*

陈亚兵1，夏琴香1，沈亚静1，吴 锋2

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640；2.敏实集团广州敏惠汽车零部件有限公司，广东广州 511356）

复杂截面型材的高精度拉弯成形是制造汽车门框的关键技术。基于动态显式有限元软件ABAQUS/Explicit，针对一种由SPCD与B250P1拼焊板滚压得到的汽车门框上条型材零件，对其力控制方式的直进台面式拉弯成形进行了数值模拟研究，对比分析了不同预拉力和不同摩擦系数对型材截面畸变的影响程度。结果表明，增加预拉力可以减小截面畸变程度，但当预拉力大于1.3倍屈服强度时，畸变量反而变大，当预拉应力取1.1倍的屈服强度时，整体的畸变量达最小；当摩擦系数为0.08～0.12时，截面畸变量较小，可以得到较好的成形精度。

拼焊板；型材；拉弯成形；截面畸变；数值模拟

0 引言

目前在汽车行业中，越来越多的人们开始关注轻量化结构设计，减轻车重既可节约能源，又可减少环境污染[1]。汽车门框是轿车上的重要组成部件，通常是通过弯曲工艺来完成。生产中弯曲成形方法很多，其中主要有压弯、折弯、滚弯和拉弯[2]。拉弯成形是指毛料在弯曲的同时加以切向拉力，改变毛料截面内的应力为拉应力的一种型材弯曲工艺，能够成形结构复杂、屈服比大的型材，具有弯曲精度高、回弹小、表面质量好的优点[3]。因此拉弯工艺广泛应用于汽车型材弯曲件的制造中。

对于型材拉弯成形的数值模拟，国内外很多学者进行了相关的研究，其中型材截面有简单对称的，也有复杂无规则的；有二维平面拉弯，也有三维空间曲面拉弯；加载方式有力控制的，也有位移控制的。但现有研究普遍都是探讨拉弯工艺参数对型材回弹的影响规律[4-8]，也有针对补拉力、摩擦系数对矩形铝型材拉弯成形精度的影响进行的研究[9]，但对于复杂截面拼焊板型材截面畸变的研究还未见报道。

本文以某汽车门框上条工件为研究对象，其截面形状复杂、非对称，成形过程必定存在一定的截面畸变。基于有限元模拟方法进行研究，采用了ABAQUS动力显示模块Explict，建立了直进台面式的拉弯模型，分析了预拉力及摩擦系数对本型材截面畸变变化的影响规律，为复杂截面拼焊板型材拉弯成形工艺参数的选择提供了参考。

1 型材拉弯有限元模型

1.1 试验模型

拉弯方式一般包括转台式和张臂式两种。转台式拉弯集合了拉弯和绕弯的特点，通用灵活，可成形圆环形、S形等多种类型零件；张臂式拉弯适用于成形几何尺寸大、直线段较长、三维复杂形状、可两件对称成形的零件。

本文中的某汽车门框上条件不仅具有壁薄、空心的特点，上下部分还分别带有凸筋特征，截面形状为非对称不规则形式，型面为三维变曲率，成形过程复杂，故采用张臂式拉弯成形方式[10]。本文采用先预拉后弯曲的加载方式，试验模型如图1所示，在X正方向对工件的两端施加预拉力F，并保证F大小不变，方向始终垂直于工件端部，使工件横截面的应力达到屈服极限；然后模具在Y负方向发生S的位移，工件由于受到模具的推力作用开始贴膜[11]。

1.2几何建模

图1 直进台面式拉弯试验模型原理图

型材进行拉弯成形涉及到的几何模型主要是型材和模具，型材采用可变形实体、实体单元；和型材相比，模具的变形量很小，故在此将其视为刚体，采用离散刚体、壳单元进行建模，而为了减少网格数量，加快运行速度，模具只考虑与型材接触的部分，其他的忽略。

（1）型材模型。型材截面如图2所示，型材毛坯为长度为1100 mm，壁厚为0.8 mm的直型材。由于型材细长故截面方向上网格尺寸要小些，且截面圆角较多，故在圆角位置均匀分布3个单元，厚度方向划分两层，长度方向每5 mm分布一个种子点，网格模型如图3所示。

图2 某汽车门框上条件型材截面形状

图3 某汽车门框上条件型材的有限元网格划分

（2）拉弯模具模型。模具的半径为2 000 mm，所对圆心角为60°。由于模型的形状、约束、加载等条件具有良好的对称性，因此只需建立1/2模型进行模拟，这样可以大大减少计算量，节省计算时间，节约计算机资源。模具对模拟结果影响较小，为了节省计算时间，模具只划分和型材接触的面，在圆弧方向每10 mm分布一个种子点，其网格模型如图4所示。整个装配后的有限元模型如图5所示。

图4 拉弯模具的有限元网格划分

图5 型材拉弯的模型装配图

1.3 材料模型

型材材料为SPCD钢与B250P1钢的拼焊板，经过标准单向拉伸试验获得拼焊板的材料特性，其真实应力-应变曲线如图6所示，屈服强度为282 MPa，抗拉强度为450 MPa，弹性模量E=224 GPa，泊松比为0.3。模拟过程中不考虑材料的各向异性效应，采用VonMises屈服准则，随动硬化法则。

图6 真实应力-应变曲线

2 数值模拟结果与分析

本文采用ABAQUS动力显示算法Explicit模块对该复杂截面型材模拟计算，分析型材截面畸变，研究预拉力、摩擦系数等因素对截面畸变的影响[4]。

2.1 成形精度的衡量标准

型材弯曲过程中，对于非对称截面型材，弯曲过程中弯曲力作用点不易通过型材截面的弯心，则型材除了产生弯曲外，还产生一定的扭转变形。对于本文研究的复杂非对称截面型材，进行截面畸变的分析时，定义型材中间对称面三个位移量a，b，c，如图7所示，规定向内凹为正值，向外凸为负值。

图7 截面畸变的定义

2.2 预拉力的影响

本文介绍的拉弯成形过程的加载方式是预拉、保持预拉力不变弯曲，但是预拉力的大小会对型材的截面精度造成影响。本文针对这一问题，采用相同的材料SPCD与B250P1拼焊板，摩擦系数取为0.1，预拉力分别取为屈服强度的0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4倍，进行模拟研究，定量分析预拉力对成形精度的影响。

根据模拟结果，得到最易发生截面畸变的中截面对应的a、b、c的数据，作图8、9、10。由图8-10可知，当预拉力不足以使型材达到屈服强度时，型材的截面畸变量比较大，尤其是畸变量c为负值，表示型材顶部有往上翘曲的趋势；而随着预拉力的增大，畸变量a、b、c都变小，当预拉应力达到1.1倍屈服强度后，畸变量a达到最小，畸变量c由负变正，说明当预拉应力达到屈服强度后型材顶部由上翘转变为下塌；当预拉应力继续增大，由图8、10可知，畸变量a、c随之变大，畸变量c的变化量比较大；由图9可知，随着预拉应力的增大，畸变量b的值有变小的趋势，当预拉应力达到屈服强度后，畸变量b变化量变小。预拉应力从0.9倍变到1.0倍时，畸变量a、b、c变化剧烈，变形量急剧变化，说明当型材预拉时是否达到屈服强度对于拉弯成形是一个非常重要的影响因素。综上，当预拉应力取1.1倍的屈服强度时，整体的畸变量达最小。

图8 不同预拉力对畸变量a的影响

图9 不同预拉力对畸变量b的影响

2.3 摩擦系数的影响

为了考察不同摩擦系数μ对畸变量的影响，对于预拉应力为1.1倍屈服强度的情况下，改变型材与模具之间的摩擦系数μ=0，0.04，0.08，0.10，0.12，0.15进行模拟，得到畸变量a，b，c与摩擦系数的关系，如图11所示。

由于摩擦力的存在，拉力均匀传递到中间截面比较困难，导致沿型材长度方向拉力分配不均匀。由图11可知，畸变量a虽然随着摩擦系数的增加有增大的趋势，但总体上变化不大，畸变量为0.9 mm左右，说明畸变量a受摩擦系数的影响不大；当摩擦系数为0～0.04时，畸变量b内凹，而畸变量c外凸，且随着摩擦系数的增加，畸变量变大；当摩擦系数为0.08～0.12时，畸变量b与c较小，且基本保持不变，均表现为内凹；当摩擦系数为0.15时，畸变量b表现为外凸。以上表明了摩擦系数对畸变量b与c的影响较大。

图10 不同预拉力对畸变量c的影响

图11 不同摩擦系数u对畸变量的影响

3 结论

本文针对一种典型的汽车门框上条件的SPCD与B250P1拼焊板型材的直进台面式拉弯成形，利用动态显示有限元软件ABAQUS/Explicit进行了数值模拟，对比分析了预拉力、摩擦系数对截面畸变的影响规律，其主要结论如下：

（1）当预拉应力小于屈服强度时，截面的畸变量较大；而当预拉应力大于屈服强度时，截面畸变量较小且变化平稳，取预拉应力为1.1倍屈服强度可得到较好的成形精度；

（2）由于摩擦力的存在，拉力均匀传递到中间截面比较困难，导致沿型材长度方向拉力分配不均匀。当摩擦系数为0.08～0.12时，中间截面的畸变量较小，可得到较好的成形精度。

［1］Kleiner M，Geiger M，Klaus A.Manufacturing of light⁃weight components by metal forming［J］.Annals of the CIRP，2003（52）：521-542.

［2］夏琴香，袁宁.模具设计及计算机应用［M］.广州：华南理工大学出版社，2008.

［3］《航空制造工程手册》总编委员会.航空制造工程手册：飞机钣金工艺［M］.北京：航空工业出版社，1992.

［4］刁可山，周贤宾，金朝海，等.复杂截面型材力控制拉弯成形数值模拟分析［J］.材料科学与工艺，2004，12（4）：413-416.

［5］王少辉，蔡中义，李明哲.铝合金型材多点拉弯成形的数值模拟［J］.锻压技术，2010，35（2）：66-69.

［6］Miller J E，Kyriakides S.Three-dimensional Effects of The Bend-stretch Forming of Aluminum Tubes［J］.In⁃ternational Journal of Mechanical Sciences，2003，45（1）：115-140.

［7］周欢，贺尔铭，王红建，等.复杂截面型材二维拉弯回弹数值模拟研究［J］.科学技术与工程，2010，10（14）：3475-3478.

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［9］金淼，周贤宾，李晓星，等.大尺寸封闭截面铝型材拉弯工艺研究［J］.塑性工程学报，2003，10（6）：46-49.

［10］沈亚静，徐仲祥，夏琴香，等.某汽车门框上条件拉弯成形模具设计［A］.第七届泛珠三角塑性工程会议论文集［C］.云南昆明，2013：102-106.

［11］胥少东.B299轿车门框拉弯工艺研究及数值模拟［D］.秦皇岛：燕山大学，2008.

Numerical Simulation of Stretch Bending of the Upper Strip Used for Automobile Doorframe

CHEN Ya-bing1，XIA Qin-xiang1，SHEN Ya-jing1，WU Feng2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640，China；2.Guangzhou Minhui Automobile Parts Co.，Ltd，Guangzhou511356，China）

High precision stretch bending of complex profile parts is regard as the key technology for manufacturing of automobile doorframe.The process of the stretch bending forming with force-controlled for the typical kind of upper strip of automobile doorframe rolled by the tailor welded blanks of SPCD and B250P1 was simulated by ABAQUS/Explicit，the dynamic explicit FEM software;the influence of different pretension and friction coefficient on the cross-section distortion was investigated.The results show that，generally，the cross-section distortion decreases with the increasing of the pretension;however，when the pretension is 1.1 times of the yield strength，the cross-section distortion is the minimum;when the pretension exceeds 1.3 times of the yield strength，the cross-section distortion increases inversely.When the friction coefficient is between 0.08 and 0.12，the value of cross-section distortion is small and the workpieces with high forming precision can be obtained.

tailor welded blanks；profiled beam；stretch bending；cross-section distortion；numerical simulation

TG386.41

A

1009－9492(2014)07－0047－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.014

陈亚兵，男，1989年生，福建厦门人，硕士研究生。研究领域：塑性加工及模具计算机技术。

夏琴香，女，1964年生，江西九江人，教授，博导。研究领域：塑性加工及模具计算机技术，meqxx⁃ia@scut.edu.cn。

(编辑：向 飞)

*广州市科技计划项目（编号：12A32081585）；广东省精密装备与制造技术重点实验室（编号：PEMT1202）

2014－01－01