超高强度钢车身B柱加强板热成形工艺参数多目标优化

高云凯 邓有志 曹 伟

1.同济大学,上海,201804 2.浙江吉利汽车研究院有限公司,临海,317000

超高强度钢车身B柱加强板热成形工艺参数多目标优化

高云凯1邓有志1曹 伟2

1.同济大学,上海,201804 2.浙江吉利汽车研究院有限公司,临海,317000

对超高强度钢车身B柱加强板热成形中的冲压速度、压边力、摩擦因数、板料初始温度及工具初始温度进行了工艺参数正交分析,并运用模糊数学中的综合评判法,对成形后的最大减薄率和危险点的主应变均值两个目标值进行了综合。通过综合指标的极差分析,确定冲压速度、压边力与摩擦因数组合、板料初始温度及工具初始温度对综合评分的影响程度,分析得出最优的车身B柱加强板热成形工艺参数组合方案。

超高强度钢;车身B柱加强板热成形;工艺参数优化;多目标;正交试验设计

0 引言

车身轻量化已经成为汽车(特别是轿车)工业的发展趋势之一。使用高强钢后,可以通过减小壁厚来减轻零件重量,实现车身轻量化,同时其超高的强度又能提高车辆碰撞安全性,满足轻量化和提高安全性的要求,因此高强钢在汽车领域的应用越来越广泛。但是高强度钢板随着强度的提高,其冲压成形性能降低,强度越高,成形难度越大,尤其是当强度超过1000M Pa时,车身B柱等一些形状复杂的零件用常规的冷冲压工艺几乎无法成形。热成形技术是一项专门用于成形高强度钢板冲压件的新技术,可以成形强度高达1500MPa的冲压件,而且高温下成形几乎没有回弹,具有成形精度高、成形性能好等优点,因此引起业界的普遍关注并迅速成为汽车制造领域的热门技术[1]。

热成形过程中工艺条件对制品质量的影响存在诸多非线性时变和不确定因素,是成形过程工艺优化和质量控制的一大难点。传统的试模方法不仅费时、成本高,而且过于依赖经验和以往案例,精确度不高,难以满足新产品投放周期短的要求。数值仿真虽然可以降低试模的成本,也可以对工艺调整作出定性指导,但这种指导缺乏定量的精度,要想获得好的结果,经验和反复试验调整仍是必需的。试验设计方法在一定程度上可以减少反复试验的盲目性,能以较少的试验次数得到试验范围内较优的工艺组合。

现选取某车型典型冲压件车身B柱加强板,对其热成形工艺进行研究,并利用正交试验理论找出其中的主次影响因素,得出一组最优的工艺参数组合以指导该车身B柱加强板的实际生产。

1 模型的建立

1.1 有限元模型

在前处理软件HYPERMESH的LSDYNA 971模板下建立有限元模型,见图1。工具和板料都使用四节点Hughes-Liu壳单元,沿厚度方向上有5个积分点,同时在关键字*CONTROL_SHELL设置 TSHELL=1,使得热计算中壳单元被当成十二节点Brick单元[2],以考虑单元厚度方向上的热传递。板料和工具的初始温度假设为各向同性;板料和工具接触面间的传热系数取3000W/(m2◦K),同时考虑工具和板料与周围环境的辐射换热及对流换热,环境温度假设为 20℃,工具和板料的表面发射率考虑为0.6[3]。工具和板料间仅考虑静摩擦而不考虑动摩擦。为了缩短仿真计算时间,把仿真过程中的冲压速度放大为实际冲压速度的50～100倍,同时相应地放大热导率、传热系数和热辐射因子以补偿由于速度提高带来的误差。

图1 有限元模型

由于车身B柱加强板形状较为复杂,为保证其成形性能,布置了8条等效拉深筋(图2),阻力系数根据成形的难易程度设为0.03～0.40不等。板料的初始厚度为 1.5mm,尺寸为1680mm×540mm。

图2 拉深筋布置

1.2 材料模型

材料基本参数参考NUM ISHEET2008标准考题BM 03[4],见表 1和表2。LS-DYNA中使用材料号*MAT_106[2]可方便输入这些材料参数。

表1 材料基本参数[4]

表2 22M nB5在不同温度下的机械性能[4]

1.3 成形模拟结果及分析

为了使后续的优化设计更有针对性,先对B柱加强板进行成形仿真试验,以获得一组能够满足各项成形指标的工艺参数,这些参数将作为确定正交试验各因素水平的基准。参考生产实际经验,并多次试算后,获得了以下一组工艺参数:冲压速度取2m/s;压边力取100kN,静态摩擦因数取0.125,板料初始温度取810℃,工具初始温度取75℃。在上述热成形工艺参数下,B柱加强板的各项成形性能指标结果见图3～图7。

成形极限图(FLD)是评价材料成形性的一个有效工具,如图3所示,本文研究对象车身B柱加强板的成形性较好,没有裂纹和过分变薄现象,有少量起皱和变形不充分的地方。

成形后板料最大厚度1.596mm,最小厚度1.130mm(图4),相应的最大减薄率是24.667%。最小厚度出现在图4圆圈处,该处位于凹模底部过渡圆角区域,且此处的拉深深度达81.4mm。最大厚度出现在图4矩形处,该处局部形状较为复杂,材料容易在较小的凹槽处堆积。

图3 成形极限图

塑性应变(图5)最大为0.4997,最大塑性应变没有超过材料的极限应变。

图4 厚度分布

图5 板料塑性应变

图6 终止时刻板料温度分布

图7 终止时刻压边圈温度分布

拉深终止时刻板料或工具的温度分布如图6、图7所示。板料在模腔部分的温度较高,模腔外部分的温度较低,最高温度为637.2℃。该现象可解释为:板料的热成形是内部温度场与应力场同时共存,相互作用、耦合的变化过程。模腔部分的板料发生了相对较大的塑性变形,而模腔外的板料基本上无塑性变形或变形较小。变形能转化为内能,因此温度较高。塑性变形越大,由变形能转化而来的内能越大,温度就越高。压边圈温度分布则受热接触影响较大,与板料先接触的部分温度较高。由于图7圆圈处的压边圈部分最早与板料接触,所以获得最多的接触传热,温度最高。

虽然在上述工艺参数下,车身B柱加强板的各项成形性能指标均已合格,但这种凭借经验和多次试算所得到的工艺参数并不是最优的组合,有进一步优化的必要。

2 热成形工艺参数优化设计方法

正交试验设计是利用规格化的正交表,恰当地设计出试验方案和有效地分析试验结果,提出最优配方和工艺条件,进而设计出可能更优秀的试验方案的一种科学方法[5]。热成形工艺是一个复杂的过程,影响制件成形性能的工艺参数很多,为了减少试验次数,同时获得足够多的参数,模拟试验采用正交试验法,通过分析试验结果,提出最优的热成形工艺条件。

2.1 优化目标设计

对某些热冲压产品,起皱和减薄等缺陷是一些无法彻底消除的问题,只能通过工艺参数的优化,减轻制件的这些缺陷,从而满足制件的设计要求。常用的评价板料成形性能的指标有最大减薄率 T1、危险点的主应变ε1和成形极限图。FLD虽然直观,但不便于数值化以用做正交试验指标;最大减薄率T1和危险点主应变ε1的数值越小,表示成形质量越好[6]。因此,本文针对最大减薄率、最危险的5个点主应变均值εe两个指标的综合值,讨论得到使综合指标达到最优的工艺参数组合。这里取每次试验中最危险的5个点主应变均值εe作为评价指标的原因是为了避免取单个点造成的片面性,使评价指标更合理、更有效。

2.2 正交试验的设计

分析的目标是确定最大减薄率 T1和每次试验中最危险的5个点主应变均值εe两个指标的综合值。为保证制件的成形质量和使用要求,必须满足以下条件:T1≤30%,εe≤0.7。

影响B柱加强板热成形质量的因素很多,选取对热成形过程影响较大的4个因素,每个因素设置3个水平。因素分别设置为冲压速度A、压边力Fbinder和静态摩擦因数 fs组合B、板料的初始温度C和工具的初始温度D。由于板料和压边圈之间的摩擦力是由压边力和摩擦因数共同决定的,因此将压边力和摩擦因数视为一个组合因素。因素水平表见表3。

表3 因素水平表

根据4因素3水平,选取正交表L9(34)。按照正交表所规定的试验方案,经过 LS-DYAN 971分析,提取成形后车身B柱加强板的最大减薄率和危险点的主应变数据。

2.3 正交试验结果数据处理

模拟试验所选取的目标指标对车身B柱加强板成形质量的影响程度各有侧重,同时各指标的量纲并不一致,为兼顾各个指标,有必要建立一个使各个指标都尽可能好的综合评判方法,从而将多目标问题转化为单目标,实现多目标问题的综合优化。因此,采用模糊数学中的映射函数[7]进行处理,将各个指标值统一映射到[0,1]的数值区间中,结合加权评分法,在模糊处理的基础上再对权值进行分配。权值分配根据正交试验分析结果和指标对制品综合质量的影响程度,按百分制加权,最大减薄率和危险的主应变的权值分别为:k1=70,k2=30。加权综合评分值Ln的计算公式如下:

式中,p＞0,通常取1、2、3等,本文取 p=1;n为试验号,n=1,2,3,…,9;i为目标指标,最大减薄率和危险点主应变均值的i分别为1、2;Ln为第n次试验的综合评分;Lni为第n次试验的第i项指标的映射值;xni为第n次试验的第i项指标的实验值;x0、x1分别为各个目标指标映射函数的边界点取值。

各参数取值见表4。综合评分结果见表5。

表4 函数各参数取值

表5 正交试验结果及综合评分

将上述仿真试验的指标值,利用极差分析法(也简称为R法)来进行处理[8-9]。这种极差分析法的计算内容和主要步骤如图8所示。其中,ljk为第j因素k水平所对应的试验指标为ljk的平均值 。由大小可以判断j因素的优水平,各因素优水平的组合即为最优设计组合。另外,Rj为第j因素的极差,其计算式为

Rj反映了第j因素水平变动时试验指标的变动幅度。Rj越大,说明该因素对指标的影响越大,也就越重要。依据极差Rj的大小就可以判断因素间的主次。这种极差分析法充分体现了正交设计的灵活性和直观性,因此该处理方法也叫直观分析法,极差分析结果见表6。

图8 R法示意图

表6 综合评分极差分析结果

2.4 结果分析

由表6中结果可以判断:影响综合评分的主次因素依次是板料初始温度C、冲压速度A、摩擦力和压边力组合B、模具初始温度D,同时还可以直观地看出各因素的优水平。最后可以挑选出其中最优的一组因素水平组合方案,如表6最后一行所示,即C1、A 1、B2、D1。表5中没有相应的组合方案,因此需要经过试验验证。经LS-DYNA分析得该方案的最大减薄率为23.31%,危险点应变均值为0.417,综合评分值为17.830。与表5比较可知,该方案的综合评分最高,表明该方案为较优方案。

3 结论

(1)热成形可显著提高超高强度钢板的成形性能。

(2)试验证明,采用分析软件LS-DYNA结合正交试验及运用综合评判法,可以对超高强度钢车身B柱加强板热成形工艺参数进行优化,能够通过较少的试验就得到一组综合评分较高的工艺参数组合,证明这种方法是可行的。

(3)该车身B柱热成形最优工艺参数组合,即板料初始温度取760℃;冲压速度取1m/s,;压边力取100kN,静态摩擦因数取0.125;工具初始温度取75℃。由于热成形数值分析对材料的物性参数以及热边界条件依赖较大,因此还需要进一步试验验证。文中的方法可为相关研究提供参考。

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Multi-objectiveOptim ization for Ultra High Strength Steel B-pillar of Car Body Hot Form ing Process Parameters

Gao Yunkai1Deng Youzhi1Cao Wei2
1.Tongji University,Shanghai,201804 2.Zhejiang Geely Autom obile Research Institute Co.,Ltd.,Linhai,Zhejiang,317000

The u ltra high strength steel B-pillar o f car body hot forming p rocess param eters,such as punch velocity,binder force,static friction,initial tem perature of b lank,initial tem perature of tools etc.w ere analyzed based on orthogonal experimental design method and the comp rehensive evaluation tomaximum thinning rate and mean valueof dangerous points'principal strain wasobtained by means of fuzzy mathematics.From this evaluation,the extent of overall influences on the process parameters was clarified.Through analyzing the factors resulted from the simulation results,the optimized B-pillar of car body hot forming process parameters scheme was obtained.

ultra high strength steel;B-pillar of car body hot form ing process;process parameter op timization;multi-objective;orthogonalexperimental design

TG386

1004—132X(2011)05—0621—04

2010—06—07

中韩国际科技合作项目(2008DFB50020)

(编辑 袁兴玲)

高云凯,男,1963年生。同济大学汽车学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为车身结构设计与分析。出版专著1部,发表论文20余篇。邓有志,男,1984年生。同济大学汽车学院硕士研究生。曹 伟,男,1983年生。浙江吉利汽车研究院有限公司工程师。